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电力电子专题报告模板
沈阳工程学院
电力电子课程报告
题目：
三相电流型多电平整流器的研究
专业年级：
电子本091
学号：
33
姓名：
王健
完成时间：
年月日
1课题研究背景及意义
随着电力电子装置在工业市场和应用领域的不断扩大，特别是电力变换器的大功率化，带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。
为了达到节约能源、降低成本、减少污染的目的，越来越多的电气设备对电能的品质提出了新的要求。
世界各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究，取得了大量的科研成果。
电力系统谐波的主要来源之一是电网中的电力电子设备【1,2】，在这些设备中，各种整流装置所占的比例最大【1】。
而目前常用的整流装置几乎都采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路【3,4】它们对电网注入大量谐波及无功功率，网侧电流波形畸变严重，谐波含量高，造成严重的电网“污染”。
随着这类非线性负载容量的增大和应用的不断普及，电力电子装旨的谐波污染问题成为电气工程领域关注的焦点问题之一。
不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定【5，6】其中较有影响的是IEEE519—1992和IEC555．2。
我国也先后于1984年和1993年分别制定了限制谐波的规定和国家标准【7，8】。
这有力地促进了学术界和工程界对谐波抑制问题的研究。
解决谐波问题的思路无非两种：
一是在谐波产生后用滤波装置进行滤除：
二是对污染源进行改造，从根本上消除谐波。
当然，用有源滤波（APF）或者无源滤波的方式进行谐波抑制都是被动的方法，积极的方法应该是消除污染源。
不控整流或相控整流使输入电流产生很大的畸变，解决此问题的很自然的想法就是尽可能地使输入电流正弦化。
用阶梯波逼近正弦波的想法应运而生。
最传统的方法是采用多重化技术增加交流器的相数或脉动数191，消除较大的低次谐波，提高交流器功率因数。
例如大功率UPS通过12相整流可以将输入功率因数提高到O．95以上。
多重化技术的缺点是需配备专用的变压器，装置和变压器的结构复杂，却无法消除高次谐波【361。
将多重化技术和PWM技术结合可以获得较好的效果。
几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM整流技术。
迄今为止，对多电平逆变器的研究已经很充分，但对多电平整流器尤其是电流型多电平整流器的研究则相对较少。
多电平整流器可以实单位功率因数或者可做到功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变换器”。
由于多电平整流器可以实现能量的双向流动，不但能实现由交流侧电网向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特性，被称为新型四象限运行的整流器，有效的节约和利用了能源。
2．电流型多电平的调制策略
2.1阶梯波脉宽调制技术
阶梯波脉宽调制技术是利用阶梯波来逼近正弦波，阶梯数越多，输出波形就越接近正弦。
在阶梯波调制中，可以通过设定每个阶梯电平持续时间的长短，来抑制和消除某些低次谐波，这些谐波次数由电平数决定。
该种调制策略的主要优点是控制简单、工作可靠、对开关器件的工作频率要求较低（一般等于基波频率），因而可以使用低开关频率的大功率半导体器件。
主要缺点在于通常是先离线求解、然后以在线查表的方式使用，动态响应性能受到了影响；另外，由于每一级电平都采用与基波频率相同的方波控制，这种调制策略下的传输带宽较低。
因此，
阶梯波脉宽调制技术一般适用于一些对输出电压或电流调节要求不高的场合，如静止无功补偿器等。
由于阶梯波各台阶的脉宽是固定的，如要改变输出电流幅值，通常要依靠调节直流侧输入电流来实现，影响了其动态响应性能。
2.2基于多载波垂直分布的SPWM技术
这种调制技术的基本原理是：
若要输出N电平的电压或电流，则要采用（N一1）个频率和幅值都相等的三角载波，将其并排放置以形成载波组，将载波组的水平中线选为参考零线。
在每一瞬时，（N．1）个三角载波与同一个正弦波进行比较，得到相应的二电平开关信号，再根据多电平的产生机理，将这些开关信号进行重新组合并分配给相应的开关器件。
根据三角载波的相位分布，可分为三种基本的SPWM调制方式：
（1）从上至下，每个三角载波的相位保持一致，称为PD．PWM方式。
（2）零参考线以上，三角载波相位一致：
零参考线以下，三角载波相位也一致，但与零参考线以上的三角载波相位相反，称为POD．PWM方式。
（3）从上至下，三角载波的相位依次交替相反，称为APOD-PWM方式。
这种PWM技术的主要优点是变流器的输出特性好，单个器件的开关频率较低而等效开关频率较高，输入与输出成线性关系，能够输出一定的带宽：
但开关器件的导通负荷不一致，尤其在深调制的情况下，处于变流器外围的功率器件几乎不会开通，而变流器内部的器件则切换频繁，工作频率较高。
从调制原理上看，如果电流型多电平变流器在电气关系上与电压型多电平变
流器完全对偶，那么基于多载波垂直分布SPWM技术的三种基本调制方式即PD．PWM、POD—PWM、APOD．PWM也可以在电流型多电平变流器中使用，并且可以获得相同的谐波消除性能。
2.3载波相移SPWM技术
载波相移SPWM技术的基本思想是：
N个变流器单元均采用低开关频率的SPWM技术，并采用相同的频率调制比k、幅度调制比M。
和调制波信号（周期为27），将各变流器单元的三角载波相位依次错开2x／（N·k）。
这样，N个变流器单元分别采用SPWM技术进行调制后，所形成的SPWM波形经过叠加后就产生T（2N+I）个电平的输出波形。
载波相移SPWM技术主要有以下几个特点：
I、单个变流器单元中的器件开关频率低，可采用大功率的半导体器件G1D、IGCT等组成更大功率的电力电子变流装雹，并降低器件的开关损耗。
2、输出谐波特性好，可减小输出无源滤波装置的容量和尺寸。
3、等效开关频率高，传输频带宽；传输线性好，容易引入优秀的控制方法。
4、各变流器单元的电路结构和系统参数完全相同，易于模块化实现；开关器件的工作负荷比较均衡。
载波相移SPWM技术最初就是基于组合型变流器而提出的一种开关调制策略，后来又被拓展应用到级联型电压型多电平变流器中。
对于三相电流型多电平整流器而言，载波相移SPWM技术无疑是一种比较理想的调制方案。
3.本文研究的主要内容
本文研究的数字控制三相电流型多电平整流器，是国家自然基金项目《电流型多电平变流器拓扑和控制技术的研究》的一部分，它吸收了多电平拓扑与调制策略的精华，结合现代最先进的数字控制处理器，搭建软、硬件平台。
本文选择以7电平这个颇具代表意义而又相对简单的电平等级为例，着重分析了三相电流型多电平整流器主电路的参数设计过程、控制策略、调制方法及其仿真，并最终通过建立样机，对主电路及其调制策略进行了实验验证。
（1）在阅读相关文献的基础上，给出了三相电流型多电平整流器的拓扑结构，并选择以7电平这个颇具代表意义而又相对简单的电平等级为代表，着重分析了三相电流型7电平整流器的工作过程、自均流特性等，为闭环控制提供了理论基础；
（2）在分析对比了二逻辑和三逻辑载波相移SPWM的谐波特性之后，提出了本文的调制策略——三逻辑载波相移SPWM技术；
（3）在学习前人的基础上搭建了DsP+CPLD的数字控制平台。
DSP和cPLD型号分别是LF2407A和EPIK30TCl44．3，操作平台分别是CCS2．0和MAX+PLUS11，分别使用的是汇编语言和VHDL语言；
（4）以7电平为例，对主电路的参数进行了设计：
（5）分析对比了三种产生三逻辑信号的方法，并选择了一种相对简单而又容易实现的方法，使用对称规则采样，实现了三相电流型7电平整流器三逻辑载波相移SPWM信号的数字化以及18路PWM信号的产生；
（6）着重研究了基于DSP+CPLD的数字锁相技术，使三相调制波
频率和相位上完全与电网同步；
（7）建立了一套三相电流型7电平整流器的实验样机，对主电路
及其调制策略进行了实验验证。
并采用基于交流侧指令电流的
间接电流控制作为系统的闭环设计方案，实现了单位功率因数
整流；
（8）从不同角度将三相电流型多电平整流器与多脉波电流型相
控整流器进行了对比，指出了前者具有很高的实用价值和深远
的应用前景。
参考文献
1.王兆安，刘进军．电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展．电力电子技术．1997，31
（1）：
100-104
2．王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿．北京：
机械工业出版社．2004
3．张崇巍，张兴编著．PWM整流器及其控制．北京：
机械工业出版社．2003
4．林渭勋现代电力电子电路．浙江大学出版社．2002
5．T．CtHabetler．Aspacevector-basedrectifierregulatorforAC／DC，ACconverters。
IEEETmns．PE，1993，8
（1）：
30—36
6．Zhangzhongchao，Boon-TeckOoi．ForcedcommutatedHVDCandSVCbasedOnphase—shiftedmulti·converters．IEEETrans．PowerDelivery,1993．8
（2）：
712-718
7．中华人民共和国水利电力部电力系统谐波管理暂行规定（SD126—84）．北京：
水利电力出版社．1985：
I．12
8．中国国家标准GB／T14549．93．电能质量公用电网谐波，北京：
中国变准出版社，1994：
3—9
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