三相三电平VIENNA整流器的研究硕士学位论文.docx

1、三相三电平VIENNA整流器的研究硕士学位论文工学硕士学位论文(同等学力)三相三电平整流器的研究VIENNA刘平哈尔滨工业大学2006 年 6 月国内图书分类号：TM461.5国际图书分类号：621.3工学硕士学位论文(同等学力)三相三电平整流器的研究VIENNA硕 士 研 究 生：刘平陈希有教授 工学硕士 电工理论与新技术 黑河学院2006 年 6月 哈尔滨工业大学导师：申请学位级别：学 科 、专 业： 所 在 单 位：答 辩 日 期：授予学位单位：Classified Index：TM461.5U.D.C.：621.3A Dissertation for the Master Degree

2、 in Engineering(Equivalent Education Level)THE RESEARCH OF THE THREE-PHASE THREE-LEVEL VIENNA RECTIFIERCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Liu PingProf. Chen XiyouTheory and Advanced Technology ofElectrical Engineering Electrical Engineering Heihe College June,2006Harbin Institute of Te

3、chnologySpecialty：Affiliation：Date of Defence：Degree-Conferring-Institution：本文哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要减少电网谐波污染、提高电力整流装置的功率因数是电力电子研究领域的重要课题。随着绿色能源技术的快速发展，PWM 整流器技术已成为电力 电子技术研究的热点和亮点。因为它可以降低电网污染并实现可调整的功率 因数。在整流器领域，三相三电平 PWM 整流器具有功率因数高、谐波小等优 点，己经成为国内外研究的热点之一，因此对三相三电平 PWM 整流器进行 深入研究具有重要的现实意义。研究了新颖的三相三电平 VIENNA

4、 整流器。首先通过对电力整流技 术的文献综述，分析了当前整流技术存在的不足以及工业应用对电力整流器 的技术要求，进而阐明了本文的研究目的、意义和价值。其次分析了三相三电平 VIENNA 整流器的基本工作原理，对 VIENNA 整流器的数学模型进行了研究，建立了三相三电平 VIENNA 整流器在三相静 止坐标系、两相旋转坐标系下的数学模型。然后将空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的控制方法应用于 VIENNA 整 流器，利用代数和几何方法判断电压扇区，导出了占空比等重要计算公式， 实现了 VIENNA 整流器的空间矢量调制。基于减小谐波和使功率因数等于 1 的原则，设计了 VIENNA 整流器主

5、电路的参数，并给出了网端电感和输出端 电容的设计方法。最后综合运用控制系统仿真软件 MATLAB 和通用电路仿真软件 PSPICE，建立了 VIENNA 整流器的系统仿真模型，对三相三电平 VIENNA 整流器进行了系统仿真，仿真结果表明了理论分析的正确性和可行性。关键词数学模型；VIENNA 整流器；空间矢量调制；谐波分析；仿真- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractEliminating harmonic pollution and improving power factor of the power converter is an important subject i

6、n the field of power electronics. With the fast developing technology of green energy, an ever-enhanced attention has been focused to the PWM rectifier in the field of power electronics. Characterize of pollution-free and adjustable power factor.In rectifier field，because of its advantages of high p

7、ower factor and lowharmonic pollution, the study onthe three-phase three-level PWM rectifier isfocused by many researchers. So it has an important meaning to study thethree-phase three-level PWM rectifier.This paper describes the results of the three-level VIENNA rectifier-a novel single-stage three

8、-phase PWM rectifier system. After summarizing the power rectifier technique, this article firstly analyzes the disadvantages of the rectifier technique and the requirements of the power rectifier for the use of industry. The purpose of the study is presented.Secondly, the principles of the three-ph

9、ase voltage source VIENNA rectifier are analyzed. In this paper, we study the mathematical model of a three-phase three-level VIENNA rectifiers circuit. The models of the three-phase three-level VIENNA rectifiers in static frame and two-phase rotation frame are established.Thirdly, we study the theo

10、ry and the control way of the space-voltage vector PWM (SVPWM) in detail. The formulas of the duty cycles of space voltage vectors are presented by estimating the sector through the method of algebra and geometry. The VIENNA rectifier is modulated by space vector PWM algorithm. The rules to identify

11、 the parameters of the VIENNA rectifier circuit and inductance and capacitance are obtained.Finally, the correctness and feasible of theoretical analysis is verified by the three-phase three-level VIENNA rectifier of system simulation based on MATLAB and PSPICE simulation package. The simulation res

12、ults show that thismethod is recommendable in designing SVPWM rectifier.- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文KeywordsMathematical model; VIENNA rectifier; Space Vector Modulation;Harmonic; Simulation- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要. 1Abstract . II第 1 章 绪论. 11.1 课题研究的背景及意义. 11.2 整流技术发展现状. 21.2.1 PWM整流器 . 21.2.2 多电平变换技术. 3

13、1.2.3 VIENNA整流器 . 41.3 课题研究的主要内容. 5第 2 章 VIENNA整流器的原理和数学模型的建立 . 72.1 VIENNA整流器工作原理 . 72.2 ABC三相静止坐标系数学模型的建立. 82.3 dq坐标系数学模型的建立. 142.4 整流器的电流控制分析. 162.5 本章小结. 17第 3 章 VIENNA整流器的控制策略 . 183.13.23.33.43.5关于PWM整流器控制方法 . 18电压空间矢量SVPWM调制机理 . 19 三电平空间矢量(SVPWM)调制策略 . 22 优化方案的设计. 27 本章小结. 28第 4 章 VIENNA整流器参数设

14、计 . 304.1 交流侧电感的设计. 304.1.1 满足快速电流跟踪要求的电感设计. 314.1.2 满足谐波要求的设计. 334.2 直流侧电容的选择. 344.2.1 负载突减时的电容设计. 354.2.2 满足直流电压跟随性指标的电容设计. 364.3 本章小结. 38- IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 5 章 VIENNA整流器的仿真研究 . 395.1 仿真电路模型. 395.2 仿真分析. 405.2.1 电路参数的选择. 405.2.2 仿真波形. 405.3 本章小结. 43结 论. 44参考文献. 45 攻读学位期间发表的学术论文. 49 哈尔滨工业大学硕士学位

15、论文原创性声明. 50 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书. 50 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理. 50 致谢. 51 个人简历. 52- V -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义在电能变换技术中，电力电子装置发挥着重要作用。电力电子器件决定着整个电力变换装置的性能、成本、质量与体积。但由于这些器件的非线性特性， 在进行电能变换时，必然要引起电压、电流波形的畸变，产生大量谐波。实际 上，电力电子变换装置是电力系统谐波的主要来源。电力系统中谐波的危害可概括为以下几个主要方面1：1)增加电力网发生谐振的可能性，从而造成过电流或过电压，引发事故；2)增加附

16、加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率；3)使电气设备(如旋转电机、电容器、变压器等)运行不正常，加速绝缘老化， 从而缩短其使用寿命；4)使继电保护、自动装置误动作；5)使计量仪器误差增加；6)干扰通信系统，降低信号的传输质量，甚至损坏通信设备。 大多数直流(DC)电源都是通过对交流(AC)电源的整流来获取的。整流器的性能将直接影响到公共电网的质量。目前，大部分电力电子装置所使用的直流 电源是通过不可控整流或相控整流得到的，这些设备在运行中向电网注入大量 的谐波和无功功率，造成了严重的电网污染。由此引起的公用电网谐波污染问 题受到了人们的重视。国际电工委员会(IEC)制定的IEEE555-2

17、标准对用电装置 的功率因数和波形失真度作了具体的限制，欧洲也制定了相应的IEC-1000-3-2 标准。我国于 1993 年由国家技术监督局发布了国家标准电能质量-公用电网 谐波(GB/T 14549-1993)，并于 1994 年 3 月 1 日起正式执行2。为了解决电力电子装置的谐波污染问题，可以装设谐波补偿装置，或者设 计新型的电力电子装置，使其不产生谐波，且功率因数为 1。三相 PWM 电压源 整流器(Voltage Source Rectifier，简称 VSR)与传统的二极管整流器和可控硅整流 器相比，具有交流侧输入电流谐波小、功率因数可调、直流侧电压波动小、能 量可双向流动等特点

18、。因此近年来，无论是其理论研究还是工程应用都受到人 们的广泛关注。本文所研究的VIENNA整流器是在二极管钳位三电平变换器的基础上发展- 1 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文而来的三相三电平整流器，它是整流器家族的一个重要成员3,4。其高功率因数、低谐波的特性可以有效解决电网污染问题。1.2 整流技术发展现状随着现代控制理论、微处理器技术以及现代电子技术的发展，整流器的应用和研究有了突破性进展。1.2.1 PWM 整流器传统相控式低频整流电路采用半控型功率器件作为开关，用相控方式实现 电压调节和换流。这种电路的优点是主电路结构简单，控制比较方便，由于使 用较早，技术成熟，晶闸管价格便宜，因而使

19、用比较广泛。但是，它存在网侧 功率因数不高、导致电网电压波形畸变、调节性能差等不足。随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期 广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到如今性能各异且 类型诸多的全控型功率开关，如双极型晶体管(BJT)、门极关断晶闸管(GTO)、 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、功率场效应晶体管 (MOSFT)以及场控晶闸管(MCT)等。而 20 世纪 90 年代发展起来的智能功率模 块(Intelligent Power Module, IPM)开创了功率半导体开关器件新的发展方向5。 功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发 展，出现了以脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制为基础的各类变流装 置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装 置在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，目前这些变流装置很大一部分 需要整流环节以获得直流电压，而传统的整流环节会造成严重的电网“污染”。 因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展 了大量研究工作。其主要思路就是将PWM技术引入到整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数6