三相三电平VIENNA整流器的研究硕士学位论文.docx
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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：
ClassifiedIndex：
TM461.5
U.D.C.：
621.3
ADissertationfortheMasterDegreeinEngineering
（EquivalentEducationLevel）
THERESEARCHOFTHETHREE-PHASETHREE-LEVELVIENNARECTIFIER
Candidate：
Supervisor：
AcademicDegreeAppliedfor：
LiuPing
Prof.ChenXiyou
TheoryandAdvancedTechnologyof
ElectricalEngineeringElectricalEngineeringHeiheCollegeJune,2006
HarbinInstituteofTechnology
Specialty：
Affiliation：
DateofDefence：
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
Abstract
Eliminatingharmonicpollutionandimprovingpowerfactorofthepowerconverterisanimportantsubjectinthefieldofpowerelectronics.Withthefastdevelopingtechnologyofgreenenergy,anever-enhancedattentionhasbeenfocusedtothePWMrectifierinthefieldofpowerelectronics.Characterizeofpollution-freeandadjustablepowerfactor.
Inrectifierfield，becauseofitsadvantagesofhighpowerfactorandlow
harmonicpollution,thestudyon
thethree-phasethree-levelPWMrectifieris
focusedbymanyresearchers.Soithasanimportantmeaningtostudythe
three-phasethree-levelPWMrectifier.
Thispaperdescribestheresultsofthethree-levelVIENNArectifier-anovelsingle-stagethree-phasePWMrectifiersystem.Aftersummarizingthepowerrectifiertechnique,thisarticlefirstlyanalyzesthedisadvantagesoftherectifiertechniqueandtherequirementsofthepowerrectifierfortheuseofindustry.Thepurposeofthestudyispresented.
Secondly,theprinciplesofthethree-phasevoltagesourceVIENNArectifierareanalyzed.Inthispaper,westudythemathematicalmodelofathree-phasethree-levelVIENNArectifier’scircuit.Themodelsofthethree-phasethree-levelVIENNArectifiersinstaticframeandtwo-phaserotationframeareestablished.
Thirdly,westudythetheoryandthecontrolwayofthespace-voltagevectorPWM（SVPWM）indetail.Theformulasofthedutycyclesofspacevoltagevectorsarepresentedbyestimatingthesectorthroughthemethodofalgebraandgeometry.TheVIENNArectifierismodulatedbyspacevectorPWMalgorithm.TherulestoidentifytheparametersoftheVIENNArectifiercircuitandinductanceandcapacitanceareobtained.
Finally,thecorrectnessandfeasibleoftheoreticalanalysisisverifiedbythethree-phasethree-levelVIENNArectifierofsystemsimulationbasedonMATLABandPSPICEsimulationpackage.Thesimulationresultsshowthatthis
methodisrecommendableindesigningSVPWMrectifier.
-II-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Keywords
Mathematicalmodel;VIENNArectifier;SpaceVectorModulation;
Harmonic;Simulation
-III-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目
录
摘要..............................................................................................................................1
Abstract.......................................................................................................................II
第1章绪论................................................................................................................1
1.1课题研究的背景及意义...................................................................................1
1.2整流技术发展现状...........................................................................................2
1.2.1PWM整流器...............................................................................................2
1.2.2多电平变换技术........................................................................................3
1.2.3VIENNA整流器.........................................................................................4
1.3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................................................7
2.1VIENNA整流器工作原理................................................................................7
2.2ABC三相静止坐标系数学模型的建立............................................................8
2.3dq坐标系数学模型的建立..............................................................................14
2.4整流器的电流控制分析.................................................................................16
2.5本章小结.........................................................................................................17
第3章VIENNA整流器的控制策略......................................................................18
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
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整流器参数设计..........................................................................30
4.1交流侧电感的设计.........................................................................................30
4.1.1满足快速电流跟踪要求的电感设计......................................................31
4.1.2满足谐波要求的设计..............................................................................33
4.2直流侧电容的选择.........................................................................................34
4.2.1负载突减时的电容设计..........................................................................35
4.2.2满足直流电压跟随性指标的电容设计..................................................36
4.3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......................................................................39
5.1仿真电路模型.................................................................................................39
5.2仿真分析.........................................................................................................40
5.2.1电路参数的选择......................................................................................40
5.2.2仿真波形..................................................................................................40
5.3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/T14549-1993），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（VoltageSourceRectifier，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。
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。
1.2.1PWM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（IntelligentPowerModule,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（PulseWidthModulation,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]
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