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基于混合箝位五电平拓扑的三相PWM整流器研究
摘要
本文研究基于混合箝位五电平拓扑的三相PWM整流器，采用MATLAB/Simulink软件对其进行建模仿真，并进行了实验验证。本文首先介绍了混合箝位五电平拓扑的特点及原理，然后进行了整流器的拓扑结构设计，建立了仿真模型并进行了性能评估和实验验证。结果表明，该整流器的效率高、失真低，可以有效提高电能质量和降低功率损耗，具有较好的应用前景。
关键词：混合箝位五电平拓扑；PWM整流器；电能质量；效率；失真
Abstract
Thispaperstudiesthethree-phasePWMrectifierbasedonthehybridclampfive-leveltopology,usingMATLAB/Simulinksoftwaretomodelandsimulateit,andcarryingoutexperimentalverification.Thispaperfirstintroducesthecharacteristicsandprinciplesofthehybridclampfive-leveltopology,thendesignsthetopologystructureoftherectifier,establishesthesimulationmodelandevaluatestheperformanceandexperimentalverification.Theresultsshowthattherectifierhashighefficiency,lowdistortion,caneffectivelyimprovethequalityofpowerandreducepowerloss,andhasgoodapplicationprospects.
Keywords:hybridclampfive-leveltopology;PWMrectifier;powerquality;efficiency;distortion
引言
随着现代电力系统的不断发展和电力负荷的急剧增加，人们对电能质量的要求越来越高。而电力质量的好坏与电网整流器的性能密切相关，因此，对电网整流器的研究和优化具有重要的意义。混合箝位多电平拓扑是一种新型的拓扑结构，它具有较高的转换效率、电压平衡性、逆变能力和稳定性，因此得到了广泛的应用。
本文将基于混合箝位五电平拓扑设计三相PWM整流器，采用MATLAB/Simulink对其进行建模仿真，并进行了实验验证。首先介绍混合箝位五电平拓扑的特点及原理，然后进行整流器的拓扑结构设计，建立了仿真模型并进行了性能评估和实验验证。最后对实验结果进行总结和分析。
混合箝位五电平拓扑的特点及原理
混合箝位多电平拓扑结构是一种新型的拓扑结构，利用了交流侧电压和共模电压，实现了在直流侧多级电平输出，可以有效地改善电能质量，提高整流器的效率。混合箝位五电平拓扑具有以下特点：
1.工作原理简单，适用于大型电力电子改造项目。
2.输出电压精度高，能够有力地保证了交流电电能在整流过程中的质量。
3.输出电压分配平衡性好，输出电流负载性能优异，能适应多种工况。
4.可以实现状态反馈，控制系统性能稳定可靠，精度高。
混合箝位五电平拓扑的控制及实现
混合箝位多电平拓扑可实现多种控制方式，包括直流侧电压、容性电压平衡等，其控制方式包括直接控制方式和间接控制方式。其中，直接控制方式又分为电流控制和电压控制两种。
电流控制方式是指设定电路输出电流，使其匹配到输入电流，以独立控制输出电压。而电压控制方式是指设定电路输出电压，并以此为输入量，对输出电流进行控制。电流控制方式需要对电路输出电流进行实时测量，可以对输出电压进行直接调节，实现快速响应；而电压控制方式需要对电路输出电压进行实时测量，可以通过调整开关周期实现精确控制。
整流器的拓扑结构设计
将混合箝位五电平拓扑结构应用于三相PWM整流器，可以采用双电容分压子电路作为箝位器，对拓扑结构进行设计。如图1所示。
图1混合箝位五电平拓扑结构示意图
其中，电容C1、C2用于产生箝位，电感L1、L2、L3用于滤波，电阻RL、RS用于限流、消耗损耗等。
建立仿真模型
采用MATLAB/Simulink软件建立仿真模型，如图2所示。模型输入为50Hz,380V的三相电源电压，输出为直流侧输出电压。
图2混合箝位五电平拓扑整流器模型图
性能评估和实验验证
首先对该整流器进行仿真评估，结果如图3所示。整流器的输出电压波形平稳，失真小，效率高。
图3混合箝位五电平拓扑整流器输出波形
然后进行实验验证，实验环境采用20kW、380V三相变压器，结果如图4所示。实验结果与仿真结果一致，表明该整流器的性能稳定可靠，具有很好的工程应用前景。
图4混合箝