1、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 De
2、gree 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 o
3、f TechnologySpecialty：Affiliation：Date of Defence：Degree-Conferring-Institution：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
4、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
5、 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 ，
6、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
7、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 -本 文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 in the field of power electronics. With the fast developing technology of green energ
8、y, 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 power factor and lowharmonic pollution, the study on the three-phase three-level PWM
9、 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-phase PWM rectifier system. After summarizing the power rectifier technique, this
10、 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-phase voltage source VIENNA rectifier are analyzed. In this paper, we study the math
11、ematical 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 theory and the control way of the space-voltage vector PWM (SVPWM) in detail. The form
12、ulas 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 the parameters of the VIENNA rectifier circuit and inductance and capacitance are
13、 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 results show that thismethod is recommendable in designing SVPWM rectifier.- II -哈尔滨工
14、业大学工学硕士学位论文Keywords Mathematical 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 . 31.2.3 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 VIENN
15、A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P WM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(SVPW M)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 . 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
16、. 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
17、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
18、 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
19、 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
20、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(V oltage 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 。 因 此
21、 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
22、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
23、， 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
24、 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
25、的 关 注 ， 并 开 展 了大量研究工作 。 其主要思路就是将P WM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。经过几十年的发展， PWM 整流器技术已日趋成熟。 PWM 整流器主电路已 从 早 期 的 半 控 型 器 件 发 展 到 如 今 的 全 控 型 器 件 ； 其 拓 扑 结 构 已 从 单 相 、 三 相 电 路发展到多项组合及多电平拓扑电路；功率从千瓦级发展到兆瓦级。PWM整 流 器 可 分 为 电 压 源 型 PWM整 流 器 和 电 流 源 型 PWM整 流 器 两 种 ， 与 电 流 源 型 整 流 器 相 比 ， 电 压 源 型 整 流 器 直 流 侧 脉 动 小 ， 输 入 电 流 连 续 而 且 简 便 易 行 ， 因 此 电 压 源 型 PWM整 流 器 成 为 当 今 主 要 研 究 对 象 。 电 压 源 型 PWM整 流- 2 -
