三相三电平VIENNA整流器的研究硕士学位论文.doc

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 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 TechnologySpecialty：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 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 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 power 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-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-phase 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 theory 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 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 results 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. 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 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/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。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。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 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文器的控制思路是：保证直流侧输出电压恒定情况下，使交流侧输入电流尽可能与电网电压同相位，从而达到提高功率因数和消除谐波的目的7。 根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的 PWM 整流器，即可逆 PWM 整流器和不可逆 PWM 整流器。本论文研究的 VIENNA 整流器是能 量只能单向流动的不可逆 PWM 整流器。近年来，随着电工领域各种技术的全面发展，人们对电力电子装置的高压、 大功率和高频化的要求越来越强烈，人们希望电力电子装置能够处理越来越高 的电压等级和容量等级。多电平变换器也就是在这种背景下成为高压大功率变 换研究的热点。1.2.2 多电平变换技术一般认为，现在统称的多电平变换器的概念最早是由日本长冈科技大学 A.Nabae等人提出的8。其基本原理是将多个直流电平合成阶梯波，更加接近正 弦输出电压。一般来说，电平数越多，输出电压波形越逼近正弦波，波形的谐 波含量越少。1983 年，Bhagwat等人在此基础上，将三电平电路推广到任意n电 平9，对NPC(Neutral Point Clamped)中性点箝位电路及其统一结构作了进一步的 研究。这些工作为高压大功率变换器的研究提供了一条崭新的思路。实际电路 中电平数超过三时会遇到许多困难，其硬件电路过于复杂，控制算法也较繁， 故实际的电路多以三电平变换为主。多电平变换器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下 突出优点6；1)每个功率器件仅承受 1/(n-1)的母线电压(n 为电平数)，所以可以用低耐压 器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；2)电平数的增加，改善了网侧电压波形，减小了输入电压波形畸变(TotalHarmonic Distortion, THD)；3)可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输入电 压波形，因而开关损耗小，效率高；4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器 其 du/dt 应力要低，同时改善了装置的电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI) 特性。从目前所报道的各种多电平变换器主电路拓扑结构来看，主要可归结为四 种基本的拓扑结构： 1) 二极管钳位型 (Diode-clamp) ； 2) 飞跨电容型 - 3 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(Flying-capacitor)；3)具有独立直流电源的级联逆变器型(Cascaded-inverters withSeparate DC Sources)；4)混合的级联型多电平变换器10。1.2.3 VIENNA 整流器在多电平变换器基本拓扑结构的基础上，许多改进的电路拓扑被提出。VIENNA 整流器就是对二极管钳位型三电平整流器的一种改进和发展。 在三相整流器中，多采用三电平PWM整流器来减少谐波，但从国内的一些文献11,12来看，大多采用的是二极管钳位型三电平PWM整流电路，如图 1-1 所 示。图 1-1 三相三电平电压型 VSR 主电路图Fig.1-1 Main circuit of three-phase three-level voltage VSR二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制 方便。但电路有以下一些不足之处：1)需要大量钳位二极管；2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致；3)存在直流分压电容电压不平衡问题；4)其开关器件较多，开关损耗大，控制复杂。 本文所研究的VIENNA整流器是在二极管钳位型三电平整流器基础上用一双向开关电路来完成钳位功能，如图 1-2 所示。经分析其数学模型和二极管钳- 4 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文位型三电平整流器是等效的，而VIENNA整流器的可控器件减为三个，大大降低了开关损耗，同时也可降低整流器的成本1315。 与二极管钳位三电平整流器比较，VIENNA 整流器有如下特点： 优点：1)在相同的电平数下，开关器件由 12 个减小为 3 个；因而开关损耗小，效率高；2)电路得到简化、可靠性更高；3)简化了控制环节，降低成本和体积。 缺点：1)能量只能单向传递；2)同样需要大量的二极管；3)存在直流分压电容电压不平衡问题。图 1-2 VIENNA 整流器主电路Fig.1-2 Main circuit of the VIENNA rectifier1.3 课题研究的主要内容本文对 VIENNA 整流器的主电路进行了设计和仿真，从电路的结构和器件参数方面，给出了设计参考。首先，分析了 VIENNA 整流器的工作原理，利用 d-q 变换建立了 VIENNA 整流器的数学模型。其次，研究了空间矢量调制原理 在 VIENNA 整流器中的应用，在此基础上编制了仿真程序。再次，从电路模型 入手，本着使功率因数为一和减小谐波的原则，给出了电感和电容的设计方法。 最后，通过设计的 VIENNA 整流器仿真电路模型，检验了理论分析的正确性， 为进一步深入分析奠定了基础。- 5 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文本文结构如下：第一章为绪论部分，介绍了近年来国内外关于 PWM 整流器研究现状及课 题研究的背景和意义。第二章分析了 VIENNA 整流器的工作原理和电路的数学模型。 第三章研究了 SVPWM 控制策略，推导了 VIENNA 整流器的相应控制方程。 第四章讨论了 VIENNA 整流器的谐波、功率因数和电感、电容的关系，提出了电路参数设计方法。第五章首先在 PSPICE 环境下搭建了仿真电路模型，用 MATLAB 编制了控 制程序，并把控制数据输出给 PSPICE，最后进行了仿真验证。- 6 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章 VIENNA 整流器的原理和数学模型的建立2.1 VIENNA 整流器工作原理在VIENNA整流器的主电路(图 1-2)中交流侧的 LS 为等值电感，用于抑制高次谐波和平衡桥臂终端电压和电网电压的作用； RS 为等值电阻，通常情况下较小，可以忽略不计；C1，C2为滤波电容，为高次谐波电流提供低阻抗通路，减少直流电压纹波，同时还有平衡中点电位的作用。每相有一个由全控开关器件 (分别是SA, SB, SC)和四个二极管组成的双向开关，如图 2-1 所示，每只开关将承 担直流侧电压的一半。图2-1 VIENNA整流器的双向开关Fig.2-1 Bidirectional switches of the VIENNA rectifier下面介绍VIENNA整流器的工作原理： 设三相输入电压为ua = U m cos(t)ub = U m cos(t 2 / 3)(2-1)uc = U m cos(t + 2 / 3)三相电压波形如图 2-2 所示。以 0 t / 6 为例，说明三相电压在整流状态时的工作情况。在这个区间A 相的输入电压始终为正，B、C 相的输入电压始终为负。设开关管导通时为 1， 关断时为 0。则三相开关有 23 = 8 种状态，分别如下：状态 0(0,0,0)：开关管 Sa ， Sb ， Sc 关断，电压 uAO = udc /2 ， uBO = udc /2 ,uCO = udc /2 正向电流对电容C1及C2充电。状态 1(0,0,1)：开关管 Sa ， Sb 关断 Sc 开通，电压uAO = udc /2 ，uBO = udc /2 ,uCO =0 正向电流对电容C1充电，C2通过直流侧负载放电。- 7 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 2-2 输入电压波形Fig.2-2 Input voltage waveforms状态 2(0,1,0)：开关管 Sa ， Sc 关断， Sb 开通，电压 uAO = udc /2 ， uBO =0，uCO = udc /2 ，正向电流对电容C1充电，C2通过直流侧负载放电。状态 3(0,1,1)：开关管 Sa 关断，Sb ，Sc 开通，电压uAO = udc /2 ，uBO =0， uCO =0，正向电流对电容C1充电，C2通过直流侧负载放电。状态 4(1,0,0)：开关管 Sa 开通， Sb ， Sc 关断，电压uAO =0， uBO = udc /2 ，uCO = udc /2 ，C1通过直流侧负载放电，正向电流对电容C2充电。状态 5(1,0,1)：开关管 Sa 开通, Sb 关断，Sc开通，电压uAO =0，uBO = udc /2 ，uCO =0，C1通过直流侧负载放电，正向电流对电容C2充电。状态 6(1,1,0)：开关管 Sa ，Sb 开通，Sc 关断，电压uAO =0，uBO =0，uCO = udc /2 ，C1通过直流侧负载放电，正向电流对电容C2充电。状态 7(1,1,1)：开关管 Sa ， Sb ， Sc 开通，电压uAO =0，uBO =0，uCO =0，C1，C2通过直流侧负载放电。由上面可推知线电压uAB 可产生四个电平： udc ， udc /2 ， udc /2 ，0，其绝 对值是三个，组成了三电平。uBC ，uCA 也由三电平组成。用这三个电平合成的 阶梯波，接近正弦输出电压。其它扇区可仿照上面推得。建立研究对象的数学模型，是深入研究和分析对象的工作机理、特性，以及提高系统控制性能的基础和必要手段。2.2 ABC 三相静止坐标系数学模型的建立基于能量守恒的 PWM 整流器的低频数学模型，反映的是整流器中的各个物理量，如输入电压、电流和输出电压、电流等之间的物理关系，本质上是一- 8 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文种忽略高次谐波的状态平均模型，适于作系统级的分析和设计。而基于开关函数的整流器高频数学模型，在基本不做简化设计基础上考虑了开关过程引入的 高次谐波，是对实际的 PWM 调制过程的更为精确的描述。如图 2-3 所示，为方便，开关函数Sij可分为三类Sap，Sao，San；Sbp，Sbo，Sbn；Scp，Sco，Scn。图 2-3 VIENNA 整流器的开关函数等效电路图Fig.2-3 The equivalent circuit of switching function定义开关函数如下1i与j连通( i = a, b, c ； j = p, o, n )Sij = 0(2-2)其它另设 A、B、C 三点的等效开关函数为 Sa，Sb，Sc 1i与p连通i与o连通i与n连通(2-3)Si = 01对输入端有等效电路，如图 2-4 所示。- 9 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 2-4 VIENNA 整流器输入端等效电路图Fig.2-