华东交通大学硕士学位论文开题报告
一、课题的来源、目的和意义
1、课题来源
对于电力牵引设备来说，除了运行特性和可靠性、维修性方面的要求外，还有一个很重要的评价标准，就是对供电接触网有较好的反应，不引起其中电流的畸变，从而保证减少接触网中的无功电流，提高功率因数，降低电能传输中的损耗；同时，尽可能地减少对信号和通信系统的干扰，确保运输安全。因此，提高电力机车整流器的水平对电力机车有很重要的意义。目前，为了使日本三电平变流器的国产化，湖南株洲电力机车研究所的传动技术部正在对三电平四象限的整流器及逆变器进行研究。
2、目的及意义
目前，国内的电力机车采用的国产整流器都是两电平的，二电平整流器及其控制技术已比较成熟，但其交流侧输出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。鉴于三电平逆变器在大功率领域的成功应用，人们把其应用于整流器中，便形成了三电平的整流器，它与二电平整流器相比，具有以下优点：每一个功率开关器件所承受的电压仅为直流侧电压的一半，比较适用于高电压、大容量功率应用场合。并且其电网电流波形更接近正弦，比二电平整流器具有更好的性能与可靠性。
在电力电子技术领域,应用计算机仿真技术,设计者在设计阶段就可以观察系统的动静态特性,寻求整个系统结构及参数的最优化,在最大程度上降低成本,减少试验费用,缩短研发周期,提高效率。
交流传动是我国铁道牵引动力发展的一个重要方向,四象限变流器是交流传动电力机车的电源侧变流器,在牵引时作为整流器,在再生制动时作为逆变器。它要保证直流中间环节的电压恒定,交流电网侧功率因数接近1 ,还要消除谐波,使电网电流尽量接近正弦,是交流传动电力机车上的一个重要电气部件。对四象限变流器进行计算机仿真,对于其开发和研究具有一定的帮助作用。
二、本课题相关领域的现状及发展趋势
电力电子装置在电力系统中的广泛应用，给公用电网造成严重的谐波污染。交-直变换在整个电力电子装置中所占比例很大，绝大多数DC电源都需要经过AC电源进行整流来获取。目前，常规的整流装置采用二极管或晶闸管相控整流，但是这些整流装置存在功率因数低、交流侧波形畸变严重等缺点。从20世纪80年代后期开始，高功率因数PWM整流器技术就已成为国内外研究的热点。目前已开发出的新型高功率因数PWM整流器具有交流输入侧电流波形趋于正弦化、功率因数高、能量可以回馈等优点。对于整流电路，相控式电路属于低频电路，它是所有半导体变流电路中历史最长、技术最成 1
熟且应用最广泛的一种电路；PWM整流电路属于高频电路，它是近年来才发展起来的电路，是PWM控制技术在整流领域的延伸，是所有半导体变流电路中历史最短的一种新型电路。高功率因数整流器的发展, 一方面依赖于新的拓扑结构; 另一方面, 新的控制策略往往可改善电路的性能。因此, 这两个方面的研究将是近几年的主要研究方向
在桥式电路中，根据桥侧相电压对负载侧直流重点的电平数，所有电路可分为两电平和三电平两类，普通PWM桥式整流电路属于前者，具有直流中点箝位的PWM整流电路（Netral Point Clamped PWM Rectifiers，缩称NPC-PWM REC）属于后者，NPC电路结构最初应用于PWM逆变电路，由于具有器件耐压低，输出电压变化率小和出端电压谐波含量少等优点，已在高压大功率逆变电路中成功应用，为了扩大PWM REC的应用范围，也为了提高NPC INV系统的性能，人们开始尝试将NPC-PWM INV的技术移植到PWM REC中，组建NPC-PWM REC。
传统的四象限整流器采用二电平的，如德国的E120型机车。从90年代以来国外电力机车上开始采用三电平四象限整流器，如瑞士的460型机车。但我国的电力机车采用的国内产品多是二电平的整流器，三电平的整流器目前还没有正式的产品投入生产与运行。
三、本课题研究的主要内容和重点
对于本课题，主要研究的是三电平整流器模型的建立及对其进行很好的控制，以达到以下目的：直流电压稳定，网侧电流与电压同相，即：网侧功率因数为一，电流可以双向流动，即可实现四象限运行。建模主要是对变流器通过主电路的工作原理及模式写s函数，目的是使变流器精确化，对于电力机车方面做的半实物仿真做好前提，因为半实物仿真中控制器使用的是实物，所以simulink中的变流器也要接近实物化。对其控制主要采用瞬态电流控制，并辅以一些其他的控制方案。采用matlab的simulink软件进行仿真实验，使其达到接近实际的情况，为此研究课题付诸于实际应用打下更好的基础。本课题的重点问题是建模问题、仿真中各个反馈控制环的控制问题及中点电压的平衡问题和脉冲分配问题。
四、技术方案
分析三电平四象限整流器的原理并对其建立数学模型及选择控制方案，并利用仿真软件对其进行仿真，仿真通过以后，对所建数学模型进行验证，校验其正确性。
三电平整流器的主电路的拓扑结构为单相的二极管嵌位电路，因此采用的脉冲触发方式为SPWM。入端简化电路图如下：
.
图 1 整流器入端简化图
其中，us=un-i*L-i*R。控制器采用顺态电流控制方式，利用输出端直流电压反馈通过调节器来得到调制电压，同时入端电流也进行反馈，目的是提高整个系统动态响应品质。为了控制直流侧中点电压的平衡，可采用出端一个电容的电压与整个直流侧电压进行比的反馈控制方式。同时为了抑制磁化电流的产生，还再加入了消除磁化电流的反馈环节。对于三电平四象限PWM整流器的动态建模，采用的是对其工作原理及工作模式进行动态分析，建立空间状态方程，并对其利用C语言编写S-function。
五、实施方案所需的条件
本项目实施方案所需要的条件为个人电脑及仿真所需的必要软件matlab 6.5.1。
六、存在的主要问题和技术关键
对于三电平的四象限整流器的主要技术问题是其主电路的原理分析及其中点电压的平衡问题，还有触发整流器晶体管的脉冲分配问题。
七、预期能达到的目标
第一步：对整流器的控制方案进行仿真，所要实现的功能有：
1）实现网侧电流正弦化，保证等于1或-1。
2）调压：直流输出电压随给定值而变。
3）稳压：给定值不变时，直流输出电压应在网压波动和负载变化时维持恒定。
4）工作范围：自动实现电流双象限运行。
第二步：建立数学模型，使所建的数学模型能正确反映整流器的工作原理及工作模式。
第三步：撰写论文。
八、经费的来源和研究计划进度
1、经费来源
本项目的经费来源于。。。。。。
2、研究计划进度
2006.3～2006.8实现目标的第一步。
2006.9～2007.2实现目标的第二步。
2007.3～2007.4实现第三步。
九、研究经费预算
个人电脑、matlab6.5.1等仿真软件。
十、主要参考文献
[1]于海宁.舰船电力推进系统高压整流控制技术研究[D].哈尔滨工程大学硕士论文, 2003.
[2]徐金榜等.基于Matlab 的网侧变流系统仿真建模[J].华中科技大学学报, 2004.9.
[3]易伟烈等.一个四象限变流器的仿真研究[J].中南大学学报, 2002.2.
[4]赵振波等.PWM整流器PI参数设计[J].华北电力大学学报, 2003.7.
[5]韦立祥等.三电平变流器直流电压平衡控制方法[J].清华大学学报, 2002第42卷第9期.
[6]欧阳红林等.电压型PWM整流器控制方法的研究[J].电机电器技术, 2003年3期.
[7]张纯江等.高功率因数整流器的拓扑结构及控制策略[J].东北重型机械学院学报, 1997.12.
[8]唐丽丽等.单相PWM 整流器主电路参数选择探讨[]J.北方交通大学学报, 2000.8.
[9]薛红梅等.如何提高整流系统功率因数[J].中国氯碱, 2004.10.
[10]李波.四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真[J].机车电传动, 2000.3.
[11]董晓鹏等.PWM整流器直流电压对电源电流控制的影响[J].电力电子技术, 1998.3.
[12]沈安文等.PWM的输入电流谐波分析及参数确定[J].电力电子技术, 1998.3.
[13]张兴, 杨孝志, 刘正之等.单相电压型PWM整流器交流侧电感的设计[J].合肥工业大学学报.2004.1.
[14]詹长江, 康勇, 刘平等.电压型PWM高频整流器同意数学建模及系统仿真[J].电工技术学报, 1996.12.
[15]赵正毅, 杨潮, 赵良炳.对三电平IGBT变流器两种缓冲电路的研究[J].中国电机
工程学报, 2000.00.
[16]阮新波, 危健, 薛雅丽.非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法[J].中国电机工程学报, 2003.10.
[17]张之梁, 阮新波.全桥三电平变换器的一种新型控制策略[J].中国电机工程学报, 2005.10.
[18]武守远, 周孝信.三电平四重化换流器的应用及输出波形分析仿真[J].电网技术, 2001.1.
[19]赵绍刚, 高升.三电平整流器非线形PID控制研究[J].工矿自动化, 2004.6.
[20]孟永庆, 苏彦民等.三电平中点嵌位整流系统建模及基于李亚普诺夫直接法的控制方法研究[J].中国电机工程学报, 2005.11.
[21]王秀利, 潘燕, 冯江华.网侧变流器系统建模及半实物仿真实现[J].机车电传动, 2003.10.
[22]赵正毅, 魏念荣, 赵良炳等.一般缓冲电路的模型及三电平IGBT变流器内外元件电压不平衡机理[J].中国电机工程学报, 2000.6.
[23]王挺泽.大功率四象限变流器微机实时控制原理[J].机车电传动, 1999.12.
[24]黄松涛, 刘可安.四象限变流器控制的微机实现[J].机车电传动, 1999.12.
[25]钱文明, 曹彬.IGBT驱动于保护电路的设计原理与应用研究[J].电机, 1995.6.
[26]张崇巍, 张兴.《PWM整流器及其控制》[M].机械工业出版社, 2003.10.
[27]徐德鸿.《电力电子系统建模与控制》[M].机械工业出版社, 2006.2.
[28]Joan Salaet, Salvador Alepuz etc.D-Q Modeling and Control of a Single-Phase Three-Level Boost Rectifier with Power Fact- or Corr- ection and Neutral-Point Voltage Balancing.IEEE Transactions on Power Electronics, 2002.3.
[29]Bor-Ren Lin.Analysis and implementation of a three-level PWM rect- ifier/inverter.IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 36, Iue 3, Part 1, July 2000 Page(s):948404 .
[31]Bor-Ren Lin,Yi-Lang Hou, Huann-Keng Chiang.Implementation of a three-level rectifier for power factor correction.IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 15, Iue 5, Sept.2000 Page(s):891760 vol.2.
[33]Gules, R.,Martins, A.S.,Barbi, I.A switched-mode three-phase three-level telecommunications rectifier.IEEE Transactions on Power Electronics, 6-9 June 1999.
[34]Bor-Ren Lin,Hsin-Hung Lu,Yei-Lang Hou.Single-phase power factor correction circuit with three-level boost converter.IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 2, 12-16 July 1999 Page(s):445773.
[37]Jin-Yong Bae,Yong Kim,Soo-Hyun Baek.etc.A study on the comparison methods for a three-level converter.IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 3,2-6 Nov.2004 Page(s): 2307829.
[39]Lixiang Wei,Fahai Li,Chongjian Li.A direct power feedback method of a dual PWM three-level voltage source converter system.IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 2,27 J- une-1 July 1999 Page(s):1089 - 1094.
