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硕士毕业论文篇一
第1章 绪论
1.1 研究背景
从 1864 年英国科学家詹姆斯·麦克斯韦断定电磁波的存在，到 1887 年德国物理学家海因里希·赫兹用实验证明了电磁波的存在，再到 1897 年马可尼实现了世界上第一次无线通信，无线通信真正从理想变为了现实，此后无线通信技术取得了显著的进步，人们已经越来越离不开无线移动通信。随着经济和社会向信息化的方向前进，人们利用信息技术开拓新的工作方式，管理形式，贸易形式，金融形式，思想，文化，教育，卫生保健、消费时尚和生活等方面的方式方法。无线通信经过一百多年的发展，已经深入到了我们的日常生活当中，到目前为止，其已经经历了四代通信系统，第一代移动通信系统（1G）是采用模拟技术，主要是电话业务；第二代通信系统（2G）是全数字通信系统，能提供语音，短信等业务，还能够提供速率有限的上网服务；第三代通信系统（3G）把无线通信和国际因特网等多媒体通信连接在一起，不仅可以提供语音，传真，数据，而且支持多媒体娱乐等业务；第四代通信系统（4G）采用了采用了多用户检测、软件无线电以及多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）等多种技术，支持交互多媒体业务，高质量影像，3D 动画和宽带互联网接入，具有较高的数据传输速率和传输质量[1]。 目前，无线通信存在两种发展趋势，第一，由于人们对无线通信业务的需求变得越来越多，有些业务包括像多媒体传输等，需要传输大量的数据，这就需要更快的传输速率，所以下一代无线通信需要更高的数据传输速率，第二，为了实现高传输速率，需要有较高的频谱效率和较宽的频谱宽度，因此，下一代无线通信技术对频谱带宽提出了更高的要求，这两种趋势，已经成为了当下无线通信技术发展的巨大挑战，总的来说就是，下一代移动通信系统就是要实现更高的数据率，更佳的服务质量（Quality of Service, QoS），更高的频谱效率，更好的安全性，更智能，更灵活，可以支持非对称业务等要求，并能支持多种业务。然而在无线通信技术中，由于无线信道的随机性，使得传输过程中出现各种衰落，并受到噪声的干扰，在这里面，多径衰落是造成无线信道随机性的最重要的原因，多径衰落是由多径传输造成的，多径传输，顾名思义，就是由多条路径传输发射端发射的信号，接收端接收多个经历信道衰落的数据流，从而产生多径效应。由多径效应造成的信道衰落，成为了通信技术发展的最大障碍。
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1.2 研究的目的和意义
协作通信技术作为一种“虚拟”MIMO 系统，与点对点通信系统相比，它能有效获得空间分集，在协作通信技术中，源节点可以向多个中继节点发射信号，中继节点将接收到的接收转发给目的节点，这样目的节点就能收到多个与源节点发射信号相关的副本，实现了目的节点的分集接收，接收机使用多个副本包含的信息，利用相干检测，就能比较正确的恢复出原发送信号，降低了错误译码的可能[8]。协作通信在获得空间分集，提高系统容量等优势的同时，也面临着许多新的问题，比如中继选择，该怎么去选择，是否需要选择，选择哪种协作方式，比如功率分配，每个节点该分配多少的功率，比如信号检测等，而这些问题都需要已知各个链路的信道状态信息[9]，信道估计的准确性直接影响到系统性能的好坏，信道估计技术已经成为协作通信系统的关键技术之一。只有获得准确的信道状态信息，系统才能做出准确的判断。因此，只有准确的信道估计，才能保证系统的通信质量。 预编码技术是发射端在已知和部分已知信道状态信息的时候，在发射端实施预处理的一种方法，经过预编码使不同发射端之间的信息流的干扰得到消除或者降低[10]。在协作通信系统训练序列辅助信道估计中可以通过预编码消除不同中继间训练序列的干扰，提高估计的准确度，而对于发射天线数大于接收天线数时的基于子空间算法的信道估计，可以通过利用带冗余的预编码方法获得噪声子空间，以获得良好估计性能及收敛性。另外，利用在发射端进行线性预编码，便可以在接收端以较低的运算复杂度，获得信号自相关矩阵中所包含的信道信息。对于叠加训练序列的信道估计，可以通过预预编码使训练序列和数据正交，避免训练序列和数据之间的相互干扰。
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第2章 无线协作通信技术
2.1 无线信道基础
无线信号从发送端传输到接收器所经过的由各种传输媒介组成的所有路径，称之为无线信道。一般情况下，信号经无线信道传播时会有许多条路径，这就是所谓的多径，通常无线信道都是多径信道。无线电信号从发射端到接收端，会经历有噪声、衰减、损耗和干扰等因素影响的传播过程。无线电波作为一种电磁波，就像光波一样，在自由空间中以直线方式进行传播，传播方式主要有以下三种： 1. 反射：反射一般在障碍物的表面发生。当电磁波射到障碍物的表面时，且电磁波的波长远小于障碍物的尺寸，就会发生电磁波的反射； 2. 绕射：波的绕射一般在传播路径中存在大型障碍物时发生。当电磁波的波长大于障碍物的尺寸，无线电波便会绕过障碍物，在其背面继续传播，这种现象称为绕射； 3. 散射：波的散射一般在无线电波在有大小比其波长小的阻碍物中传播的时候产生。 当无线电波发生反射、绕射或者散射后，电波到达接收端的振幅、相位、时延等参数将发生变化，而多路发生不同参数变化的信号同时到达接收端后产生相互作用，从而产生多径衰落。根据无线信道对电磁波的振幅、相位、时延等参数影响的不同，又可将无线信道的衰落分成大尺度衰落和小尺度衰落。下面对噪声和衰落对传输信号的的影响一一进行分析。
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2.2 无线协作通信系统模型
协作通信系统的模型是由多输入多输出（MIMO）系统模型演化而来的，根据参与协作的中继个数的不同，一般可分为两种：单中继协作通信系统和多中继协作通信系统，其中每个节点又有单天线和多天线两种不同的发射或接收方式，本章仅介绍单天线的协作通信系统模型，每个天线不能同时进行收发，并且介绍多中继协作通信模型时，忽略源节点-目的节点间的直接传输链路。 放大转发（AF）协议最先是 Laneman 提出来的，是“非再生”的中继方式，是一种简单容易实现的协作通信协议。在放大转发协议下，中继节点 R 只需简易地将接收的由源节点 S 发来的信号放大并发送到目的节点。虽然该协议算法简单易于实现，但在中继节点 R 对信号放大转发的同时，中继节点处的噪声信号也被放大转发，从而增加了噪声的影响。在目的节点 D，接收机可同时收到多个中继节点发来的信号，他们各自经历了相互独立的衰落，从而得到分集增益。目的节点在采用一定的算法对收到的信号进行运算，最终得出正确判决。
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第 3 章 基于预编码的协作通信系统级联信道估计研究 .......... 19
3.1 引言 ........... 19
3.2 系统模型 ........... 20
3.3 信道估计 ........... 22
3.4 中继间噪声干扰的消除 ........... 25
3.5 仿真与分析 ....... 27
3.5.1 仿真条件 ........... 27
3.5.2 仿真结果与分析 ....... 27
3.6 本章小结 ........... 30
第 4 章 基于预编码的协作通信系统分段信道估计研究 .......... 31
4.1 引言 ........... 31
4.2 系统模型 ........... 32
4.3 信道估计 ........... 33
4.4 仿真与性能分析 ....... 35
4.5 本章小结 ........... 41
第 5 章 基于预编码的叠加训练序列信道估计研究 ...... 43
5.1 引言 ........... 43
5.2 系统模型 ........... 44
5.3 级联信道估计 ........... 45
5.4 分段信道估计 ........... 51
5.5 本章小结 ........... 57
第5章 基于预编码的叠加训练序列信道估计研究
本章针对瑞利平坦衰落下的 AF 多中继协作通信系统，研究了基于预编码的叠加训练序列信道估计方法。文中利用叠加训练序列分别对 AF 多中继协作通信系统的中继级联信道和分段信道进行了估计，该方法需要在源节点对训练序列和数据序列进行预编码，使训练序列和数据序列正交化，并在中继节点预编码，使不同中继的训练序列相互正交。仿真结果表明，本章提出的方法不仅能有效估计出级联信道的信道状态信息，而且能有效地估计出分段链路的信道状态信息，减小了训练时隙的开支，提高了信道的传输效率。
5.1 引言
信道估计方法一般分为非盲估计，盲估计和半盲估计三种[44]。非盲估计的训练序列在不同于数据的时隙进行发送，数据和训练序列在时间上是相互独立的，信道估计的准确度高，算法简单，容易实现，但是需要额外的时隙进行训练时隙的传输，降低了信道传输的效率。盲信道估计不额外发送训练序列或者导频，因此提高了数据传输速率，但是运算步骤较为复杂，收敛速度慢，在实际的场合的运用有些困难。半盲估计算法介于非盲估计和盲估计之间，是两种算法的结合，这类算法不仅有效的简化了盲估计算法的运算步骤，使估计算法的收敛速率得到加速，也提高了信道传输的效率。最近几年，一种利用叠加导频辅助的半盲信道估计方法受到了学者们的关注，该方法事先在发射端将训练序列叠加到数据序列上，然后进行发射，接收端接收到信号后，按照设计好的方法把将训练序列和数据符号分离开，进而利用训练序列进行信道估计。该方法节约了信道资源，不占用额外的时隙，减小了训练时隙的开支，提高了数据传输的效率[45]。文献[46]研究了叠加导频技术在 AF 单中继和多中继网络信道估计中的应用，剖析了系统的性能，并提出了功率分配方案。文献[47]针对三节点 AF 单中继网络，提出了在中继节点，将导频叠加到收到的来自源节点的导频上放大前传至目的节点，这样就可以在两个时隙内估计出源-目的、源-中继和中继-目的三个信道链路的 CSI。文献[48]针对 MIMO 系统信道估计进行了训练序列、预编码的设计以及解码矩阵的设计，并且对训练序列和数据的功率分配进行了研究，文中提出了一种基于映射预编码的叠加训练序列信道估计方法，本方法可以进行数据和训练序列的叠加发送，在接收端通过解编码实现了数据和训练序列的独立，充分利用了系统带宽，提高了发送效率。
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结论
在无线通信系统，发射机和接收机之间的传播路径是十分复杂的，并且无线信道的变化带有较大的随机性，使得信号的传输信道变得十分恶劣，而恶劣的无线信道环境，像频率选择性衰落等，会严重影响到无线信道的传输性能，这就对接收机的设计提出了很大的挑战。在接收端，系统往往会对信号进行相干检测，而相干检测需要获知信道的信道状态信息，这就需要对信道进行估计，准确的信道估计成为了提高系统性能的重要前提。因此，如何获得准确的信道状态信息就变得十分关键，信道估计一直都是移动通信领域内的一个研究热点。目前，协作通信系统作为“虚拟”的 MIMO 系统，在不增加额外的系统资源的情况下，能够获得空间分集增益，已经下一代移动通信系统的关键技术，得到了人们越来越多的研究。论文在前人研究的基础上，分别研究了 AF 多中继协作通信系统中基于预编码的中继级联信道的信道估计算法、基于预编码的分段信道估计方法以及基于预编码的叠加训练序列信道估计算法。概括地说，论文主要研究了以下几个方面的内容：
1. 首先介绍了课题研究的背景，国内外研究现状及趋势，为后面研究工作的展开奠定了基础。
2. 研究了无线信道的衰落特性，分析了大尺度衰落和小尺度衰落的形成原因，概括出了四类小尺度衰落信道，即：平坦慢衰落、平坦快衰落、频率选择性慢衰落、频率选择性快衰落。建立了单中继和多中继协作的系统模型，研究了协作中继系统的基本转发协议，大致包括三种即放大转发、译码转发和编码协作，分析了各转发协议的基本原理，并比较了三种转发协议的优缺点。
3. 建立了瑞利平坦衰落信道条件下的 AF 多中继协作通信系统模型，在此模型上，研究了中继级联信道的信道估计问题，推导出了最优训练序列和最优预编码，针对不同中继的训练序列会在目的端产生混叠的问题，引入了中继预编码，从而在目的节点使不同中继的训练序列正交，消除了不同中继间训练序列的互相干扰，并对 LS、LS-SLS 和 LMMSE 三种不同的信道估计算法进行了分析与仿真，在此基础上，通过消除中继间噪声的交叉干扰，进一步提高了信道估计的性能。
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参考文献(略)
硕士毕业论文篇二
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着电力行业“十二五”规划转型升级提出的新要求，使智能电网的建设成为电网发展新任务。在加大电网现代化体系建设，扩大并适应大规模跨区域输电，完善区域主干网络等的基础上，根据控制、储能和信息传输的先进技术，推进智能电网发展，提高电能利用率，增强电网容量、供电可靠性的优化配置。电力行业的发展使电网的智能化配置成为近年研究热点。高压开关作为电力系统中必不可少的机械部件，研究它的智能化也是必要的。 提高电网系统利用率、减少电路网络损耗是电力系统中永恒不变的主题。为达到减少电力输送损耗、改善电能输送容量和质量、提高系统功率因数的目的，电网必须采用无功补偿装置进行无功功率补偿。众所周知，接入电网的现代用电负荷大都属于感性负载，自然功率因数低，它会影响发电机输出功率，减少有功功率输出；影响电网供电能力，降低有功功率容量，增加电能损耗等。所谓无功补偿是增加电网中的容性负载来平衡感性负载从而达到改善的目的。电网中大多用电设备的正常运行不仅需要消耗一定的有功功率还需要部分无功功率用于电路内电场和磁场的转换，建立和维持磁场。无功功率在电网中远距离大量传输会增加电网的电压损耗，使用户端的电压过低。为了解决这个问题，电网中的无功补偿通常遵循“全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡”的原则。无功补偿装置多种多样，电容器组作为无功补偿装置的一种，具有结构简单，安装维护方便，有功损耗小，投资成本低等优点，因此普遍应用于6 ~ 35kV 中压系统和工业用电系统的无功补偿中[1~2]。研究出一种新型高压开关以减小电容器组投切时产生的暂态问题是必要的。同时，为适应国家智能电网发展的需要，构建合理的操动机构与高压开关系统，使之不仅能准确、快速、可靠的完成高压开关的分合操作而且能实现高压电力设备的可控性和智能化。高压电力设备中的高压开关工作的可靠性直接影响电力系统运行时供电质量和供电可靠性，它的智能化也直接影响着电力系统的智能化，智能电网的提出对输配电系统中重要的开关电器——断路器、高压开关的质量和性能也提出了更高的要求。操动机构作为开关操作的执行单元决定着开关电器的正常开断，研究高性能的操动机构不仅是顺应行业研究热潮同时也为电网的智能化发展奠定了基础。传统操动机构如弹簧、气动、液压操动机构，在机械方面存在较多的运动环节，使得故障几率高，分散性大，控制性能低。为了克服传统操动机构的局限性, 提高开关电器的操作性能, 有必要进行高压开关操动机构新技术的开发。
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1.2 国内外研究概况
针对本课题中的研究问题，在6 ~ 35kV 中压系统中通常采用真空开关来投切电容器组，它在将电容器组投入电网和从电网切除时会引起浪涌电流和操作过电压。这些电流、电压比额定值高出几到十几倍，对电力系统一次设备带来很大危害。为解决这些问题，晶闸管投切电容器组(thyristor switch capacitor, TSC)、串联电抗器、晶闸管和磁保持继电器并联、零点投切等技术手段应运而生。TSC 技术虽然能解决上述问题，但它具有成本高、体积大、晶闸管损耗大、可靠性较低等缺点，通常适用于具有快速冲击性负载性质的重要应用领域，而不适宜在中压供配电领域大规模应用[3]。其他几种技术虽然能减小投入时引起的合闸涌流，但却恶化了切除时引起的暂态过电压问题[4~6]。为减小过电压，有学者提出采用改进式晶闸管串联调压电容无功补偿装置[7]，但其结构复杂、控制算法复杂。针对这些问题还有专家学者采用真空开关和采用晶闸管阀并联构成的中压固态复合开关实现无功补偿电容器组的投切，采用该原理的固态开关具有成本高、晶闸管阀门极驱动电源和控制触发复杂的不足之处。上述技术各有各的优缺点，在不同的应用场合采用不同的技术。结合已有的技术提出一种新的思路，既能减小电容器组投切时的涌流和操作过电压又具有控制简单，成本低的优点。 顺应国家智能电网规划的新要求，国内外对高压电力装备智能化的关注越来越多，由此对高压开关的关注也越来越多。高压开关的智能化关键在于操动机构的智能化。本文除了电容器组投切开关原理的研究，还研究了控制高压开关动作的操动机构。结合电机操动机构自身的优缺点，它作为新型操动机构被广泛研究。目前常用操动机构主要有：手动操动机构、电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构、液压操动机构等，这些机构都相对成熟，它们结构不同，各有各的优缺点，适用范围也不同。随着电力行业的不断发展，为满足高压电力设备智能化的发展要求，需完善现有产品并不断开发新型操动机构，使其具有可靠性高、反应速度快、故障率低、结构简单、操作方便的特点，因此具有这些特点的永磁机构以及电机操动机成为近年来的研究热点。电机操动机构作为一种新型的操动机构应运而生，它无需任何机械能而通过电机产生的力或转矩就可使高压开关触头实现分合闸操作，配以保持装置使其保持在关闭、断开位置，再通过外部控制电路从而实现对电机的智能控制[8]。近年来，国内沈阳工业大学对于电机操动机构主要研究了40.5kV 真空断路器的永磁直线直流电机的操动机构和旋转电机操动机构[9]；清华大学与平高股份合作研究的用于126kV 真空断路器的旋转电机操动机构；东南大学、大连理工大学、华中科技大学、华北电力大学等对新型操动机构也有相关研究。国外主要有 ABB 公司和阿尔斯通公司，对于智能化开关设备，他们研究了电机驱动的断路器操动机构、功率二极管的混合式免暂态高压开关、弹簧和电机混合驱动的操动机构等。电机操动机构随着电力系统的智能化发展，高压开关设备的智能化和操动机构的智能化将是未来研究方向的重点。
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2 功率二极管混合式高压开关
2.1 开关结构及工作原理
本文中提出的基于功率二极管的混合式高压开关主要应用于电容器组的投切操作。众所周知，在电力系统的运行中，为了改善用户电能质量、提高系统功率因数和减少输配电线路损耗，电力系统中常采用分布式无功补偿。其中，电容器组作为常用的无功补偿装置被广泛应用于6-35kV中压系统和工业用电系统中。但在投切电容器组的过程中可能会产生涌流和过电压等问题，对电力系统一次设备带来很大危害。针对这些问题并在考虑经济性、可靠性的基础上，本文提出基于功率二极管和电机操动的机械开关并联组成的混合式高压开关，既可以减少电容器组投切时产生的暂态过电压和涌流又能实现开关的智能化控制。因为功率二极管具有单向导电性，两端电压正向偏置时，二极管导通其通态压降很低一般为1V左右；两端电压反向偏置且低于击穿电压前，二极管处于截止状态相当于一个大电阻，而高压机械开关具有导通电阻小、绝缘性能高的优点。为了使混合式高压开关系统实现免暂态投切电容器组，其工作过程需要包含两个电流转移，即电容器组切除时，高压开关中的电流转移至功率二极管，而电容器组投入时，电流从功率二极管转移至高压机械开关[10~11]。
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2.2 开关分合闸操作电流转移机理
在6 ~ 35kV 电力系统中，当开关切除电容器组时产生的电弧电压如图2.4所示。从图中可以看出，在电流过零点处将产生几十伏的电弧电压，这个电弧电压足够功率二极管导通。从图2.6可以看出，功率二极管伏安特性的正向开始部分，由于二极管的正向偏置电压很小，此时外电场比 PN 结的内电场小，使得功率二极管的正向电流几乎为零，二极管对外呈现大电阻状态。随着二极管正向电压逐渐增加，上升到一定值时，它的正向电流才开始明显增大，此时二极管开始导通。伏安特性中正向电流明显增加时所对应的正向电压thV 称为功率二极管的门槛电压。二极管导通后，它的正向电流FI 与正向电压V按指数规律上升[16]。由上述分析可知，功率二极管要导通，就应满足两端所加的正向偏置电压大于其门槛电压，即thV ? V。在功率二极管混合式高压开关中，为实现电容器组投切时电弧电流的转移，则要求机械开关断口间产生的电弧电压必须大于功率二极管的门槛电压。从图2.4和图2.6可以看出，在6 ~ 35kV 的电力系统中，高压开关投切时产生的电弧电压可以达到几十伏，这个电压足够让开关断口间的功率二极管导通，从而实现电流在断口与二极管间的转移。
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3 混合式高压开关的电机操动机构 ...... 21
3.1 永磁同步电机结构与数学模型 ...... 22
3.1.1 永磁同步电动机的基本结构 ...... 22
3.1.2 永磁同步电机数学模型 ......... 22
3.2 永磁同步电机伺服控制策略研究 ......... 27
3.2.1 矢量控制技术 ......... 27
3.2.2 直接转矩控制技术 ........ 32
3.3 控制方案的确定及建模仿真 .......... 35
3.3.1 伺服控制方案的确定 .... 35
3.3.2 模糊 PID 控制 .......... 37
3.3.3 MATLAB 建模仿真及结果分析 .......... 39
4 交流伺服控制系统软件设计 ....... 43
4.1 系统软件总体结构 ..... 43
4.2 软件程序设计 ...... 44
4.2.1 电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM） .... 44
4.2.2 QEP 接口模块 ........ 50
4.2.3 三环控制模块 .... 52
5 实验平台构建及分析 ..... 56
5 实验平台构建及分析
在完成了前几章的理论分析、建模仿真和软件设计后，将各个模块组合起来，完成整个系统的连接，建立实验平台。在该系统中主要模块和工具： （1）实现信号放大、整流及逆变功能的智能功率模块（IPM） （2）DSP(TMS320F2812)的控制板 （3）内置光电编码器的永磁同步电机 （4）功率二极管混合式高压开关 （5）示波器、直流电源、仿真器等 智能功率模块选用的是上海嘉尚电子科技有限公司的 DR 系列。其功率模块实物图如图 5.1 所示。智能功率模块作为中间环节，主要作用是将 DSP 控制板输出的 PWM 脉冲信号用来控制逆变器桥中 IGBT 的开断，从而调整输出电流大小，控制电动机转速，使其跟踪位置参考曲线运动。本实验所采用的功率模块技术参数如表 5.1 所示。 永磁同步电机作为伺服控制系统中的执行单元和高压开关动作的操作机构，要求响应速度快且能迅速完成开关的分合闸操作，即应考虑选用转动惯量较小而转矩相对较大的电动机。综合各方面考虑，在本实验中选用安川电机有限公司生产的旋转型 GV 系列电机，其型号为 SGMGV-30ADC61，实物图如图 5.2 所示。
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结论
本文从新型电容器投切开关的研究出发，对功率二极管混合式高压开关和电机操动机构伺服控制系统进行了深入研究，在新型电容投切开关的工作原理、结构、运行以及永磁同步电机矢量控制、直接转矩控制、伺服控制系统软件设计等方面均做了大量研究工作。
（1）本文提供和验证了一种新型的电容器投切开关（功率二极管混合式高压开关），它是应用功率二极管和多断口高压开关相并联组成的，利用功率二极管的单向导通性和静态特性，它能有效减小电容器组投入电网时产生的浪涌电流和切除时产生的操作过电压。
（2）采用一个旋转电机作为三相开关的操动机构，它利用不同的机械距离来补偿三相对称系统之间的相位差，思想新颖。将电机操动机构应用到电容投切开关中，不仅简化了操动机构的结构，提高了高压开关的可靠性，还减小了机械故障率，降低了经济成本。
（3）采用交流伺服系统控制高压开关动作，建立永磁同步电机 0di矢量控制模型，采用三环控制跟踪电动机参考轨迹，使电机控制混合式高压开关的投切，达到实时免暂态的进行电网的无功补偿。
（4）采用数字化高速处理器（DSP—TMS320F2812）作为软件系统，将位置采集模块得到的电机转子位置信息输入到处理器，经过一系列的数据处理后输出 6 路脉冲信号控制逆变器模块，从而控制电动机的转速，以达到功率二极管混合式开关分合闸操作时动触头的实际位置曲线能跟踪参考轨迹的目的。高速处理器的应用使计算速度更快，控制性能更高。
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参考文献(略)
硕士毕业论文篇三
第 1 章 绪论
1.1 研究背景、目的和意义
有了水才有了生命，生命的产生最初是从水中进化而来的。水资源是人类赖以生存和发展的物质基础，人类的生活离不开水。但是，如今全世界的人类数目快速增长、经济也飞速的发展，水资源的问题遇到了越来越多的问题。在一份由世界环境与发展委员会的报告中指出了一个重要观点：水资源的整治有可能会成为取代其他问题，一跃成为引起世界危机的主要问题。其中包括了洪涝灾害、水环境恶化、干旱缺水，这三大主要问题已经从不同角度、不同方向影响到了人类对生活水平提高的要求，同时也相对制约了社会的长久稳定和经济的可持续发展。我国是一个水资源相对短缺的国家，随着社会经济不断长足的发展，水资源问题在一定程度上已经成为可持续发展道路上的一个拦路虎。最近几年，我国的经济得到快速的进步，因此，水资源的使用量也越来越大，怎样尽快对地表下面的水资源进行勘探和地理环境的考察已经提升到紧急的事件上来。我国对地下水的使用很大，超过全世界的平均水平，据不完全统计，在我国乡村地下水的使用占百分之九十五以上，总的来看，百分之七十的人类的生活用水来源于地下的水资源，这还不包括灌溉，养殖畜牧对水资源的使用量。地表水的匮乏和过度使用从侧面反映出地下水的不可替代性[1-4]。但由于大量开采地下水，据统计，在我国水资源的污染也很严重，在我国南部地区十四个省会城市，有三个城市的水资源已经达到了污染严重，北部地区相对更多，十七个城市就有十六个城市严重污染，几乎达到了百分之百的比例，这是相当严重的。水质污染[5-7]、地面沉降、植物破坏，因此，怎样合理的开发地表以下的存储的水，又不会对自然带来破坏，采取科学严格的防护措施，保证地下水不被污染[8]是国家对水资源管理和利用的战略性趋势。
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1.2 国内外研究历史和现状
地下水是人类不可替代的一种自然资源，同时也作为地质营力和地球环境不可或缺的重要组成部分，它与人类最基本的生存和繁衍发展息息相关。1977年联合国教科文组织将水资源定义为“可供利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的量和可用的质，并能在区域内为满足某种用途而可被利用”。自从那以后，许多国家陆续开展了有关对水资源水质、水量相结合评价的研究及探讨。并，将水质、水量相结合的方式纳入到水资源管理的综合决策系统中，成功地应用于流域的水资源管理中。在不断地开发利用地下水资源的同时也在与地下水危害作着艰苦的斗争，人们在这个长期复杂的过程中逐步积累着对地下水运动规律的认识。由于地下水运动问题本身的复杂性和受生产力发展水平的限制，尽管人类对地下水的取用己有数千年的历史，但对地下水运动规律的认识和学科的发展却经历了很长的历史过程[9]。水资源评价是保证水资源可持续开发和管理的前提，是进行有关与水的一切活动的基础。联合国在一九七七年召开的世界水会议的第一项决议中久指出：没有对水资源的综合评价，就谈不上对水资源的合理规划和管理。同时号召各国进行一次专门的国家水平的水资源评价活动。美国在一八四零年对俄亥俄河和密西西比河进行过一次河川径流量的统计，以及在 19 世纪末和 20 世纪初编写了《纽约州水资源》《联邦东部地下水》等专著。
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第 2 章 水资源评价的理论、原则、内容及方法
2.1 水资源评价的理论
水资源广义上是指地球上目前和近期可以提供给人类直接或间接取用的水，其中包括液态水、气态水、固态水；所有的陆地水、大气水和海洋水。狭义上说水资源特指陆地上的所有淡水资源，它包括河流水、湖泊水、沼泽水、土壤水、冰川水、生物水。目前被人类利用的淡水资源有河流水、湖泊水和浅层地下水。水资源是除土地外的资源中与人类生活关系最为密切的自然资源，是生命发展繁衍的基础。水资源的特点有：可恢复性与有限性、时空分布不均匀性、水利与水害的双刃性、开发利用多样性、不可替代性等。我国水资源的特点有：总量不少可人均占有量较少、地区分布不均、年内变化大、水旱水灾频发。（1）可恢复性与有限性水资源作为最活跃的自然资源之一，它的活跃性表现在它自身的运动规律：补给和支出，它们都处在不断变化的状态中。一定区域内的水资源可以不断从大气降水那儿得到补给，从而构成了水资源的补给、流动、消耗三者之间的循环性。而不同的水体，其循环再生的周期是不一样的。最短的大气水循环周期为八天，而深层地下水的循环周期是一千四百年，冰川则更久。循环过程中的无限性决定了水资源在一定的数量之内是取之不尽的。可现在实际的水资源储存量是很少的，因为大部分淡水资源被储存在南极、北极和冰川中，而储存量大的冰川水目前并不能被人类广泛利用，剩下的可供人类直接使用的水资源不仅数量少，所以是格外珍贵的。这个特征也决定了水资源的数量是有限的。
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2.2 地下水资源评价的理论
在生活的地下水中，占总的水资源很大一部分。地下在山崖岩层中排泄到地下表面和大部分挥发到空气中和相关运动变化，这都是一个非人为的自发过程。可以根据观看人类生活的录像是能够加速度增长这一自然过程，如果要完全改变这个自然过程的话，这肯定要付出相当多的汗水。在人类的活动及对地下水的开采规划中，既要尽可能照顾到各低层次的局部用水权益，又要保证在宏观层次上用水计划的实现。地下水均衡法和达西定律是评价讨论地下水资源的根本依据。目前为止还未出现对地下水资源评价的基本概念尚未统一。为保持其实用价值，对水资源问题特别突出或十分重要的特定的地区要进行专门的评价。一般理解为：地下水资源评价需做到关于数量的时空分布特征、地下水资源的质量和开发利用条件作出科学的、全面的分析和估计。地下水资源评价包括水质评价和水量评价两个方面，水质评价是水量评价的前提，地下水资源评价的核心是水量评价[39]。我国地下水分布很广，为查明地下水的形成条件与分布规律，从建国初期，就有计划地 在全国范围内开展了水文地质普查，对地下水资源进行了评价与调查。到目前为止，全国约近的面积已完成普查工作，仅除青藏高原以及部分高山沙漠地区外，除此以外，为进一步系统地全面评价全国的地下水资源还，结合农业供 水和城市供水，对地下水资源进行了大量详勘工作与科研工作，积累了丰富的资料，为地下水资源的评价奠定了良好基础。
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第 3 章 区域自然与水文地质条件..... 33
3.1 自然地理与交通状况...... 33
3.2 社会经济概况.... 34
3.3 水文气象..... 35
3.4 河流水系与水利工程...... 36
3.5 地形地貌..... 38
第 4 章 地下水资源评价....... 62
4.1 研究区地下水资源评价的原则和方法...... 62
4.1.1 研究区地下水资源评价的原则........ 62
4.1.2 研究区地下水资源评价方法..... 63
4.1.3 研究区地下水资源计算分区图........ 63
4.2 水文地质参数的计算...... 64
4.3 地下水资源量评价.......... 66
4.4 地下水水质评价....... 82
4.5 研究区地下水系统数值模拟........ 85
4.6 本章小结..... 93
第 5 章 结论与建议........ 95
5.1 结论...... 95
5.2 建议...... 96
第 4 章 地下水资源评价
地下水资源评价是指对地下水的质量、数量、分布和开采条件在人工或天然的条件基础下作出科学的、有效的、全面的分析和计算，为地下水资源合理的开发利用提供了良好的基础和合理的科学管理目标，提供可靠的意见并为政府决策提出合理范畴内的建议。本文仅在地下水的数量和质量方面进行评价。4.1 研究区地下水资源评价的原则和方法4.1.1 研究区地下水资源评价的原则:
（1）本文地下水资源评价研究区为江西省新干县大洋洲镇平原区，面积约为 45.49km2，研究区的主要范围对应的是江西核工业地质局二六三大队进行水样采集、抽水试验以及物探勘察的工作区。工作区邻近赣江，地势平坦河流相冲、洪积地貌，根据断面长期观测资料，场区第四系孔隙水主要受大气降水和江水的补给，季节性变化大，雨季或多雨季节赣江江水水位抬高，江水侧向补给第四系砂砾含水层；旱季或少雨季节，赣江水位下降，第四系砂砾含水层中的地下水又侧向补给江水；
（2）本文地下水资源评价的主要对象是浅层地下水，属于第四系岩类孔隙水。研究区第四系孔隙水主要为赋存于冲洪积砂砾层和卵石层中，冲洪积细砂分布较广，平均厚度，含水量较小，渗透系数一般在 1-8m/d，属中等透水层，冲洪积中砂分布不广，含水量较小，渗透系数一般在 8-50m/d，属中等-强透水层，冲洪积粗砂，含水量较大，渗透系数一般在 50-70m/d，属强透水层，冲洪积砾砂分布也较广，含水量大，渗透系数一般在 70-100m/d，属强透水层，冲洪积圆砾分布不广，含水量较大，渗透系数一般在 100-150m/d，属强透水层，地下水主要受大气降水和赣江江水位的补给.
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结论
本文通过对研究区水源地含水系统水文地质条件进行系统分析，利用地下水均衡计算与数值模拟相结合的方法，对新干县大洋洲镇平原区水源地展开研究，获得了一下主要结论：
（1）本次地下水资源评价主要范围为江西省新干县大洋洲镇平原区，面积约为 45.49km2，研究区范围对应江西核工业地质局二六三大队进行物探、水样采集及抽水试验的工作区。从地质条件的岩性分类将研究区分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区，Ⅰ区主要为砂砾石，面积约为 17.18Km2；Ⅱ区主要为中粗砂，面积约为19.10Km2；Ⅲ区主要为粉细砂，面积约为 9.21Km2。用皮尔逊Ⅲ型曲线求得保证率分别为 10％、50％、75％、95％下的典型年以及多年平均情况下的大气降水入渗补给量，其中在保证率为 95%时地下水总补给量为 1193.59×104m3/a；多年平 均 地 下 水 总 补 给 量 为 1419.04×104m3/a 。 地 下 水 资 源 总 排 泄 量 为1368.51×104m3/a，地下水资源多年平均可开采量为 1209.78×104m3/a，地下水储存总量为 19615.83×104m3/a，占地下水资源储存总量的 6.01％。说明研究区地下水资源丰富，可开采的潜力大，研究区项目年取水 200×104m3/a，占多年平均可开采量的 16.53％，开采量的保证程度高；
（2）研究区内的地下水符合《地下水质量标准》（GB/T14848—1993）中Ⅲ类标准，同时符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749-85）的标准，水质状况良好.
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参考文献(略)
硕士毕业论文篇四
第一章 绪 论
1.1 课题来源与项目概况
此研究来源于山东省省级水利科研项目：基于回灌补源的平原地区高效生态农田水利工程技术研究（项目编号：SDSLKY201310）。该项目针对我省大部分平原井灌区存在的浅层地下水超采并导致大面积地下水漏斗区及地面沉降等灾害、灌溉农业水供需矛盾尖锐、设计灌溉保证率低仅有 50%、一遇枯水年作物灌溉用水要求无法满足等问题，选择黄泛平原地区为研究示范区，以水生态平衡为原则，结合现有田间节水灌溉和排水及配套设施的建设，强化水源的引、蓄、渗工程。该项目包括高效可管理含水层补给技术体系和农业灌溉含水层补给指南两部分研究内容。第一部分针对一定水文地质条件平原农业井灌地区地下水超采问题且有短时相机引当地汛期雨洪水或地表客水条件，以我国清代山东省桓台县的洞井为基础，利用土壤水和地下水运动理论作为分析方法，确定工程水力设计参数，结合现代工程和材料，研制开发出一套高效可管理的含水层补给技术，并建立一定范围的试验小区，目的是将地表水及时转化为地下水，利用含水层储存，进行年内或年际调节，恢复地下水超采漏斗，控制地下水位，增加农业供水量，提高灌溉供水保证率，达到旱、涝、碱综合治理，转变农田水利工程由单纯的节水、排水为引、蓄、渗、节、灌、排的综合体系；第二部分是通过山东省补源工程调查研究，总结各类地下水补源工程类型的优缺点，借鉴澳大利亚含水层补给指南，提出具有一定指导意义的农业灌溉含水层补给管理指南。
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1.2 研究目的与意义
山东省是农业大省，是我国粮食的主要生产省之一，同时也是农业用水大省，在保证我国粮食生产安全方面，水具有举足轻重的作用。平原区占我省总土地面积的一半，农业灌溉以地下水为主，水资源供需矛盾尖锐，地下水超采严重。山东省平原井灌区，大气降水是地下水的主要补给来源，年平均降水入渗系数为 0.25，按照地下水多年平均采补平衡的原则，仅靠开采每亩土地上的降雨入渗补给量不能满足正常产量下的作物需水，需要袭夺地下水侧向径流量、非农业土地面积下的浅层地下水、河流、沟渠渗漏量或者增加引用地表灌溉用水量。特别是近年来，我省工业化和城市化进程加快，工业用水和生活用水的需求量出现急剧上升趋势，而且供水保证率要求高，工业和生活新增水量大量挤占农业用水，加重了农业水资源供需矛盾。在地下水资源不能完全满足灌溉用水需要的地区，解决措施之一就是将多余洪水或地表径流通过沟渠引进并蓄存，通过促渗工程补给到含水层中，利用含水层作为库容进行多年或年调节，结合地下水开采工程，及时有效增加灌溉水量，提高供水保证率，并与排水工程结合控制涝、渍、盐碱灾害，达到节水、节能、增产的目的。总之，在平原地区采取沟、渠、坑塘、渗井等一系列的回灌措施，充分利用地面水、雨水，建立地下水库，将节水工程与地下水回灌补源工程结合起来，积极开发浅层地下水，做到三水在时空上的联合调度运用，形成高效的水资源开发-利用-节约-配置体系，根治旱、涝、碱三大自然灾害，对我省农业生产安全保障具有重要意义。
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第二章 区域及项目区概况
本章通过收集项目区已有资料，概述了项目区的自然地理概况和区域水文地质和工程地质条件以及现有农田水利工程现状，为本项目基于回灌补源的农田水利工程的设计与施工打下基础。
2.1 自然地理概况
2.1.1 地理位置
临清市位于鲁西北平原，隶属山东省聊城市，东部与高唐、茌平县相隔马颊河，西部与河北省临西县以卫运河为界隔河相望，南部与东昌府区、冠县相邻，北部与德州市夏津县分别接壤。市域南北长约 25km，东西宽约 47km，总面积 960 km2。临清市及项目区具体地理位置见图 2.1。车庄沟为鲁北平原中小河道，属海河流域漳卫运河水系，为卫运河的重要支流之一，位于临清市西南部陈公堤以东的大沙河河槽洼地，原是黄河故道，经历代群众排水疏浚而成一条南北向的排涝沟。起源于冠县清水镇前肖庄村，流经冠县清水镇和临清市潘庄镇、八岔路镇、唐园镇及青年街道，在青年街道车庄村东北汇入卫运河，全长 28km，流域面积 222.7km2，其中临清市境内长 25km，流域面积 199.7km2。本项目的研究区选在临清市八岔路镇万庄村的一块农田中，车庄沟支流流经该农田。车庄沟流域正位于聊城市西北部的黄河故道上（即大沙河），属鲁西黄河冲积平原，地势平坦。该区域内地面倾斜方向基本自西南向东北微倾斜，海拔标高在 37.3-32.63m之间，相对高差为 4.67m，平均坡降约 1/7000。历史上黄河的多次改道导致了该区域高中有洼、洼中有岗的微地貌，大量黄河泥沙下泄，沉淀，大面积土地沙化。区域自西南至东北有一条长 55km 的黄河故道，土壤类型主要是飞沙土类。
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2.2 区域水文地质与工程地质条件
根据当地 80 年代的水文地质调查图集及以往地下水普查及钻井资料可知：地下水类型主要为松散层类孔隙水。上层为淡水，下层为咸水。其中，最具有供水意义的是上层（浅层潜水-微承压水），即浅层地下水，厚度约为 60m。60m 深度内的岩性可分为上、中、下三部分，上部，埋深区间 0~15m 为亚砂土、粘土互层，其中 8~15m 局部有粘性土分布，构成包气带和水位变动带；中部 15~35m 是储存浅层潜水-微承压水的主要部位，主要由粉细砂、细砂、中粗砂组成，含水层顶板埋藏深度为 15-20m，含水砂层厚度为20~25m，因其厚度大、颗粒粗、含水性好，分布稳定，成为本区最主要的供水含水层；下部 35-60m 总的特点是亚砂土夹粉细砂，间有细砂层，形成了一个较为稳定的含水层。目前条件下，该区浅层地下水主要补给方式为大气降水、引黄灌溉及渠道侧渗补给。其中降水入渗补给占总补给量的 70~80%，是浅层地下水的主要补给来源，但由于降水年内年际间变化较大，使其入渗补给在时间分配上相差较大，形成了汛期降水集中而大强度补给，枯水期补给量很少或无补给的特点。灌溉回渗补给也是重要补给量。根据灌溉水源分为引黄灌溉回渗和地下水灌溉回渗。区内的尚潘渠、友谊渠均是引水和排洪渠道，在引水及汛期补给地下水，干枯期间与地下水无联系。地下水径流主要受控于不均匀的开采强度、地表水文和地形地貌因素。地下水径流方向基本上与地形倾斜方向一致，由西南向东北缓慢流动，水力坡度 2/10000～4/10000。该区地下水排泄方式主要是人工开采和水面蒸发，人工开采占浅层地下水排泄量的比重越来越大，是本区主要排泄量之一。
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第三章 基于回灌补源的农田水利工程总体布局.........17
3.1 项目区工程条件......17
3.2 工程总体布局..........22
3.3 本章小结.........25
第四章 平原漏斗区高效生态含水层补给工程设计.....27
4.1 高效生态含水层补给工程形式设计..........27
4.2 明沟-地下滤水管-竖井含水层补给系统水力参数设计......28
4.2.1 渗流理论及计算.....29
4.2.2 水力参数设计及优化......41
4.3 明沟-地下滤水管-竖井含水层补给系统防堵塞技术..........46
4.4 地下滤水管及竖井的选择........47
4.5 本章小结.........48
第五章 明沟-地下滤水管-竖井回灌工程效益分析......49
5.1 经济效益分析..........49
5.1.1 国民经济评价.........49
5.1.2 财务评价........50
5.2 生态效益分析..........51
5.3 社会效益分析..........51
5.4 本章小结.........52
第五章 明沟-地下滤水管-竖井回灌工程效益分析
为使含水层补给工程的建设和运行质量都得到提高，达到回灌工程经济合理、效益最大的目的，从经济、生态和社会效益方面对工程进行综合评价十分必要。
5.1 经济效益分析经济效益分析
一般包括国民经济评价和财务评价。国民经济评价是从整体考虑工程产生的效益和费用。财务评价是单纯考虑项目的收入和费用。该平原漏斗区高效生态含水层补给工程产生的国民经济效益包括增加地下水补给量，节省引黄灌溉水效益、节省引水管网设施的运行费用、节省防洪除涝设施的费用。（1）与地面节水灌溉设施相结合，提高灌溉水效益据调查，项目区种植结构为绿化树、果树以及经济作物，节水灌溉措施为喷灌，该灌溉形式亩次灌溉用水量为 50m3，每年普遍浇 4 次水，平均每年净效益为 5 万元，其中水占整个净效益的 0.4，其中项目区面积为 100 亩。该回灌工程一次引水期间可以增加 15000 m3的地下水，四次引水可增加 60000 m3地下水量，因此该回灌系统与地面节水灌溉设施相匹配，取得直接经济效益为 6 万元。（2）避免洪灾涝灾引起的经济损失由于该工程形式可以把河道多余雨洪水回灌到地下，而且能够控制水位在防盐渍化水位以下，能够实现旱、涝、碱综合治理的目的，因此可以间接避免涝灾带来的损失。据调查，涝灾给该项目区将带来的损失为 500 元/亩。由于该工程控制面积为 100 亩即66667m2，所以可减少的防洪除涝费为 5 万元。
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结论
本文针对平原井渠结合灌区地下水漏斗问题，参考桓台洞井回灌补源原理，提出了明沟-地下滤水管-竖井含水层补给技术体系。在所收集及调查资料的基础上，借鉴澳大利亚含水层补给管理指南对该工程在所选项目区的可行性进行了评价；通过水力学、土壤水动力学和地下水动力学等理论对该工程实施方案和水力参数进行设计，并计算其回灌效果。目的是能够研发出一套能同时解决回灌效率和堵塞问题，且能实现、旱、涝碱综合治理的高效生态的含水层补给技术。该研究所得结论如下：
（1）从所收集的气象、水文、水文地质等当地资料，物探、勘探、双环渗透试验等实地调查和野外试验结果以及水质测验和土工试验结果，可看出该项目区选址具有代表性，其地层、水质等条件都较适合回灌，并借鉴澳大利亚含水层补给管理指南评价该工程的可行性，评价结果表明该工程在临清市八岔路镇车庄沟难度较小，可行性强。
（2）利用水力学、土壤水动力学和地下水动力学等相关理论，初步设计出该回灌系统的施工参数，包括前置过滤池尺寸、地下滤水管埋深、管长、管径、管材、坡度等参数。并通过计算定量地了解了回灌效果，计算结果表明该明沟-地下滤水管-竖井回灌系统在一定程度上有利于地下水位的恢复，并通过水量平衡计算分析出车庄沟为回灌工程提供了充足的回灌水源。
（3）明沟-地下滤水管-竖井高效生态的地下水回灌系统，在沟渠渗漏和灌溉回归水补给地下水的基础上，进一步通过地下滤水管渗漏增加了地下水补给量，扩大了地下水补给范围，同时利用前置过滤装置、暗管以及竖井三道防堵塞措施来防治悬浮物物理堵塞，保证了该回灌工程的使用寿命。
（4）通过第五章效益分析可知，该回灌系统与地面节水灌溉系统相结合，具有显著的经济效益，而且具有重要的生态和社会效益。
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参考文献(略)
硕士毕业论文篇五
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
近年来，雾霾对人们的日常生活带来了很大影响和不便，而改善这一现象的重要途径是开发清洁能源，改善能源利用率。随着新能源技术的不断发展，功率等级的要求不断提高，能源的转换过程中的效率问题也越来越引起重视[1]。在工业生产以及日常生活中大量使用的各种电力电子装置都是非线性负载，如不间断电源、变频调速器、开关电源、整流设备、电弧炉、变频空调、电梯等，这些非线性负载会产生很多的谐波电流到电网中形成谐波污染，引起功率因素的下降、电压波动以及三相不平衡等电能质量问题，这就对电源设备以及电能质量设备提出了很高了要求[2]。因此，提高用电质量的稳定性和纯净度十分有必要，这样能保证人们的用电质量以及高精度用电设备的可靠、安全运行，减少因谐波引起的医疗事故、生产缺陷、供电中断等状况，减低因谐波引起的输、配、用电设备发热异常、绝缘老化，保证和延长电气设备的使用寿命，防止因发热、老化问题引起的电气火灾，减少电气维护成本的同时保证企业的安全化运营[3]。为了解决一系列的问题，电力电子技术起到了关键性的作用，特别是对于电压源型逆变器。不管是在新能源技术、电源技术还是在电能质量优化技术中，逆变器都是核心器件，如光伏并网逆变器、有源电力滤波器以及静止无功补偿器等。目前，为了让逆变器的性能最优，控制更简便，围绕新的逆变拓扑结构以及控制方式领域的研究显得越来越迫切。在大容量逆变器中，相比于两电平逆变器而言，多电平技术在各方面的性能都优异，因而在实际运用中得到更多重视[1-4]。一般来说，多电平逆变技术是基于三电平逆变技术，按照一定的拓扑结构的形成，和电平数与产生正弦阶梯波电平台阶成正比，因此更接近正弦波，谐波成分的减少。在理论上，多电平逆变器可以实现任何数量的水平，但在实际应用中，由于硬件和控制的复杂性，在一般情况下达到一定的性能要求时即可，不能不盲目追求过高电平，三电平较实在[5-7]。
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1.2 研究现状
1980 年日本学者 Nabae 首次提出了三电平 NPC 逆变电路，经大量的研究后，多电平逆变器进入了一个新阶段。该电路结构有小的输出高次谐波和功率因数可被控制的优点，得到了不断的应用。1992 年 T.A Meynard 和 H.Foch 等学者做出了飞跨电容钳位多电平逆变器，这种方法避免了二极管钳位多电平电路的电压而引起的不平衡，难以快速恢复关断二极管的反向电压问题。但因为需要许多电容器，电容器电压平衡要平衡也是比较困难的[5]。2000 年 Fangz．Peng 合并多个钳位多电平逆变器的功能优点后，在电气和电子工程师应用年会上，构建了一种通用的多电平逆变电路[6]，并从理论上和实验中验证了逆变器的实用价值，真正有意义的多级控制的主电路结构，并得到了广泛的应用。后来人们在以前的多电平拓扑的基础上经过改进了形成了其他的多种电平的拓扑结构。目前三电平逆变器主要分为三类基本的拓扑：级联式、飞跨电容式和二极管钳位式[16]。主要优缺点如下：① 飞跨电容式：开关矢量的灵活性较大，可根据实际情况作出更多选择。主要不足为存在大量电容，在实际应用中带来很多不便，且成本比较大[17-19]。② 级联型：易于进行模块化设计，可靠性高，畸变小，扩展容易。主要缺点是每个单元需要隔离的直流电源，即存在多组独立直流母线电压，且制动能量的回馈再利用实现起来较为困难[20-23]。③ 二极管箝位型：效率高，漏电流小，很容易实现能量的回馈。主要缺点是存在中点不平衡问题，且存在单管爆管的风险[24-27]。
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2 三电平逆变器拓扑结构
目前，三电平逆变拓扑结构已经在产业化的过程中得到了充分发挥，且性能相比两电平而言有明显改善。本章首先对三种典型的三电平逆变拓扑结构进行了分析，在此基础上，以三电平结构的原始初衷为依托分析了两种新型的三电平逆变器拓扑结构，最后将两种新型拓扑电路与典型的二极管箝位型拓扑结构做了对比分析。
2.1 三种典型的三电平逆变拓扑结构
2.1.1 二极管箝位型三电平逆变拓扑结构
NPC 型三电平逆变拓扑与一般的半桥型两电平逆变拓扑结构相比，A、B、C 三相的桥臂上分别增加了两个功率管以及反向续流二极管，并在直流侧增加了两个等值分压电容即 C1=C2，每桥臂分别增加了两个中点箝位二极管连接到电容的中点，如图 2.1 所示。箝位二极管有两个作用：（1）将每个桥臂的连接点电位箝位到零电位，从而使相电压输出在原来两电平的基础上增加中性点电位 0。（2）防止直流侧的均压电容被短路。如果 A 相上端的箝位二极管 D1用导线代替来引出中性点电位，当开关管 Sa1导通时直流侧的分压电容 C1将被短路。同理，D2的作用是防止开关管 Sa4导通时直流侧分压电容C2被短路。因此，两个箝位二极管起到了主要的中点引出作用。接下来分析图 2.1 的工作原理（A 相），取从逆变器流向负载的方向为正，以 O 点为中性点，如图 2.2 所示。
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2.2 两种新型的三电平逆变拓扑结构
目前，在实际应用中，二极管钳位型三电平逆变器已经得到了广泛应用，如电机驱动、新能源发电、有源电力滤波、无功功率补偿等，相比另外两种拓扑结构而言具有优越的实用性能，因而得到国内外广大学者的深入研究。介于二极管钳位型拓扑结构各个开关管开关频率不均衡问题，在三相二极管钳位型(图 2.6（a）所示)三电平拓扑结构的基础上，Floricau et al.等提出了三电平二叠分 NPC（3L-SNPC）结构，如图 2.6（b）所示。3L-SNPC 是由 6 个分配在三边的开关管和两个钳位二极管组成，将中间两个功率开关管的开关频率均衡到了另外连个反串联的功率管上，从而将开关管的频率均衡化。后来，Floricau et al.等又提出了一种可控二叠分中点钳位逆变器（3L-ASNPC），这种拓扑是 3L-SNPC 结构进一步演化来的结果，增加了两个可控开关通过钳位二极管来反并联连接，如图 2.6（c）所示。对此，相关学者又做了深入研究，针对 3L-ASNPC 拓扑结构又做了进一步分析，并提出了相关控制算法。以上几种都是以中点钳位（NPC）为基础的拓扑结构，3L-ASNPC 结构由于额外增加了可控开关管以及二极管，实现了各个开关管开关频率的均衡分配，但额外增加了系统成本，并使得控制难度加大。二极管箝位型三电平逆变拓扑结构的主要思路就是利用两个箝位二极管将直流电源侧分压电容的中点电位引出，从而使每相的电压输出增加一个 0 电平，实现三电平输出。同时，箝位二极管还有一个很重要的作用，就是将直流侧电压平均箝位到各个功率开关管，使每组开关状态下均有两个功率开关管均分直流电压，从而降低每个功率开关管所需承受的电压。因此，每个功率开关管在选取时只用考虑一半的直流电压即可，但在实际应用中这样会存在一个安全隐患，如果控制信号出现故障，容易出现爆管现象。比如，在图 2.1 所示的 NPC 模型中中，在 N 状态本应 Sa3、Sa4均闭合而 Sa1、Sa2均断开，如果控制信号出错或功率管自身问题导致此时 Sa1 误动作开通了，这将使整个直流侧电压都加在了 Sa2上，会导致 Sa2承受过电压而爆管。
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3 三电平逆变器的控制策略.........20
3.1 引言..........20
3.2 三电平无角度运算 SVPWM 策略.........20
3.2.1 三电平无角度运算 SVPWM 在 NPC 型拓扑电路中的工作原理....20
3.2.2 三电平无角度运算 SVPWM 在级联型拓扑电路中的工作原理......26
3.3 逆变系统系统无角度化..........28
3.3.1 直流母线电压控制.......28
3.3.2 参考电流的产生...........30
3.4 本章小结..........32
4 计算机仿真.........33
4.1 三电平无角度运算 SVPWM 在 NPC 型拓扑中的仿真.......33
4.2 基于三电平无角度运算 SVPWM 的级联型逆变器仿真.....38
4.3 本章小结..........41
5 三电平逆变器的硬件设计.........42
5.1 硬件总体设计..........42
5.2 主电路设计......42
5.3 控制器设计......44
5.4 驱动电路设计..........45
5.5 本章小结..........49
7 三电平逆变器在有源电力滤波器中的应用
近几十年来，电力系统中引入了大量的可控和不可控整流器，使电网的电流畸变，严重时近似方波及尖脉冲[57-62]。电力系统的电压、电流发生较为严重的畸变时，很多电力系统问题就无法采用传统的正弦电网理论了，这会给按照传统正弦理论建立的电力系统无法可靠稳定的运行，极大的增加了电网的故障率[53-58]。然而，电力系统有时是十分复杂的，考虑到作为谐波源的电力电子装置本身的工作机理，想完全的消除电力系统中的谐波是不可能的，所以，对电力系统中的谐波源采取有效的滤波方式是十分有必要的。传统无源电力滤波器结构简单、运行和维护容易、吸收特定次谐波的效果十分明显，且可以同时进行无功功率补偿[47-52]。然而，结构本身决定了 PPF 应用过程中存在的必然不足：（1）易谐振，相反使得谐波放大，影响滤波效果。（2）只能滤除特定的谐波分量，使得当存在较多的谐波含量时需要采用多个滤波器，增大了系统成本和体积。（3）滤波性能受电力系统的工作模式、结构及频率波动的影响，可能和预想的滤波效果存在偏差。（4）和电力系统可能发生串联谐振，使电压发生畸变，进而产生额外的谐波电流，影响滤波效果[45-49]。很多学者开始了有源电力滤波器的探究。目前，研究 APF 主要包括三个方面：（1）逆变器拓扑结构（2）逆变器控制策略（3）谐波电流检测。前两点在前面几章中已经做了详细论述，本章重点写谐波电流检测以及整个 APF 系统构成。
7.1 谐波电流检测
APF 的谐波电流检测环节直接决定其谐波电流的补偿效果，根据不同的电能质量治理需求，包括多种检测方式。考虑到目前的实际应用中主要是瞬时无功功率理论检测法，本文着重阐述该方法。其主要思想是根据瞬时功率的波动是系统电压和谐波电流作用的结果来检测谐波电流，以此为基础衍生出了多种谐波电流检测方法，如 p-q 法、ip-iq法等。ip-iq法检测谐波电流不受电网电压畸变的影响，在实际应用中更具优势，因此，这里重点介绍该算法。
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结论
三电平逆变器目前已逐步在实际中应用，作为新型电力电子变换技术，能适应各大容量和耐压的系统，同时能在相同开关频率下降低逆变器的开关损耗和谐波含量。此外，将三电平技术应用到 APF 中，并对谐波电流检测技术进行了一定的研究。对三电平逆变器及其在 APF 中的推广应用具有重大意义。论文主要研究成果总结如下：
（1）研究了两种新型的三电平逆变器拓扑，并将其与典型的 NPC 型拓扑做了对比分析。一方面从减少主电路中的器件考虑，从而降低成本和功率损耗；另一方面从均衡各个开关管的开关频率考虑，提高逆变器整体的最大开关频率以及可靠性。
（2）针对三电平逆变器常规的 SVPWM 的固有缺陷，提出了一种无角度运算的SVPWM（NAC-SVPWM）算法，充分利用三相电压的相位关系，并将其转化为线性比例关系，进而达到简化调制算法的目的。该算法在实际应用中，可大大减低控制器的计算负荷，同时方便向更多电平推广，具有一定的应用价值。
（3）针对无角度运算 SVPWM 算法在 NPC 型和级联型拓扑中的实现，分别搭建了仿真模型，验证了本文所提出的无角度运算 SVPWM 算法的可行性，跟常规调制方法的输出结果基本一致，同时，能与中点平衡冗余控制相结合，降低输出波形的总谐波失真。此外，该算法相比传统 SVPWM 算法而言，避免了三角运算，大大减少了控制器需要的运算时间，使得系统实际运行的时间减少了 1/3 左右，效率明显提高。
（4）介绍了三电平逆变器硬件总体设计方案，主要概括了三电平逆变器的系统构成，并详细分析了三电平逆变器主电路的设计，包括反串引出型和级联型三电平拓扑电路的设计及器件选型。然后介绍的控制器以及驱动电路的设计，并对比了反串引出型三电平逆变器与 NPC 型在驱动电路设计上的区别，反串引出型拓扑可以减少驱动电源的个数，减少系统成本。
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参考文献(略)