摘 要

在科学技术日益发达的现代社会，人类生活得方方面面都离不开电能，整流器是把交流电转换成直流电的装置，由于现代社会中，电网供电是交流电，而所有的用电设备都使用直流电，所以整流装置在电能的应用中必不可少，对整流装置的研究自然也就是现今的热门。虽然整流装置在电能的利用中有必不可少的作用，但是使用它也给电网电压的质量和电能的利用率造成不小的影响，与现今提倡的节能减排理念不相符，所以在整流装置的研究中，如何减小或消除其对电网电压的质量及电能的利用率的负面影响成为时下的热门研究课题。科学家通过最近几十年对整流装置的深入研究，设计出基于PWM控制的整流器，PWM整流器相较于晶闸管相控整流电路和二极管整流电路，它使得输入电流正弦化、输入电流与电压同相位，功率因数近似为1、电流的谐波含量低，因此它在现在的电力电子装置中得到广泛的应用。

三相三线制VIENNA整流器是三电平整流装置，相比传统的三相半桥两电平整流器，它具有全控开关数量少、无需考虑死区时间和应用场合更广等特点。它的开关管之间不存在死区时间，可以工作于高开关频率下。因此，三相VIENNA拓扑整流器前端无源滤波元件小，功率密度高，目前得到了广泛的应用。

本文研究对象是10kW三相三线制VIENNA整流器，文中首先介绍了课题的研究目的及意义，简单叙述了VIENNA整流器在全球的的研究现状，以及它的一些优点，并对功率因数做了简单介绍；然后分析三相VIENNA电路的工作原理，运用等效原理，建立三相VIENNA电路的数学模型，由于在三相静止坐标系下，电路是强耦合非线性系统，控制复杂，我们通过坐标变换建立了两相同步旋转坐标系下三相 VIENNA 整流器的数学模型，计算出后续部分需要的参数；紧接着，在数学模型的基础上，设计出电压外环和电流内环的双环PI控制系统，此即为VIENNA整流器的控制器设计，根据公式计算PI参数；接下来通过分析比较SPWM调制与SVPWM调制方式，给出VIENNA整流器的矢量调制方式，考虑到在实际运用中，直流侧两电容中点点位不平衡的问题，提出电容中点电位平衡策略；最后根据本次论文的设计要求，前面章节计算所得到的参数，在MATLAB平台上建立仿真系统，并成功运行，得到各项仿真数据，得到本次论文研究与设计的成果。

关键字：三相三线制；VIENNA；SVPWM；数字控制；双环PI控制；中点电位平衡

Abstract

Science and technology are increasingly developed in modern society，The life of human is inseparable from all aspects of electricity. The rectifier is a device that converts alternating current into direct current, it device in the application of energy is essential, the study of rectifier is naturally hot today. Although the rectifier device in the use of energy has an essential role, use it will give the grid voltage quality and energy utilization caused by adverse effects, which is advocated by the concept of energy-saving emission reduction does not match. Therefore, in the study of rectifier, how to reduce or eliminate its negative impact on the quality of the grid voltage and the utilization of electricity has become a hot research topic nowadays. Scientists through the last few decades on the rectifier device in-depth study, designed based on PWM control rectifier. PWM rectifier compared to the thyristor phase-controlled rectifier circuit and the diode rectifier circuit, which makes the input current sinusoidal, the input current and voltage in phase, the power factor is approximately 1, the current harmonic content is low, so it is in the current power electronics In a wide range of applications.

Three-phase three-wire VIENNA rectifier is a three-level rectifier device, compared to the traditional three-phase half-bridge two-level rectifier, it has a small number of full control switch, no need to consider dead time and wider applications and so on. It does not exist dead time between the switchs,and it can work at high switching frequency. Therefore, the three-phase VIENNA topology rectifier`s front-end passive filter components small,and it has high power density,so it has been widely used in society.

This study object is 10kW three-phase three-wire system VIENNA rectifier. First of all, the paper introduces the purpose and significance of the research, and has a brief introduction to the power factor. Then analyze the working principle of three-phase VIENNA circuit, using the equivalent principle, the mathematical model of the three - phase VIENNA circuit is established. Because in the three-phase stationary coordinate system, the circuit is strongly coupled nonlinear system, the control is complex. We establish the mathematical model of the three-phase VIENNA rectifier in the two-phase synchronous rotating coordinate system by coordinate transformation and calculate the parameters required for subsequent parts. Then, on the basis of the mathematical model, the design of the voltage outer ring and the inner loop of the double ring PI control system,and calculate PI parameters. Next, the vector modulation method of VIENNA rectifier is given, and the capacitor midpoint potential balance strategy is proposed. Finally, the simulation system is established on the MATLAB platform, and the simulation data are obtained.

Keywords: Three-phase three-wire ; VIENNA ;SVPWM ; Digital controlling ; Double loop PI control ; Midpoint potential balance ; Neutral-point voltage level balance

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2 VIENNA整流器的研究现状 2

1.3功率因数 2

1.4本文主要的研究工作 3

第二章VIENNA整流器的建模 5

2.1 VIENNA整流器的工作原理 5

2.1.1单相VIENNA整流器的工作原理 5

2.1.2三相VIENNA整流器的工作原理 6

2.2三相VIENNA整流器的数学建模 9

2.3参数计算 14

2.3.1交流侧电感的设计 14

2.3.2直流侧电容的设计 14

2.4本章小结 15

第三章 三相VIENNA整流器的控制 16

3.1电流内环控制设计 16

3.2电压外环控制设计 18

3.3本章小结 19

第四章 三相VIENNA整流器的空间矢量调制方式 20

4.1三相三线制的VIENNA拓扑的SVPWM控制 20

4.2 VIENNA整流器的空间矢量调制方式 21

4.3中点电压平衡控制策略 22

4.4本章小结 23

第五章 仿真结果 24

5.1仿真模型的搭建 24

5.2仿真结果 25

5.3本章小结 30

总结与展望 31

致谢 32

参考文献 33

第1章 绪论

1.1课题研究目的及意义

随着科学文化的发展与人类社会的进步我们每一个人生活的点点滴滴都与电力能源紧密相连。现在的电网能源急需要充分的应用与发展，这就需要电力电子技术在其中的应用，以此来实现人类社会中各个场景的电能需求。在21世纪人类大步向前迈进的这个新纪元中，电力电子技术作为一门综合性学科，结合了控制理论、电气工程科学与电子科学等学科领域，它对环境的保护与提高能源利用率等各个方面一定会有巨大的贡献。

由于现代社会中，电网供电是交流电，而所有的用电设备都使用直流电，人类的实际生活中必须将此交流电转换为直流电，这就得整流电路施展作用，所以它在电能的应用中必不可少。在电能转换中，整流器的性能对公共电网的质量有严重的影响和干扰。目前，整流电路都是简单地由整流二极管或晶闸管组成，即我们生活所使用的直流电源大都是由不可控整流或相控整流所获得的，不可控整流或相控整流设备在运行时候向电网注入大量的谐波和无功功率，其网侧的输入电流畸变较严重，对电网造成了严重的负面影响，而谐波电流在线路阻抗中产生的谐波压降又作用与电网，电压波形也就发生畸变，进而产生“二次效应”，电网的这些谐波污染问题不可忽视，都受到人们的重视。为了解决电网的谐波污染问题，制定对应的方法，研究发现在系统中增设谐波补偿装置，或者设计出新一代的电力电子装置，使其不产生或者少产生谐波，且功率因数近似为1。

目前,电力电子技术正在迅猛成长，我们对电力电子装置也有更多的要求，性能好、效率高、体积小、功率密度高都是对其的基本要求。在电能的转换技术中，电力电子装置发挥着不可取代的作用。但这些装置所具有的非线性特点，在进行电能转换时，一定会引起电流、电压波形的畸变，进而出现谐波。事实上，这些装置已经给电力系统造成严重的影响，谐波大多来源与此。
对于谐波的风险，有以下几点：
1)电力网更容易发生谐振，从而使得电压、电流超过许可值，导致各种事故发生；