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件。新器件集成度更高、性能更优越、但制造难度也更大，投资也更大，但在电传动应用领域中，合理的应用这些高性能的器件，将会得到很大的回报，因此，只有电力电子器件的发展，才能进一步推动电力牵引的发展。
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第2章 四象限脉冲整流器
2.1 概述
近年来，随着越来越多的非线性负载的使用，供电质量变得越来越差，电网的谐波污染和无功问题日益严重；而随着各种用电设备或单元的数字化、信息化和多样化发展，需要的电源种类、等级和质量要求不断提高。因此，对电能进行高质量的转化刻不容缓。
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传统相控整流器，虽然应用的时间较长，技术也比较的成熟，应用也较广泛，但仍然存在以下问题：
1）晶闸管换相引起网侧电压波形畸变； 2）网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”； 3）深控时，网侧功率因数太低； 4）闭环控制时，动态响应相对较慢。
虽然二极管整流器在一定程度上改善了整流器网侧的功率因数，但是仍会产生网侧谐波电流而“污染”电网；另外，二极管整流器的不足之处还在于其直流电压的不可控性。
针对相控和不控整流电路的不足，用全控型功率开关管取代半控型或不控型器件，以四象限变流器（PWM）取代传统的相控整流器或不控整流器，其优点相当明显： 1）网侧电流为正弦波；
2）网侧功率因数可控，以致达到单位功率因数； 3）电能课实现双向传输； 4）动态控制响应较快。
经过几十年的研究和发展，PWM整流器已日趋成熟。其主电路已从早期的半控型器件桥路发展到全控型器件桥路，拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相结合及多电平拓扑结构；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率因数等级从千瓦级发展到兆瓦级。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化、单位功率因数运行、能量双向传输等优良特性，使其控制技术和应用领域获得了进一步的发展和拓宽。PWM高频整流器应用领域按其功率等级大致分为三个主要部分：
1）中小功率应用主要体现在生产精度高、动态响应快的AC—DC电源，应用场合主要解决功率因数和波形质量问题，实现功率因数校正。
2）中大功率应用体现在交—直流电气传动领域。
3）大功率应用体现在交、直流输电系统中。
除此之外，PWM还广泛应用于有源电力滤波、无功补偿、统一潮流控制器、再生能源的并网发电等场合，但与传统的相控整流器相比，这种电路的缺点就是成本较高，控制也很复杂，但是在需要频繁可逆，
快速制动的场合，应用价值得以充分的体现。因此，PWM整流电路在电力机车牵引传动场合应用也较多。交流传动电力机车、高速电动车组中所用牵引变流器主要由四象限脉冲整流器和牵引逆变器组成，脉
冲整流器是交流传动系统一个十分重要的组成部分。它的结构形式及控制方式，对于提高电网功率因数、降低电网电流谐波含量、稳定中间直流回路电压以及保证电机侧电压型逆变器的正常工作有着决定性的影响。随着电力电子技术和控制技术的迅速发展，目前牵引变流器均采用PWM控制技术。目前我国生产的CRH系列高速动车组和HXD系列大功率交流传动电力机车的牵引变流器均采用PWM整流器，其拓扑结构分为两电平和三电平两大类：两电平拓扑结构的脉冲整流器存在开关器件所承受的电压应力较大的缺点；三电平拓扑结构的脉冲整流器具有开关器件所承受的电压应力低、容量大、成本低等特点，而且能产生5个电平的线电压，在相同的开关频率及控制方式下，其输出电压和电流中的谐波含量都会远小于传统
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的两电平整流器，但其主电路及控制系统也较之两电平更加的复杂。
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自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术己经日趋成熟。主电路已从早期半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路;主电路拓扑从单相、三相电路发展到多相组合及多电平结构;PWM开关控制已由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级也已从千瓦级发展到兆瓦级。
在中大功率场合特别是需要能量双向流动的场合中，PWM整流电路具有非常广泛的应用前景。IGBT等新型电力半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大的促进了PWM整流电路的发展，电压型、电流型这两种主电路拓扑在工业领域都取得了成功的应用。而对于PWM整流电路的研究，仍是电力
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电子研究领域的一个热点，就目前而言，PWM整流器的研究主要在两个大的方面： 1）主电路的拓扑结构
就PWM整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类，其中电压型PWM整流器应用较广。对于不同的功率等级以及不同的用途，整流器拓扑结构研究的侧重点不同。在小功率场合，PWM整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上，也有针对特定问题对基本拓扑结构作改进的研究。
按照对输出波形的改善方式，可分为两电平PWM整流器、多重叠加PWM整流器、多电平PWM整
流器。两电平电路拓扑结构比较简单，但为了获得大功率只能依靠器件的串并联来实现，这将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问题，电路可靠性不高，且由于输出只有两个电平，电压波动大，谐波含量高，电磁干扰问题严重。为避免上述问题，对电路拓扑进行改造，使得在当前开关器件的耐压水平下获得更高的电压输出，提出了多电平电路拓扑。1977年，德国学者Holtz最早提出了一种形式的三电平电路，后来由日本学者A. Nabae加以发展，于20世纪80年代提出了二极管箱位三电平逆变方案，并逐渐应用到整流领域。随后出现了各种不同的主电路结构，如电容箝位PWM整流器、开关管箝位PWM整流器以及级联型PWM整流器等。PWM整流器的多重化技术就是将正弦脉宽调制技术与整流器的多重化相结合，通过变压器藕合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合，然后利用PWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的移相叠加得到阶梯波，改善输出波形，而且重数越多，对波形的改善效果越好。当然，重数越多，需要的电力电子器件也会相应的增加，控制也变得更复杂，因此，从技术、经济的指标全面衡量后做出重数抉择，显得十分重要。 2）电压型PWM整流器的电流控制
为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要，一般采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。脉冲整流器常用的电流控制策略主要分为两类:一类是由J. W. Dixonh和B. T. 0o i提出的间接电流控制策略，实际上就是所谓的“幅相电流控制”，即通过控制整流器的输入端电压，使其和网侧电压保持一定的幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。该控制比较简单，一般无需电流反馈控制，但是网侧电流的动态响应慢，对系统参数变化灵敏，动态过程中电流存在直流偏置，因而常用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的场合，己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，可以获得较高品质的电流响应，成为现在研究的热点，先后出现了不同的控制方案，主要包括以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制，以及以固定开关频率为特征，采用三角波调制方式的瞬态电流控制和预测电流控制等。为了提高电压利用率并减少谐波，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器中取得了广泛的应用。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需要快速电流响应场合获得优越的性能。
除此之外，根据现代控制理论还提出很多其它优化控制，如滑模变结构控制模糊控制等，对算法进行优化，均能在不增加电路复杂度的条件下提高输出动态响应速度，并确保输入电流畸变在规定范围内;得到
接近1的功率因数，而且不需要复杂的系统辨识，可根据某一优化性能指标设计控制系统，提高系统性能。
PWM整流器性能优越，在未来一段时间里，仍将成为电力电子领域研究的重点。
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2.2 两电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理
通过消化吸收国外先进的高铁技术，我国已研发并生产出具有自主知识产权的动力分散型交流传动动车组，而其中的CRH1、CRH5动车组均是采用了两电平全桥型整流电路，下面对其拓扑结构和工作原理进行分析和研究。
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单相两电平脉冲整流器主电路如图2-1所示，LN和RN分别是牵引绕组漏电感和电阻，其中漏电感起到传递和存储能量及抑制高次谐波的作用；T1、T2、T3、T4开关管组成一个全桥电路，L2、C2组成了一个二次滤波器，用于滤除电网的2次谐波分量；C为中间直流侧支撑电容，起到抑制高次谐波并减少直流电压纹波的作用。为了研究的方便，将开关器件视为理想的开关器件，定义理想开关函数SA、SB从而得等效电路图如2-2所示：
d
图2-1 两电平脉冲整流器主电路 图2-2 两电平脉冲整流器开关等效图
定义开关函数：
?1 S1a导通，S2a关断SA?? (2-1a)
0 S关断，S导通 1a2a??1 S1b导通，S2b关断SB?? (2-1b)
0 S导通，S关断 2b3b?
由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通，则S1a与S2a、S1b与S2b不能同时导通和关断，驱动信号应该互
PWM整流器网侧输入端电压uab取值有0、-1、1三种电平，补。有效的开关组合有22=4种，即SASB =00，01，10，11四种逻辑，则PWM整流器输入端电压uab有如下关系：
uab?(SA?SB)udc (2-2)
所以，根据式（2-2），系统的瞬时等效值电路如图2-3所示：
图2-3 瞬时等值电路 由图2-3可见，通过不同的控制方法适当调节uab的大小和相位，就能控制输入电流的相位以控制系统
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功率因数;同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量，也就控制了直流侧输出电压。因此，通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。 此等值电路的电压矢量平衡方程为:
uN?LNdiN?RNiN?uab （2-3） dtd 对应于四个开关的不同组合，电路共有三种工作模式：
工作模式l: SASB=00或11，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，则此时uab=0，电容C向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直流电压下降，因此，为了保证直流侧电压的稳定，工作模式1的导通时间比较短，这也是在空间电压矢量调制中，两个零矢量的作用时间要比其他六个矢量的作用时间短的原因。另一方面，网侧电压uN二两端电压直接加在电感LN上，对电感LN充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下(忽略等效电阻的影响):
diN （2-4） dt 工作模式2: SASB =01， uab则 < 0，等效电路如图2-4 ( a)所示，电流流向与电流iN的参考方向相反，因此对电感充电储能，电感电流iN上升，可以看出，当网侧电压uN <0时，直流侧电压udc > 0，可以维
uN?LN持原来的恒定状态。此时对应的电压矢量平衡方程如下:
diN?uN?udc （2-5） dt 工作模式3: SASB=10，等效电路如图2-4 ( b)所示，则uab >0，储存在电感中的能量向负载RL和电容C释放，电感电流iN下降，一方面给电容充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波
LNd电流通过电容形成低阻抗回路;另一方面给负载提供恒定的电流。此时对应的电压矢量平衡方程如下:
LNdiN?uN?udc （2-6） dt 图2-4（a） SASB?01时瞬时电路 图2-4（b） SASB?10时瞬时电路
在任意时刻，PWM整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下，在不同的时区，通过对上述3种开关模式的切换，保持直流侧负载电压的稳定和负载电流1。的双向流动，也即实现能量的双向流通。由图2-1所示主电路结构可知，网侧串入一电感元件形成Boost电路的拓扑结构，使得直流侧输出电压大于网侧电压峰值。
无论是处于牵引工况还是再生制动工况，各自被分为6种开关状态，一共有12种开关状态，每种开关状态的能量转换关系是互不相同的。