能源和环境问题是当今世界所面临的两大课题。为实现经济又好又快发展,国务院办公厅《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》特别指出要实施工业节能行动计划,严格限制高耗能产业和过剩产业扩张,加快淘汰落后产能,实施十大重点节能工程,“电机系统节能工程”位列其中,它的实施对我国达成节能减排的目标有着至关重要的意义,这将极大促进高压电机及其控制系统的发展,高压大功率变频技术必将得到更广泛的应用。针对传统多电平中高压变频器拓扑输入端带有庞大笨重昂贵的工频移相隔离变压器的问题,研究采用新型级联整流级和高频隔离DC/DC变换器构造新一代中高压变频器的关键技术问题。结合在大量实际工业应用场合中,中高压变频器只需要实现能量的单向流动的应用背景,统筹兼顾级联式多电平变换器的优势,并以降低功率管数量及电压应力、简化控制、提高可靠性等为出发点,本文对高频隔离的能量单方向传输的新一代中高压变频器所涉及的基础理论和关键技术进行深入研究,特别研究新一代高频隔离式中高压变频器的整流级。受三相线电压级联变换器的构成思路启发,提出基于三相VIENNA整流电路作为级联子模块的三相线电压级联VIENNA整流器拓扑,对此拓扑的电路特性、等效开关电路模型、功率因数校正、PWM调制、直流侧母线电压的工作范围及直流侧电压整体及均衡控制等方面开展深入研究。分析三相线电压级联 VIENNA 整流器(Triple Line-Voltage Cascaded VIENNA Converter,简称LVC-VC)拓扑特点、工作原理,及其在级联单元负载均衡与不均衡情况下的运行特性:交流侧桥臂电流、电压的矢量关系等。讨论交流侧电流正弦化工作的开关管调制约束条件;结合三相电源线电流集成控制思想,从LVC-VC整体电路外特性出发,建立该拓扑在负载平衡下及负载不平衡下的等效平均开关电路模型,为后续开展功率因数校正及直流侧输出电压控制研究打下基础;并探讨了 LVC-VC向更高级数级联的拓展方式及其交流侧电压、电流的矢量关系。研究满足LVC-VC单位功率因数运行的PWM调制策略,证明了基于单周期级联控制的LVC-VC功率因数校正的可行性,并推导了其控制策略的核心公式,控制此核心公式里的两组调制比自由度变量,提高了 LVC-VC直流母线电压利用率,降低了开关管的电压应力。定量分析了基于单周期控制载波调制的LVC-VC相桥臂电压的谐波成分,设计LVC-VC基于载波移相的单周期控制功率因数校正策略及其控制器,保证LVC-VC单位功率因数运行同时有效降低了 LVC-VC桥臂电压的谐波成分。LVC-VC直流侧输出电压控制目标有:1)直流侧输出电压整体稳定可控;2)三个级联单元输出电压基本均衡。解析LVC-VC直流侧输出电压和各开关管调制比及负载大小的数学关系式,计算出直流侧电容电压的最小平均值及二次基波成分的最大值,为功率开关管的选型提供理论依据。针对LVC-VC直流侧输出电压的稳定控制,推导LVC-VC负载平衡下的整体外特性的等效三相VIENNA电路模型,推导相应的小信号交流方程,由此设计直流电压控制器实现直流电压的稳定可控输出。分析零序电流注入对级联单元功率传输及直流侧电压的影响机理,通过注入零序电流调节各级联单元的有功功率传输,实现级联单元直流侧电容电压的均衡稳定控制。设计了 LVC-VC的整体控制系统,包含三层控制策略:基于载波移相单周期级联控制的功率因数校正PWM调制,整体直流电压控制、级联单元直流电压平衡控制,控制系统控制效果好,且具有硬件需求量少、运算量小、控制结构简单等特点。搭建了 LVC-VC小功率样机试验平台,分别对传输功率均衡和不均衡两种情况下的单周期级联控制及直流电压控制策略进行了实验研究,实验结果表明,本文所提出针对LVC-VC拓扑的等效开关电路模型及其控制策略,有效实现变换器的单位功率因数及直流输出电压稳定控制运行。综上所述,LVC-VC可作为新一代中高压大功率变频器的整流级,所需开关管及直流电容个数少,直流侧输出电压低,降低了系统的成本。