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2.3 三电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理
我国引进的CRH2型电力机车采用的三电平PWM脉冲整流器，相较于两电平而言，三电平的电力电
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子器件更多。三电平二极管箱位PWM整流器拓扑如图2-5所示，它采用8个功率开关器件构成两组对称的桥臂。每一桥臂有4个开关管，其中直接连到正负直流母线上的2个开关管称之为主开关管，中间的2个开关管称之为辅助开关管。两组桥臂各带2个箝位二极管，以防止电容C1或C2因开关操作而发生直通。直流侧支撑电容由2个同样的电容串联组成，这样就可以提供一个中性点，连接到中性点上的2个箝位二极管可以把PWM整流器的电压箱位到中性点电位，因此该整流器也称为中点箝位PWM整流器(NPC）其中，LN二为网侧漏感，RN为网侧等效电阻，相较于漏抗的大小，可以忽略不计，RL为负载电阻。
图2-5 三电平二极管箝位PWM整流拓扑图
为了便于分析电路，首先根据开关管不同的工作状态，定义电路的三种工作状态:1态、0态、-1态(假设两电容上的电压相等)，以左半桥为例:
图2-6 三电平二极管箝位PWM整流左半桥工作图
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为便于分析和研究，故也同两电平一样定义理想开关函数SASB如下：
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?1 S1a和S2a导通? SA??0 S2a和S3a导通 （2-7a）
??1 S和S导通 3a4a??1 S1b和S2b导通? SB??0 S2b和S3b导通 （2-7b）
??1 S和S导通 3b4b?
根据式(2-7)可将主电路等效为图2-7所示开关等效电路：
图2-7 三电平二极管箝位PWM整流器开关图
由开关等效电路可知，每组桥臂可以等效为一个开关，该开关具有1, 0,-1三种等效状态，两组桥臂有32=9种)下关组合，主电路有9种工作模式。开关状态及相应的电压值如表2-1所示。 工作模式0:(SASB )=（1，1），开关管S1aS2a S1bS2b 导通，整流器交流侧被短路，网侧输入电压uab等于0，电容C1C2通过直流侧负载放电，网侧电流iN的大小随网侧电压uN的变化而增大或减小。
工作模式l:(SASB )=(1，0)，开关管S1aS2aS2bS3b 导通，网侧输入电压uab等于u1，网侧漏感电压等于uN-u1。电容C1上的电压被正向(或反向)电流充电(或放电)，电容C2通过直流侧负载放电。
工作模式2:(SASB )=（1，-1）开关管S1aS2aS3bS4b 导通，网侧输入电压uab等于udc，电容C1及C2充电(或放电)，由于网侧漏感电压反向，电流iN逐渐减小。
工作模式3:(SASB )=（0，1），开关管S2aS3aS1bS2b 导通，网侧输入电压uab等于-u1，网侧漏感电压等于uN+u1，电容C1被正向(或反向)电流充电(或放电)。电容C2通过负载电流放电。 工作模式4:(SASB )=（0，0），开关管S2aS3aS2bS3b导通，输入端电压uab为0，电容C1，C2通过直流侧负载放电，网侧电流iN的大小随网侧电压uN的变化而增加或减小。
工作模式5: (SASB )=（0，-1），开关管S2aS3aS3bS4b导通，网侧输入电压uab为-u2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载放电。
工作模式6: (SASB ) =（-1，1），开关管S3aS4aS1bS2b导通，uab等于-udc，正向(或反向)电流对两个电容C1，C2充电(或放电)，由于网侧漏感电压正向，网侧电流将逐渐增加。
工作模式7: (SASB )=(-1，0)，开关管S3aS4aS2bS3b导通，网侧输入电压uab为-u2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载放电。
-1)，工作模式8:(SASB )=(-1，开关管S3aS4aS3bS4b导通，输入端电压uab为0，网侧漏感电压等于uN，
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两个电容C1，C2均通过负载电流放电。电流iN根据电压uN的变化而增加(或减小)。
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S1a 1 1 1 0 0 0 0 0 0 S2a S3a S4a 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 S1b 1 0 0 1 0 0 1 0 0 S2b 0 1 1 0 1 1 0 1 1 S3b 0 1 1 0 1 1 0 1 1 S4b 0 0 1 0 0 1 0 0 1 SA 1 1 1 0 0 0 -1 -1 -1 SB 1 0 -1 1 0 -1 1 0 -1 uao ubo u1 u1 u1 0 0 0 -u2 -u2 -u2 u1 0 -u2 u1 0 -u2 u1 0 -u2 uab 0 u1 u1+u2 -u1 0 u2 -(u1+u2) -u2 0 Mode 0 1 2 3 4 5 6 7 8 表2-2 PWM整流器的工作状态
根据以上拓扑图及原理的分析，三电平整流器与两电平整流器相比，具有的优点：
1）每个功率器件所承受的电压应力只有两电平的一半，对器件的耐压要求降低。 2）在相同的开关频率及控制方式下，电平数增加，网侧电流正弦性更好。
3）输出地波形阶梯增多，各级间的幅值变化降低，使得更加接近正弦；电压脉动小，输出波形的谐波含量减少。
同时，三电平结构的整流器也有一些不足之处：
1）电容均压问题，当三电平主电路任意相出现零电平时，外电路对直流电容中点注入或抽取电流，造成中点电位偏移，使得输出波形谐波含量加大，严重时，可能损坏器件。 2）需要较多的箝位二极管，且主电路和控制都相对复杂，成本较高。
很明显，当采用更多电平的的整流电路时，输出波形的谐波含量会进一步减少，若要消除同样的谐波，两电平采用PWM控制所需要的开关频率更高，开关损耗更大，而三电平整流电路只需要较小的开关频率，因此损耗较小，效率较高。
2.4 四象限脉冲整流器控制策略
脉冲整流器（PWM）分为电压型和电流型变流器，交流传动电力机车和动车组采用的是电压型变流器。由于脉冲整流器在机车运行中起到能量变换和传输的作用，因此，如何控制PWM变流器使其满足特定的
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要求显得尤为关键。
对PWM变流器的控制必须达到两个目的：其一，保持中间回路直流电压在允许的偏差范围之内；其二，使变压器一次侧的功率因数接近于1（牵引）或-1（制动），即使输入电流为正弦波，且和电压同相位
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或者反相位。这也就要求其中的基波分量的位移因数和电流波形的畸变系数必须达到最佳的数值。
目前，对PWM整流电路控制方法的研究集中在输出直流电压控制、输出交流电流控制和PWM变流器开关逻辑控制3个方面。 1）直流电压控制
直流电压控制的目的是在于使PWM整流器电路的输出直流电压随给定指令变化，达到稳定直流输出电压或调节输出电压的目的。运用反馈控制的原理，将直流电压的采样反馈值与给定的参考值比较，其差值作为交流电流的幅值给定。目前，采用较多的是微机快速实时处理实现电压控制器的调节算法。
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图2—8 电压控制环节
2）交流电流控制
控制PWM整流电路的另一目的是使输入电流波形接近于正弦并与输入的电网电压同相位，从获得单位功率因数。根据是否选取瞬态输入交流电流作为反馈控制量，PWM整流电路的控制分为间接电流控制和直接电流控制两种，没有引入电流反馈的称为间接电流控制，引入输入电流反馈的称为直接电流控制，下面对这两种控制方法分别进行分析研究。
Ⅰ间接电流控制
间接电流控制也成为幅值和相位控制。这种方法依据系统低频稳态数学模型，反应稳定状态下的电压平衡关系，整流运行和逆变运行分别如图2—9（a）和2—9（b）的矢量图关系来调节变流器桥臂中点PWM斩控电压的幅值和相位，以达到控制输入电流的目的，其控制系统的结构如图2—10所示。
此控制系统的外环是整流器直流侧输出电压控制环，直流给定信号和实际直流电压信号比较后送入PI
??调节器，PI调节器的输出为一直流电流指令信号，稳态时，Ud=Ud，Im的幅值应与整流器交流输入电流的is的幅值成正比，亦和整流器负载电流Id的大小相对应。通过输出信号与三角载波信号的比较产生开关控制逻辑信号，控制PWM整流桥的桥臂开关管，以达到需要的控制效果。
···· IsUsIU·ss ·U···?ABU ····ULIsULAB?·UIUUAB LsLUAB····· ·UUURsURURUR sb)
a)b) 图2—9a 整流运行矢量图 图2—9b 逆变运行矢量图
··Is ·Is···Is··U ·UIs·Us?Ls?·ULUUs sUL··UL?U· *RR·UR·· d·dUAB·UU·ABURU ABUcABabRA,B,Cd)c)
dc)d) d图6-29 L图6-29
L
图2—10 间接电流控制系统结构图
???u+u-PIi三角波?u+?+-R--usin(?t+2k?/3)u+(k=0,1,2)uX负载cos(?t+2k?/3)(k=0,1,2)RLu,u,u
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电压环稳定输出电压的调节过程是：当负载电流增大时，直流侧电容的C放电而使其电压Ud下降，
?PI调节器的输入端出现正偏差，使其输出Im增大，使其整流器的交流输入电流增大，也使其直流侧电压Ud?回升；达到稳态时，PI调节器输入恢复到0，而Im则稳定在新的较大值，于较大的负载电流和较大的交流
?电流相对应。当负载电流减小时，Ud上升，PI调节器的输入端出现负的偏差，Im下降，交流输入电流下降，也是直流侧电压Ud下降。当整流器从整流运行变为逆变运行时，首先是负载电流反向而向直流侧电容
?C充电，使Ud升高，PI调节器出现负的偏差，其输出Im减小后变为负值，使得交流输入电流相位与电压相位相反，实现-1的逆变运行。
间接电流控制具有开关机理清晰、不需要电流传感器、控制成本低、静态特性好的优点。但也有相当大的缺陷：一是桥壁中点电压向量的幅值和相位两个闭环响应速度差别较大，因此造成系统的动态性能不够好；二是从稳态向量关系出发进行电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，但由于电网内阻、非线性负载的存在，电网电压波形必然会有畸变，因而直接导致控制效果不够好；三是由于交流电流不作为直接的反馈控制量，系统自身缺乏限流功能，需要设置专门的限流保护电路。
Ⅱ直接电流控制
正是基于间接电流控制效果不够好的原因，现在PWM控制多采用直接电流控制的方式，我国电力牵引交流传动机车和动车组就是PWM直接电流控制的典型应用。
直接电流控制的主要特点在于引入电流控制环对电流进行闭环控制，使其系统动态特性能明显改善。直接电流控制一般采用的是双闭环控制，即电流内环和电压外环的控制方式，器动态性能好，控制精度高，是目前应用最广泛，最实用的控制方式。直接电流控制有滞环电流控制、同步PI电流控制、瞬态电流控制和预测电流控制等，下面着重介绍应用较多的瞬态电流和预测电流控制两种控制方式。
a 瞬态电流控制
瞬态电流控制和间接电流控制比较相似，不同之处在于调制电压信号中引入了网侧电流反馈而成为直接电流控制。图2-11所示为瞬态电流控制原理图，具体公式如式(2-8)。
图2-11 瞬态直接电流控制原理图
????IN?K(U?U)?1/T(U1Pdcdci?dc?Udc)dt???IN?2IdcUdc/UN ?2 （2-8）
????IN?IN1?IN2?????uab(t)?uN(t)?(INRNsin?t??LNINcos?t)?K[INsin?t?iN(t)]
其中，Kp、Ti为PI调节器的参数，K为比例放大系数，Udc和Idc分别为中间直流环节的实际电压与
?实际电流，Udc为中间直流侧电压给定值，间直流环节的实际电压与实际电流，uN(t)、iN(t)分别为网侧电压、
?电流瞬时值，UN为网侧电压有效值，IN为网侧电流的给定值，?为网侧电压的角频率。