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基于单相级联H桥多电平变流器的地面过电分相系统能够实现列车带载无电弧、无冲击通过电分相,对我国电气化铁路客运高速化和货运重载化具有重要研究意义。该新型地面过电分相系统主要由单相级联H桥多电平逆变器和三相两电平脉冲整流器组成。本文以新型地面过电分相系统的变流器为研究对象,开展多电平逆变器向中性段提供功率过程的直接功率控制和前级三相两电平脉冲整流器直接功率控制研究。首先,本文介绍了地面过电分相系统用单相级联H桥多电平变流器的拓扑和主要构成,即单相级联H桥多电平逆变器和为其直流侧提供电压源的三相两电平脉冲整流器背靠背连接。分别介绍了单相级联H桥多电平逆变器和三相两电平脉冲整流器的数学模型和工作原理。采用了在逆变器侧增加辅助电压补偿逆变器装置的改进方案,能够显著提高单相级联H桥多电平逆变器交流侧工作于大功率低开关频率下输出电压波形质量,改善了功率控制性能。其次,介绍了采用辅助电压补偿逆变器装置的单相级联H桥多电平逆变器直接功率控制方法的原理和实现过程。推导了单相级联H桥多电平逆变器采用最近电平逼近调制方法下的各级联H桥单元实时功率估算方法。通过Matlab/Simulink仿真验证了直接功率控制算法和模块单元功率估算算法正确性和有效性,以及采用辅助电压补偿逆变器的优势。随后,针对新型地面过电分相系统应用需求介绍了三相两电平脉冲整流器采用具有高动态性能并适用于大功率场合的低开关频率预测直接功率控制方法。整流器功率控制外环采用负载功率前馈和电容储能前馈,获得更为稳定的直流侧电压。通过Matlab/Simulink仿真验证了三相两电平脉冲整流器所采用控制方法的正确性和有效性。最后,在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了地面过电分相系统,对单相级联H桥多电平逆变器和三相两电平脉冲整流器采用本文控制方法进行了仿真研究,验证了本文控制算法下地面过电分相系统用变流器输入和输出端电流质量均较好,变流器功率负载突变情况下各直流侧电压动态响应快,较给定电压值波动小。为了进一步验证本文控制方法,在RT-LAB半实物仿真实验平台中搭建了地面过电分相系统用变流器主电路模型,采用了DSP+FPGA控制器实现变流器控制和调制算法,硬件在回路实验结果与仿真结果较符合,进一步验证了本文控制方法的正确性和有效性。