摘 要

Vienna整流器是一种流行的三相PFC变换器拓扑。论文主要研究了三相三线制Vienna整流器工作原理、建立数学模型、选择设计主电路电感电容参数和功率器件、完成系统损耗分析和计算、采用了空间矢量调制控制策略和电容均压策略。

本文借助MATLAB/Simulink对基于空间矢量调制的三相三线制Vienna整流器进行了仿真，通过对传统SVPWM和基于两电平空间矢量等效的SVPWM两种仿真结果进行对比，得出两种空间矢量调制方式均能实现减小输入电流谐波、稳定输出电压以及平衡中点电压的功能，但相对前者，后者却更为简洁和实用。

仿真结果表明：三相输入电流输入谐波含量少、输出电压稳定且中点电位波动小，说明对三相三线制Vienna整流器建立的abc静止坐标系和d-q坐标系下的数学模型具有准确度高、实用性强的特点，所采用的空间矢量调制控制策略具有优良的控制性能。

关键词：PFC整流器；Vienna整流器；数学模型；SVPWM

Abstract

Vienna rectifier is a popular topology for three-phase PFC converter. Thesis mainly studied the working principle of the three-phase three-wire Vienna rectifier, the establishment of the mathematical model, the parameter design of main circuit inductance, capacitance and power devices, complete the analysis and calculations of the system losses, using the space vector modulation control strategy and capacitance voltage-sharing strategy.

With the help of MATLAB/Simulink, digital simulation of the three-phase three-wire Vienna rectifier has been finished based on the space vector modulation strategy, then the two kinds of simulation results are compared by the traditional SVPWM and the SVPWM based on the equivalence of two-level space vector, and it is concluded that two kinds of space vector modulation method can reduce the input current harmonics, achieve stable output voltage and balance the midpoint voltage, but the latter is more concise and practical relating to the former.

The simulation results show that: the three-phase input current has less harmonic, stable output voltage and a small fluctuation of the midpoint potential, which indicating that the mathematical model of the three-phase three-wire Vienna rectifier established by the ABC static coordinate system and d-q coordinate system having features of accuracy and practical, the control strategy of space vector modulation has excellent control performance.

Key Words： PFC rectifier；Vienna rectifier；mathematical model；SVPWM

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究的背景、目的和意义 1

1.1.1 本课题研究背景 1

1.1.2 本课题研究的目的和意义 1

1.2 三相PFC整流器研究现状 2

1.2.1 三相PFC整流器拓扑结构及研究现状 2

1.2.2 三相PFC整流器数学建模及研究现状 6

1.2.3 三相PFC整流器控制策略及研究现状 7

1.3 本课题研究的主要内容 10

第2章 Vienna整流器工作原理及数学模型 11

2.1 Vienna整流器工作原理 11

2.1.1 Vienna整流器主电路 11

2.1.2 Vienna整流器工作过程 12

2.2 三相Vienna整流器的数学模型 14

2.2.1 abc静止坐标系下数学模型 14

2.2.2 d-q坐标系下数学模型 18

2.3本章小结 21

第3章 Vienna整流器主电路参数设计及损耗计算 22

3.1 Vienna整流器主电路参数设计 22

3.1.1 Vienna整流器主电路设计技术指标 22

3.1.2 输入电感设计 22

3.1.3 输出电容设计 25

3.1.4 功率开关管选择 26

3.1.5 功率二极管选择 27

3.2 Vienna整流器的损耗计算 28

3.2.1 功率开关管损耗分析和计算 28

3.2.2 功率二极管损耗分析和计算 31

3.3本章小结 32

第4章 Vienna整流器的控制器设计 33

4.1 基于d-q轴的解耦控制器设计 33

4.2 电流内环PI控制参数设计 35

4.3 电压外环PI控制参数设计 36

4.4 本章小结 38

第5章 Vienna整流器空间矢量脉宽调制 39

5.1 Vienna整流器电压空间矢量 39

5.2 Vienna整流器的传统SVPWM算法 44

5.2.1 参考矢量的位置与扇区判断 44

5.2.2 输出矢量的确定 46

5.2.3 矢量作用时间计算 47

5.2.4空间电压矢量作用顺序 49

5.3 Vienna整流器的简化SVPWM算法 52

5.3.1 两电平和三电平电压空间矢量的等效 52

5.3.2 基于两电平空间矢量等效的SVPWM算法 55

5.4 Vienna整流器电容均压策略 58

5.5 本章小结 59

第6章 Vienna整流器仿真验证 60

6.1 仿真模型建立 60

6.2 仿真结果和分析 62

6.2.1 稳态仿真 62

6.2.2 动态仿真 66

6.3本章小结 68

第7章 总结与展望 69

7.1 总结 69

7.2 展望 69

参考文献 70

附录A 75

致 谢 78

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景、目的和意义

1.1.1 本课题研究背景

通过三相交流电源给大功率用电场合供电的电力电子装置一般包含两个阶段：先把交流电整流为直流电，再采用隔离或非隔离的直流/直流变换器转换成负载所需的电压。而减少输入电流谐波含量和提高负载输入功率因素是各种电力电子装置特别是整流装置应用时存在的主要问题^[1]。从应用角度来看，经典的二极管或晶闸管整流器等谐波源已经很难满足现行总谐波电流畸变率和功率因素的公用电网标准。

解决整流电路的谐波含量大和功率因素低的问题有下列两种办法：一种是在整流电路中增加电感、电容等无源元件或有源滤波器等装置来抑制电路中的电流脉冲，降低电流谐波含量；另一种是采用功率因素校正技术（Power Factor Correction，PFC）对输入电流的波形进行控制，使其正弦且与电源电压同相 ^[2]。值得提到的是，单相功率因素校正电路因其结构简单、可靠性高而广泛应用，然而三相功率因素校正电路结构和控制复杂、成本高，因此三相功率因素校正技术目前仍是研究的热点之一^[3]。