交流传动三电平整流器主电路控制研究

来源：五一七教育网

课程名称：电机与拖动基础

设计题目：三电平整流器主电路及控制分析院系：电气工程学院专业：电力机车年级：201 4 级姓名：袁敏指导教师：丁菊霞

西南交通大学峨眉校区

2017 年 04月 24 日

摘要

脉冲整流器是一种以脉宽调制（PWM）方式工作的整流器，又称为四象限变流器。脉冲整流器与传统的相控变流器具有功率因数高、谐波含量低、体积小、重量轻及动态响应快等优点。

经过几十年的发展传统的两电平脉冲整流器已经相当成熟，但是在大功率的应用中有很多的问题难以解决，如需要昂贵且笨重的变压器、较高的开关损耗及功率开关难以达到规定的耐压要求等。从而出现了三电平脉冲整流器，三电平脉冲整流器每个桥臂上使用的LGBT的个数是两电平的两倍，因此它的每个回路中每个开关所承受的电压只有两电平的一半，从而增加了功率开关的使用寿命。而且三电平脉冲整流器能产生五种电平的线电压，在相同开关频率及控制方式下，其输出电压和电流中的谐波含量远小于传统的两电平脉冲整流器。最后，功率器件的造价是随着电压等级的提高而增加的，所以对于一些大功率电路来说三电平的性价比是优于两电平的。正是由于三电平脉冲整流器的优越性能，目前我国生产的CHR2型动车组正是采用的三电平脉冲整流器。

三电平脉冲整流器的主要控制方法包括间接电流控制直接电流控制两大类，直接电流控制又主要包括滞环电流控制、固定开关频率的瞬态电流控制及预测电流控制三种。本文详细分析了三电平脉冲整流器上述的几种控制方式及中点电位不平衡的原因和危害及中点电位滞环控制法和判断H桥功率法两种控制中点电位平衡的主要策略，给出了三电式脉冲整流器主要参数的计算方法，分析验证了在一定程度上增加支撑电容从而去除二次滤波回路的可能性。最后以CHR2型车上使用的二极管钳位型三电平脉冲整流器的主要参数在Matlab/Simulink环境下分别搭建了以间接电流控制，瞬时直接电流控制及预测电流控制方式的仿真模型，并分别针对其在不同负载之间切换时电路各主要性能指数进行了详细系统的仿真分析。

结果表明：在三种控制方式下的三电平脉冲整流器的功率因数都始终接近于１，针对中点电位控制方案快速有效。间接电流控制下输出电压纹波较大，且直流侧支撑电容电压均衡度较差，负载由再生满载向牵引满载切换时输出电压存在震荡。瞬时直接电流控制与预测控制输出电压纹波小，负载切换时直流输出电压

摘要

跌落小、调整较快，但瞬时直接电流控制下负载由再生满载向牵引满载切换时直流输出电压跌落较大，而预测电流控制下直流侧支撑电容电压均衡度在再生情况下较差。总体来看，瞬时直接电流控制与预测控制策略能满足脉冲整流器对各种工况下的动静态性能要求。

关键词：脉冲整流两电平三电平电流控制

摘要

ABSTRACT

Pulse rectifier is a kind of rectifier in the pulse width modulation (PWM) mode, also known as the four quadrant converter. Pulse rectifier and traditional phase control converter have the advantages of high power factor, low harmonic content, small size, light weight and fast dynamic response.

After decades of development of two level pulse rectifier has been quite mature, but in the high-power applications has a lot of difficult problems, such as the need to switch loss and switch power transformer, expensive and bulky high is difficult to achieve the required. Which appeared in the three level pulse rectifier, three pulse rectifier using a number of levels of each bridge arm on LGBT is two times the two level, so half of each switch circuit voltage it is exposed only two level, thereby increasing the life of the power switch. The three level pulse rectifier can produce five kinds of line voltage, the output voltage and current harmonic content in the same switching frequency and control mode is much less than the traditional two level pulse rectifier. Finally, the cost of the power device is increased with the increase of the voltage level, so for some large power circuit, the three level is better than the two level. It is precisely because of the superior performance of three level pulse rectifier, at present, the production of CHR2 type EMU is the use of the three level pulse rectifier.

The main control method of three level pulse rectifier indirect current control and direct current control in two categories, including direct current control and hysteresis current control, fixed switching frequency control and prediction of current transient current control of three. This paper gives a detailed analysis of the above three level pulse rectifier and several control methods of neutral point potential unbalance reason and harm and neutral point potential hysteresis control method and judgment method of H bridge power strategy of two control neutral point potential balance, gives the calculation method for main parameters of three type pulse rectifier is analyzed, thereby removing the support capacitor the possibility of the two filter circuit increases to a certain extent. At last the main parameters using the CHR2 type car of the diode clamped three level pulse rectifier in Matlab/Simulink environment were built by indirect current control, the simulation model of transient direct current control and predictive current control mode, and according to the switching between different load circuits of the main performance index of the simulation analysis with the system.

Keywords: pulse rectifiertwo level three level current control

摘要 ............................................................................................................................... 1 ABSTRACT ...................................................................................................................... 3 绪论................................................................................................................................ 1 1 三电平脉冲整流器的原理........................................................................................ 3

1.1整流电路的概述............................................................................................... 3 1.2脉冲整流器的电路........................................................................................... 4 1.3脉冲整流器的分类........................................................................................... 8 1.4三电平脉冲整流器的结构与工作原理........................................................... 9 2 三电平脉冲整流器的控制方法.............................................................................. 15

2.2直接电流控制................................................................................................. 16 2.1间接电流控制................................................................................................. 15

2.2.1滞环PWM电流控制 ........................................................................... 17 2.2.2固定开关频率的瞬态电流控制........................................................... 18 2.2.3预测电流控制....................................................................................... 19 2.3中点电位控制................................................................................................. 22

2.3.1中点电位滞环控制............................................................................... 22 2.3.2判断H桥功率流向法 .......................................................................... 23

绪论

将交流电能转换为直流电能的电路我们称之为整流电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

整流电路按照组成的器件可以分为不可控电路、半控电路和全控电路三种，不可控电路完全由不可控的二极管组成。二极管整流器是所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中，二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程，输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况，有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压，因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。通常有载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电抗器结合使用。通过在电抗器中引入直流电流，使线路中产生一个可变的阻抗。因此，通过控制电抗器两端的电压降，输出值可以在比较窄的范围内控制。半控电路主要由半控的晶闸管组成，在设计上非常接近二极管整流器的是晶闸管整流器。因为晶闸管整流器的电参数是可控的，所以不需要有载抽头变换器和饱和电抗器。因为晶闸管整流器不包含运动部件，所以晶闸管整流器系统的维修减少了。注意到的一个优点是晶闸管整流器的调节速度较二极管整流器快。在过程特性的阶跃期间，晶闸管整流器常常调节很快，以致能够避免过电流。其结果是晶闸管系统的过载能力能够设计得比二极管系统小。

由晶闸管构成的传统的相控桥式电路不仅可以实现交流电到直流电的转换，而且通过适当的控制可以实现由直流电到交流电的转换。伴随着电力电子科技的进步和技术的革新，功率半导体开关器件的性能也有了大幅度的提高，最初的不可控型（二极管）及半控型（普通晶闸管）已经很难满足现在的工业技术需求，所以全控型功率开关（双极型晶体管、门极关断晶闸管等）开始广泛运用。而且

绪论

常规的整流电路因为采用的是二极管不可控整流电路和普通晶闸管整流电路，所以会对电网中注入大量的谐波，会造成严重的电网污染，而且解决这个问题最根本的方法就是实现网侧电流的正弦化且运行于单位功率因数。为了解决这个问题脉冲整流应运而生。

脉冲整流是一种以脉宽调制（PWM）方式工作的整流器，又称为四象限变流器。脉冲整流器与传统的相控交流器具有功率因数高、谐波含量低、体积小、重量轻及动态响应快等优点。对于直流电机的调速方式，改变直流电动机的电枢电压是最经济合理的调速方法，在交直系统中，通常采用传统的相控方式来改变晶闸管整流输出的直流电压，以调节直流电动机的转速，但采用相控整流器，将电网的交流变为可控的直流，会导致网流畸变和功率因数下降，使其容量不能充分利用，同时干扰通信及影响电子设备的工作。而脉冲整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。脉冲整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使脉冲整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿（SVO）、有源电力滤波（APE）、统一潮流控（UPFC），超导储能（SMES），高压直流输电（HVDC）、电气传动（ED）、新型LIPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等

脉冲整流器发展到今天已经有很多种成品种类并可以分类如下，按直流储能分类可分为：电压型和电流型；按电网相数分类可分为：单项电路、三项电路和多相电路；按PWM开关调制分类可分为：硬开关调制和软快关调制；按桥路结构分类可分为：半桥式和全桥试；按调制电平分类可分为：两电平、三电平和多电平。

但是总的来说脉冲整流器可以分为电压型和电流型两大类。这主要是因为电压型、电流型脉冲整流器，无论是在主电路结构、PWM信号发生以及控制策略等方面均有各自的特点，并且两者间存在电路上的对偶性。其他分类方法就主电路拓扑结构而言，均可归类于电流型或电压型脉冲整流器之列。电压型脉冲整流器最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使电压型脉冲整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型脉冲整流器拓扑结构最显著特征就是直流侧采用电感进行直流储能，从而使直流侧呈现出高阻抗的电流源特性。

三电平脉冲整流器的原理

1 三电平脉冲整流器的原理

1.1整流电路的概述

整流电路就是能把交流电转换为直流电的电路。在应用中主要由变压器、整流主电路、及滤波器构成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。整流电路是公共电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响公共电网的运行和用电质量。

在所有的电能基本转换形式中，AC/DC应用最早出现，自20世纪20年代迄今已经经历了以下几个阶段：

1、旋转式变流机组（电动机-发电机组）

2、静止式离子整流器（由充气阀流管和汞弧整流管组成）

3、静止式半导体整流器，而它又分为低频型（相位控制）和高频型（PWM控制）

传统的相控整流器应用时间较长，技术也比较成熟，而且被广泛应用，但是仍然存在以下问题：

1、晶闸管换流会引起网测电压波形畸变； 2、网测谐波电流对电网产生谐波“污染”； 3、在达到深度控制时网测功率因数降低； 4、闭环控制动态响应较慢。

脉冲整流器是在针对上诉整流器不足的情况下发展起来的一种新型整流器，它对传统的相控及二极管整流器进行了多方面的改进。主要以全控型的功率开关器件取代了传统的半控型和不可控型开关器件，以PWM斩波控制取代了相控整流。综合上述，脉冲整流器在应用中有以下优点：

1、网测电流为正弦波； 2、网测功率因数控制； 3、可以实现电能的双向传输； 4、动态控制响应较快。

三电平脉冲整流器的原理

脉冲整流器一个最大的优点就是可以实现电能的双向传送，当它从电网中吸收电能时，也就是它运行在AD/DC状态（整流状态）。此时网测电压、电流同相（正阻特性）；而当它向电网中传送电能时，它运行在DC/AC状态（逆变状态），此时网测电压，电流反相（负阻特性）。而且因为脉冲整流器具有网测电流及功率因数都可控的特性，所以可以推广应用于有源滤波及无功补偿等场合。

1.2脉冲整流器的电路

根据上一小节的分析我们可以得知脉冲整流器是一个可以其交、直流侧可控的变流装置。一个理想的整流器，一方面为直流侧提供平直稳定的直流电压（或电流），另一方面只从交流电网吸取有功功率。在原理上，这种装置可以由一个无储能部分的交流器和一个分离的储能器组成。为了能使交流电网保持很好的功率因数的同时获得平整的直流量，变流器在变比必须能够通过调制技术随时加以改变，而必要的储能器作为简单的并联（或串联）谐振电路。与直流侧负载并联（或串联）。通过不同的方法能够使变流器的变比逼近所希望的曲线：在许多可能变比值之间进行有级变换，或者在仅有的两个值（1和0）之间频繁变换。后者由脉宽调制技术来实现电压型脉冲整流器在保证电源电流不发生畸变并与电源电压保持同相位的同时，其输出端提供恒定的平整的直流电压，而输出的直流电流的大小于负载特性有关。

图1-1脉冲整流器电路原理图

图1-1为脉冲整流器的原理图，由交流回路、功率开关桥路以及直流回路构成，交流侧主要有交流电动势e及网侧电感L；直流回路主要包括负载电阻RL及

三电平脉冲整流器的原理

负载电势eL等；功率开关桥路可由电压型或电流型桥路组成。图1-2为电力牵引脉冲整流器理想回路。

图1-2脉冲整流器等效理想电路

根据图1-1并由交、直流侧功率平衡关系得：

ividcvdc (1.1)

式中v、i－交流侧电压及电流

vdc、idc－直流侧电压及电流

从式1.1中可以看出，只需对一侧进行调节就可以实行对另一侧的控制。图1.3表示脉冲整流器的等效电路，图1.4表示四象限脉冲整流器的向量图。

图1-3脉冲整流器的等效电路

（a）牵引工况（b）制动工况

三电平脉冲整流器的原理

图1-4脉冲整流器向量图

UN和Uab之间的相位角为，UN和IN之间的相位角为，阻抗为

ZRNjLN，阻抗角为arctg(RN/LN)。而且，把超前于Uab的角度

记为正，滞后于Uab的角度记为负。那么由图2-3和2-4可以推导出脉冲整流器在能量变换过程中的功率关系。对于牵引工况可得：



UNINZUabUN0Uab (1-2) INZU0Uab(-)conj(IN)NZ(-)脉冲整流器吸取的复功率为：

2UNUabUabPabjQabUabconj(IN)() (1-3)

zZ交流电源提供的复功率为：

UUU2NPabjQNUN0conj(IN)()Zab() (1-4)

Zz则可以推出：

2UNUNUaabPcoscos(NZZ2QUNsinUNUaabsin(NZZ 2PabUNcosUNUaabcos(ZZ2UNUUQabsinNaabsin(ZZ)) (1-5) ))脉冲整流一般都在单位功率因数下工作，牵引变压器的内阻鼢可以忽略不计，则/2相应的简化等效电路的相量如图1-5所示。脉冲整流器的电压矢量平衡方程为：

UNjLNINUab(1-6)

三电平脉冲整流器的原理

（a）牵引工况（b）制动工况

图1-5脉冲整流器简化向量图

IN的幅值和相位仅由Uab的幅值及其与当二次侧牵引绕组电压UN一定时，

UN的相位差来决定。改变Uab基波的幅值和相位，就可以使，IN和UN同相位

或者反相位。在牵引工况下，IN和UN的相位差为零，该工况下的矢量图如图1-5（a）所示，此时Uab动滞后UN；而对于再生制动工况，IN和UN的相位差为180度，该工况下的矢量图如图1-5（b）所示，此时Uab曲超前UN，电机通过脉冲整流器向电网反馈能量。

把有关参数代入式1-5，经简化后可求得这种状态下的相应功率为：









PNUNINQ0NPabUNIN (1-7) 2QULNabLNULILNNN以上分析的结果，同样适用于再生制动的情况，但是在再生制动工况，Uab超前于UN，所以大于零度。由式1-1可以得到下式：

UabUdma/2222(1-8) UU(LI)abNNNLIKUNNN 7

三电平脉冲整流器的原理

式中：

Ud－直流侧电压；

ma－整流器的调制深度，从系统工作的安全可靠性和电网的特性考虑，控

制系统应保证0.8ma0.9；

K－短路阻抗的标么值，一般取0.3-0.35。由式1-8可得：

UdUN2(1K2)/ma(1-9)

式1-9表明了中间直流电压Ud与变压器牵引绕组电压UN、变压器短路阻抗标么值Ｋ以及调制深度ma的关系。

1.3脉冲整流器的分类

脉冲整流器按直流侧的电压和电流情况主要可以分为以下电压型如图1-6（a）所示和电流型如图1-7（b）所示两大类，电压型脉冲整流器最显著拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使电压型脉冲整流器直流侧呈低阻抗的电压源特性。电流型脉冲整流器拓扑结构最显著特征就是直流侧采用电感进行直流储能，从而使直流侧呈高阻抗的电流源特性。对于理想的PWM整流器，在整流工况时，若想在直流侧得到恒定的电压与电流，则必须在PWM整流器直流侧与负载之间接入一个由电感电容组成的滤波器，以平衡2倍于网频脉动的能量。

（a）图1-5单相电压型（b）单相电流型

图1-6脉冲整流器拓扑结构

三电平脉冲整流器的原理

电压型脉冲整流器交流侧电感主要作用是滤除网侧电流谐波。电流型脉冲整流器与电压型脉冲整流器相比，除直流储能电感以外，在交流侧增加了一个滤波电容从而与网侧电感一起组成LC滤波器，以滤除电流型脉冲整流器的网侧谐波电流，并抑制交流侧谐波电压。另外，一般需在电流型脉冲整流器的功率开关支路上顺向串联二极管，其主要目的是阻断反向电流（因为一般大功率开关管大都集成有反并联二极管），并提高功率开关管的耐反压能力。

1.4三电平脉冲整流器的结构与工作原理

随着电力电子技术的发展，脉冲整流器技术己日趋成熟。目前国产电力机车上多采用的是两电平四象限变流器而传统的两电平脉冲整流器的主要优点是主电路拓扑结构、控制策略和控制方法都比较成熟，但为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。均压电路使系统复杂化、损耗增加、效率下降。同时二电平脉冲整流器交流侧电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。为解决这些问题，三电平电路应运而生，三电平变流器与常规的二电平交流器相比，其主电路结构虽较复杂，但它具有更多的优点：

ｌ、每一个主功率开关管上承受的电压峰值只有二电平整流器的1/2，比较适用于高电压、大容量（功率）的应用场合；

２、由于三电平变整流器每个桥臂有3个开关状态，每个开关状态对应不同的输出电压，使得三电平整流器在开关频率不是很高的情况下也能够保证较好的正弦波形输入电流；

３、三电平整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定的正弦度，在同样的开关频率及控制方式下，它的网侧电流谐波总畸变率（THD）亦远小于二电平整流器。

图1-7所示为单相三电平四象限脉冲整流器主电路拓扑。采用8个IGBT和二极管反并联构成两组功率开关。并且这两组功率开关管带4个钳位二极管来防止电容C1或C2端因开关操作而发生直通。LN，为网侧限流电感，RN为网侧漏

三电平脉冲整流器的原理

电阻，其大小可以忽略。C1或C2为直流侧两个支撑电容。该主电路可以实现4象限交流－直流变换功能。

图1-7三电平四象限脉冲整流器原理图

为了便于分析，定义理想开关函数SA和SB如下：

S1和S2导通S5和S6导通11SA0S2和S3导通SB0S6和S7导通(1-10)

1S3和S4导通1S7和S8导通由式（1-10）可将主电路等效为如图1-9所示。每组桥臂可以等效为一个开关，该开关具有1、0、-1共3种等效状态，那么这两组桥臂共有9种开关组合，根据SA和SB的不同组合，UAB可以得到5个不同的电平：Udc、Udc/2、0、

-Udc/2、-Udc（假设两电容上的电压相等）。

图1-8三电平脉冲整流器开关等效电路图

三电平脉冲整流器的原理

开关状态及相应的电压值如表1-1所示。由表可见，在牵引或再生工况下，除了uAB=udc、-udc，各对应１种导通回路以外，uABudc/2、-udc/2各对应两种导通回路，而uAB0则对应着三种导通回路。除uAB0对应的三种导通回路可等效为一种电路模式外，其余６种可分别归纳为一种电路模式，如图1-9所示。

表1-1工作状态及相应的电压

S1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 S2 1 1 1 1 1 1 0 0 0 S3 0 0 0 1 1 1 1 1 1 S4 0 0 0 0 0 0 1 1 1 S5 1 0 0 1 0 0 1 0 0 S6 1 1 0 1 1 0 1 1 0 S7 0 1 1 0 1 1 0 1 1 S8 0 0 1 0 0 1 0 0 1 uAB 0 uc1 uc1uc2 uc1 0 uc2 -uc1-uc2 uc1 0

模式一模式二

三电平脉冲整流器的原理

模式三模式四

模式五模式六

模式七

图1-9三电平脉冲整流器工作模式等效电路图

三电平脉冲整流器的原理

工作模式1；（SA1,SB1）：开关管S1，S2，S5和S6导通，其它的关断，网测端电压uAOuc1，uBOuc1，uABuc1。如果网侧电源电压uN>0，则网侧电流iN增大，电容c1和c2通过负载电流放电。同理可以推出SA0，

SB0和sA-1，sB-1的电路工作状态。

工作模式２（SA1，SB0）：开关管S1，S2，S6和S7导通，其它的关断，网侧端电压uAOuc1，SBO0，SABuc1。如果正向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压ud的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流对电容c1，进行充电，而电容c2能过负载放电。

工作模式３（SA0，SB1）：开关管S2，S3，S5和S6导通，其它的关断，网侧端电压uAO0，uBOuc1，uAB-uc1。如果反向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压ud，的一半，则网侧电流iN减小（或增大），反向网侧电流对电容c1进行充电，而电容c2通过负载放电。

工作模式４（SA0，SB-1）：开关管S2，S3，S7和S8导通，其它的关断，网侧端电压uAO0，uBO-uc2，uABuc2。如果正向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压Ｕ一的一半，则网侧电流iN增大（或减小），网侧电流对电容c2进行充电，而电容c1通过负载电流放电。

工作模式５（SA1，SB0）：开关管S3，S4，S6和S7导通，其它的关断，网侧端电压uAO-uc2，SBO0，uAB-uc2。如果反向电源电压uN大于（或小于）直流侧电压Ｕ。的一半，则网侧电流iN减小（或增大），反向网侧电流对电容c2进么充电，而电容c1通过负载电流放电。

工作模式６（SA1，SB-1）：开关管S1，S2，S6和S8导通，其iN它的关断，网侧端电压uAOuc1，uBO-uc2，uABuc1uc2。正向网侧电流减小，正向网侧电流对电容c1和c2充电。

三电平脉冲整流器的原理

工作模式７（SA-1，SB1）：开关管S3，S4，S5和S6导通，其它的关断，网侧端电压uAO-uc2，uBOuc1，uAB-uc1-uc2。反向网侧电流iN减小，反向网侧电流对电容c1和c2进行充电。

三电平脉冲整流器的控制方法

2 三电平脉冲整流器的控制方法

作为交流传动电力机车和动车组的网侧变流器，控制必须达到两个目的：第一，保持中间电路直流电压在允许的偏差范围内；第二，使供电接触网或牵引变压器一次的侧的功率因数接近于１。这意味着其中基波分量的位移系数和电流波形的畸变系数都必须达到尽可能最佳的数值。现在脉冲整流器的控制方法有电压控制、可变相位角工作控制及电流控制三种，其中电流控制技术应用最为广泛。它又主要包括直流电流和间接电流控制两大类，间接电流控制主要应用于对脉冲整流器动态响应不够高的场合，因为间接电流控制动态响应较慢，在交流侧电流中甚至可能会含有直流分量，从而破坏电网。直接电流控制是相对于间接电流控制来说的，现在主要的控制方法有滞环电流控制、固定开关频率电流控制及空间矢量电流控制，直接电流控制具有动态响应快等优点，但缺点就是控制结构和算法较为复杂，控制成本相对于间接电流控制过高。因为现在针对电压型脉冲整流器的电压控制及可变相位角工作控制已经很少使用，所以本文不再细述。

2.1间接电流控制

间接电流控制主要以“相幅控制”为代表，间接电流控制技术实质上是通过控制，在电压型脉冲整流器桥路交流侧生成幅值、相位受控的正弦基波电压。该基波电压与电网电动势共同作用于脉冲整流器交流侧，并在交流侧形成正弦基波电流，同时还可稳定直流侧电压。由于这种电流控制方案通过直接控制脉冲整流器交流侧电压进而达到控制交流侧电流的目的，因而是一种间接电流控制方式。这种间接电流控制由于无需设置交流电流传感器以构成电流闭环控制，因而是一种简单控制方案。

脉冲整流器间接电流控制系统结构如图2.1所示，式（2.1）、（2.2）构成脉冲整流器间接电流控制系统。

INKP(UdUd)1(UdUd)dt(2-1)

TiuABuN(t)INRNsintINLNcost (2-2)

三电平脉冲整流器的控制方法

图2-1脉冲整流器间接电流控制系统结构

电压给定值Ud和实际直流电压Ud比较后送入PI调节器，调节器的输出为

一直流电流信号IN，IN的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。IN乘以与网侧电压同相位的正弦信号，再乘以电阻RN，得到输入电流在RN的压降；IN乘以与网侧电压同相位的余弦信号，再乘以电感LN的感抗，得到输入电流在电感相减得到UAB信号。 LN的压降。所得的值再与U（t）N间接电流控制的优点：控制简单，一般无需要电流反馈控制。

间接电流控制的缺点：脉冲整流器电流动态响应不够快，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感，因而常用于对脉冲整流器动态响应要求不高且控制结构要求简单时的应用场合。

2.2直接电流控制

直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，使系统动态性能明显改善。直接电流控制与间接电流控制的主要区别在于直接电流控制具有网侧电流闭环控制，在直接电流控制中，双闭环控制是目前应用最广泛、最实用化的控制方式。电压外环输出作为电流指令，电流内环则控制输入电流，使之快速跟踪电流指令，其动态响应速度快、限流容易、控制精度高。由于采用网侧电流闭环控制，使得脉冲整流器网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，增强了电流控制的鲁棒性和较高品质的电流响应。但是直接电流控制的主要缺点在于输入电流检测需要宽频带、价格不菲的电流传感器，控制成本高。

三电平脉冲整流器的控制方法

目前直接电流控制策略主要有瞬态直接电流控制、滞环PWM电流控制、预测电流控制等。这些电流控制方案各有其优缺点。在这几种控制方式中第一种控制方式算法相对简单，物理意义清晰，且实现较方便。而且在这种控制方式下开关频率是一个固定值所以滤波电感会比较容易设计，有利于功率开关损耗。但主要缺点是在开关频率不高的条件下，电流动态响应相对较慢，而且电流动态偏差随电流变化率而相应地变化。

滞环PWM电流控制则具有较快的电流响应，而且电流跟踪动态偏差由滞环宽度确定，而不随电流变化率变化而波动。这种控制方法的主要缺点表现在开关频率会随电流变化率变化而波动，从而造成交流网侧的滤波电感很难设计，而且在这种控制方式下的开关损耗也比较大，因而只能应用于小功率场合。

2.2.1滞环PWM电流控制

滞环PWM电流控制是将电流给定信号与检测到的实际输入电流信号相比较，若小于给定值，则通过调整开关状态使之增大，反之则减小，这样使得实际电流始终围绕给定的电流波形在～定的偏差范围内做锯齿形的变化。而且这种控制方式因为有电流反馈的存在，加快了系统的动态响应，还可以防止整流器过流从而保护功率开关元件，这些都是其比较显著的优点。滞环ＰＷＭ电流控制框图如图2.2所示：

图2-2滞习、PWM电流控制框图

实际电压U与给定电压U的偏差作为PI调节的输入，PI调节的输出与输

（i-i）入电压同步信号同步后得到指令电流i，实际电流与指令电流的偏差作

为比较器的输入，通过比较器的输出产生的PWM信号来控制各桥臂上开关的状态。

 17

三电平脉冲整流器的控制方法

可以看出滞环电流控制原理比较清晰简单，电流响应的速度也是较快的，而且在控制运算中没有用到电路参数，系统的鲁棒性也很好，但是开关的频率会随电流的变化而变化，所以滤波器的设计较为困难。

2.2.2固定开关频率的瞬态电流控制

固定开关频繁控制是指载波频率不变以电流偏差调节信号作为调制波的PWM控制方法。其结构框图如图2.3所示。

图2-3固定开关频率的瞬态电流控制框图

实际电压U与给定电压U的偏差作为PI调节的输入，PI调节的输出与输入电压同信号同步后得到指令电流i，实际电流与指令电流的偏差经过（i-i）放大后作为调制波与载波相比较从而产生PWM控制信号。

根据脉冲整流器控制的基本原理，图2.4为瞬时直接电流控制方案，式（2-3）构成了瞬时直接电流控制的控制系统。

IN1KP(UdUd)1Ti(UdUd)dtIN2IdUdUN(2-3) ININ1IN2u(t)u(t)LIcostRIsint[IabNNNNNsintiN(t)]其中Kp和Ti为PI调节器的参数，Ud为中间直流侧电压给定值，Id、Ud分别为中间直流环节电流和中间直流环节电压，Ｋ为比例放大系数，为网侧电压的角频率。

 18

三电平脉冲整流器的控制方法

图2-4瞬时直接电流控制方案

瞬时直接电流控制的优点：算法简单，物理意义清晰，且实现较方便。另外，由于开关频率固定，因而滤波电感设计比较容易，并且有利于功率开关损耗。

瞬时直接电流控制的缺点：在开关频率不高的条件下，电流动态响应相对较慢，而且电流动态偏差随电流变化率而相应地变化。

2.2.3预测电流控制

预测电流控制法，是指用固定频率采样实际电流，并以本次采样的实际电流值与下一采样时刻预测的参考电流进行比较，求出最优控制电压，使得电流误差为最小 ,从而迫使下一次采样时刻的实际电流以最优特性跟踪下一时刻参考电流的控制方法。

在任意一个PWM开关周期内电流应满足：

iN(tkTs)iN(tk)(2-4)

根据脉冲整流器交流侧瞬时等效电路电压方程可以推出：

uN(t)us(t)L在一个周期内电感电压为：

diN(t)RiN(t)(2-5) dtLdiN(t)LL[iN(tkTs)iN(tk)][iN(tk)iN(tk)] (2-6) d(t)TsTSL[INsintiN(t)]RiN(t) (2-7) Ts19

根据上述两式可以得到调制电压：

us(t)uN(t)

三电平脉冲整流器的控制方法

脉冲整流器预测电流控制系统结构如图2-5所示，式(2-8)、(2-9)构成脉冲整流器预测电流控制系统。

INKP(UdUd)1(UdUd)dt(2-8)

TiuABuN(t)L[INsintiN(t)] (2-9) Ts脉冲整流器预测电流控制，采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略，电压外环采用PI控制器，通过将直流侧电压Ud与其给定值的偏差信号Ud进行

PI调节得到电网侧电流的给定值的幅值，其相位和频率通过锁相环从电网侧电源电压UN上获取，电流内环采用预测电流控制。由于三电平脉冲整流器存在两电容电压不平衡问题，在控制系统中，加入了电容电压补偿环节，两个电容间电压之差的变化通过电压平衡调节系数K引至电流控制环以平衡中间电压。

图2-5脉冲整流器预测电流控制系统

预测电流控制的优点：控制简单，类似于幅相控制，但电流控制精度高，当开关频率高时，可以实现电流的无差跟踪，电压外环响应速度快。

预测电流控制的缺点：由于依赖微分约束关系，所以整个系统对参数的变化比较敏感。当开关频率比较低时，电流相移比较大。在实际应用中由于电感参数的变化，都会对实际的效果产生影响，较小的参数误差可能导致最终结果的不正确。同时由于所有的控制依赖于外环的一个PI环节，所以对外环的PI环节鲁棒性提出了比较高的要求，可以借助于先进的控制理论如神经网络等来提高外环的鲁棒性。

三电平脉冲整流器的控制方法

2.3中点电位控制

关于中点电位波动问题的研究以及控制技术的开发已经有很多的成果，中点电位控制的基本思想是检测直流侧上下电容两端的电压差，并根据系统运行状态来进行补偿控制，重新分配正负开关状态作用的时间，以达到控制中点电位的目的，重新达到平衡。现在主流的中点电位控制方法有两种：一种是中点电位滞环控制法，一种是判断Ｈ功率桥流向法。

2.3.1中点电位滞环控制

c1和c2上的电压，这里我们假设u1和u2分别为电容。△为滞环宽度。当u1

-u2＞△时，则控制开关管实现对的c1放电或者说对c2的充电，从而使其达到平衡。反之也亦然。实际应用时应当根据网侧电流的方向来判断当前的脉冲组合是否有利于中点平衡SA和SB为优化后的脉冲，如表2-1所示。需要注意的为了保证不改变SVPWM脉冲的调制效果，选取冗余开关状态时必须保证a，b两点之间的电压相同。

这种控制方法比较简单清晰，不需要增加其它的额外硬件，对单相脉冲整流器有很好的控制效果，但是它牺牲了开关频率，而且滞环宽度要求过于苛刻，不能过大也不能太小，如果宽度过小则开关频率高，现在的硬件设备很难做到，反之如果滞环宽度过大，虽然开关频率小了，但是又很难达到较好的控制效果。为了解决这一问题可以尝试在控制系统中加入一个电容电压补偿环节，以两个电容的电压差作为电位平衡PI调节器的输入，该调节器的输出引至电流控制环，以平衡电压。

，， 22

三电平脉冲整流器的控制方法

表2-1电容电压平衡原理表

网测电流iN的方向 u1、u2的关系 u1>u2 u1>u2 u10 iN>0 iN>0 iN>0 iN<0 iN<0 iN<0 iN<0 u1>u2 u1>u2 u1这种方法的核心思想就是判断H桥功率流向，在适当的时候通过脉冲转换改变上、下2个电容的充放电过程。其控制框图如下图所示：

图2-5判断Ｈ桥功率流向法框

首先定义脉冲转换信号如式2-10：

T(u1u2)iNuN (2-10)

三电平脉冲整流器的控制方法

转换原则如式2-11所示：

(SAT0(SA(SAT0(SA，，，，(SAT0SB)（0，1)(SA转换为(SASB)(0，-1)T0SB)(1，0)(SASB)(1，0)，SB)(0，-1)SB)（1，0)SB)(1，0)SB)(0，1） (2-10)

，，，三电平单相脉冲整流器只有当开关信号(SA、SB)取(1，0)、(0，1)、(0，

-1)和(-1，0)这四种模式之一时，中点电位才会产生偏移。式2-10的调整，实

质上是在中点电位不平衡时通过调整开关状态使中点电位回复平衡。例如，

iN0>0，uN0，u1u2，T0时，为了平衡中点电位，需要对下侧电容C2充电或者对上侧电容C2放电，所以当出(SA、SB)＝(1，0)时，调整为(SA、SB)＝(0，-1)，即把本应对上侧电容C1的工作状态调整为对下侧电容C2充电的工作状态，从而使中点电位向平衡位置靠拢，其它3种转换情况同理也可以推得。结过上述调整后，三电平脉冲整流器可以较好的实现中点电位的平衡，且输出电压没有变化，电流跟踪控制效果不会受到影响。

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