三相三电平VIENNA整流器的仿真分析
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3. 仿真结果
仿真环境：Pspice9.2，控制程序由 Matlab 编制，本实验参数的选择首先保证使功率因 数接近一，兼顾减小谐波大小。选择调制频率为 6kHz，输入相电压幅值 200V，输出直流电
压 432V，L=3mH，C=0.895mF，R=60 Ω ，调制比为 0.7。
200V
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状态 7(1,1,1) 流侧负载放电。
开关管 Sa,Sb,Sc 开通，电压 vAO =0， vBO =0, vCO =0，C1, C2 通过直
由上面可推知线电压 vAB 可产生四个电平： vd ， vd /2，－ vd /2，0，其绝对值是三个，
组成了三电平。 vBC ， vCA 也由三电平组成。
其它扇区可仿照上面推得。在此基础上我们就可用三电平合成阶梯波，得到接近正弦的 网端电压。
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图 8 VIENNA 整流器 A 相相电压整流前波形
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V(L1:2,C1:1)
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图 9 VIENNA 整流器 A 相到中点的电压波形
状态 3(0,1,1) 开关管 Sa 关断, Sb,Sc 开通，电压 vAO = vd /2， vBO =0, vCO =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 vAO =0， vBO =－ vd /2, vCO =－
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图 5 VIENNA 整流器三相相电流波形
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图 6 VIENNA 整流器 A 相电感两端电压波形
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[5] Tero Viitanen, Heikki Tuusa. A Steady-State Power Loss Consideration of the 50kW VIENNA I and
PWM Full-Bridge Three-phase Rectifiers[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference. 2002,2:915-920.
http://www.paper.edu.cn
三相三电平 VIENNA 整流器的仿真分析
刘平 陈希有
哈尔滨工业大学电气工程系 150001
E-mail（hhliuping@163.com）
摘 要： 该文分析了新颖的三相三电平 VIENNA 整流器的基本原理，在 MATLAB 语言和
Pspice 仿真环境下建立了仿真模型，对三电平 VIENNA 整流器进行了系统仿真。
从能量变换的角度看，控制交流侧电流就可以有效控制变换器交、直流侧能量的变换过 程。根据是否检测整流器的输入电流并将电流信号作为反馈量进行控制，PWM 整流器的控制 策略可分为电流闭环的直接电流控制和电流开环的间接电流控制两大类。本文采用了开环空 间矢量调制法（SVPWM）控制电流[4][5]。
3
http://www.paper.edu.cn
Electronics. 2003, 18(4):952-957.
[2] Chongming Qiao, Keyue M. Smedley .Three-phase Unity-Power-Factor VIENNA Rectifier with Unified
Constant-frequency Integration Control[C].IEEE CIEP.2000(10):125-130.
4. 结论
本文分析了VIENNA整流器的工作原理，在Matlab语言和Pspice仿真环境下建立了仿真模 型，对三电平VIENNA整流器进行了系统仿真，仿真结果显示VIENNA整流器具有功率因数接近 一，谐波可控制，输出直流电压可调等特点。从工程上看，其电路控制简单、开关器件少、 低成本、低损耗。
参考文献
-100V
-200V
60ms
65ms
V(L2:1) V(Vc:+)
70ms V(Va:+)
75ms
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图 4 VIENNA 整流器三相相电压波形
20A
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-20A 60ms I(L3)
65ms I(L2)
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vd /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 vAO =0， vBO =－ vd /2,
vCO =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 vAO =0， vBO =0, vCO =－ vd /2， C1 通过直流侧负载放电，正向电流对电容 C2 充电。
Simulation on three-phase-level-switch VIENNA rectifier
Liu Ping ，Chen Xi-you
（Department of Electrical Engineering; Harbin Institute of Technology; Harbin 150001; Heilongjiang Province; China） Abstract
关键词：VIENNA 整流器；SVPWM；仿真。
中图分类号:TN86
1. 引言
文献标识码:A
在三相整流器中，多采用三电平PWM整流器来减少谐波。而且大多采用的是二极管钳位 形的三电平PWM整流电路。
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。 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（图1）。是把钳位 二极管换成了等效开关，经分析其等效电路，它和二极管钳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 。 [1][2][3] 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。
Thes paper discusses the principle of the three-phase Voltage Source VIENNA Rectifier.The correctness of theoretical analysis is verified by the Three-level VIENNA rectifier and Unit power factor results of system simulation based on MATLAB and Pspice environment. Keywords VIENNA rectifier，SVPWM；Simulation .
2. 工作原理
VIENNA 整流器的主电路结构如图 1 所示，其中交流侧的 L 为等值电感，起到传递能量、 抑制高次谐波和平衡桥臂终端电压和电网电压的作用；R 为等值电阻，通常情况下较小，可
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http://www.paper.edu.cn
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 所示，每只开关将承担直流侧电压的一半。
[1] Chongming Qiao, Keyue Ma Smedley.Three-Phase Unity-Power-Factor Star-Connected Switch
(VIENNA) Rectifier With Unified Constant-Frequency Integration Control[J]. IEEE Trans on Power
[4] Tero Viitanen, Heikki Tuusa. Space Vector and Control of a Unidirectional Three-Phase/Leve/Switch
VIENNA I Rectifier with LCL-type AC filter[C]. IEEE. 2003:1063-1068.
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V(L1:2,D10:2)
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图 7 VIENNA 整流器 AB 相线电压波形
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图 1 VIENNA 整流器主电路
图 2 VIENNA整流器的双向开关
设三相输入电压为
⎧⎪⎨vvba
= =
Em Em
cos(ωt) cos(ωt −
2π
/
3)
⎪⎩vc = Em cos(ωt + 2π / 3)
图 3 输入电压波形
三相电压波形如图 3。以 0 ≤ ωt ≤ π / 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 相的输入电压为正，B、C 相的输入电压为负。设电容两端电压为 vd ，开关管
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V(D11:2,C1:1)
70ms V(R1:1,C1:1)
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图 10 VIENNA 整流器电容两端电压波形
测得电流谐波为 9.3%,功率因数是 0.998。可见，VIENNA 整流器的功率因数接近一。
导通为时为 1，关断时为 0。则三相开关有 23 = 8 种状态，分别如下：
2
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状态 0(0,0,0) 开关管 Sa, Sb,Sc 关断，电压 vAO = vd /2，vBO =－ vd /2, vCO =－ vd /2 正向电流对电容 C1 及 C2 充电。
5
http://www.paper.edu.cn
[3] Johann W. Kolar, Uwe Drofenik, Franz C. Zach. VIENNA Rectifier II—A Novel Single-Stage
High-Frequency Isolated Three-Phase PWM Rectifier System[J]. IEEE Trans ON Industrial Electronics.1999,46(4):674-691.
状态 1(0,0,1) 开关管 Sa, Sb,关断 Sc 开通，电压 vAO = vd /2， vBO =－ vd /2, vCO =0 正向电流对电容 C1 充电，C2 通过直流侧负载放电。
状态 2(0,1,0) 开关管 Sa,Sc 关断, Sb 开通，电压 vAO = vd /2，vBO =0, vCO =－ vd /2， 正向电流对电容 C1 充电，C2 通过直流侧负载放电。
3. 仿真结果
仿真环境：Pspice9.2，控制程序由 Matlab 编制，本实验参数的选择首先保证使功率因 数接近一，兼顾减小谐波大小。选择调制频率为 6kHz，输入相电压幅值 200V，输出直流电
压 432V，L=3mH，C=0.895mF，R=60 Ω ，调制比为 0.7。
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状态 7(1,1,1) 流侧负载放电。
开关管 Sa,Sb,Sc 开通，电压 vAO =0， vBO =0, vCO =0，C1, C2 通过直
由上面可推知线电压 vAB 可产生四个电平： vd ， vd /2，－ vd /2，0，其绝对值是三个，
组成了三电平。 vBC ， vCA 也由三电平组成。
其它扇区可仿照上面推得。在此基础上我们就可用三电平合成阶梯波，得到接近正弦的 网端电压。
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图 8 VIENNA 整流器 A 相相电压整流前波形
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图 9 VIENNA 整流器 A 相到中点的电压波形
状态 3(0,1,1) 开关管 Sa 关断, Sb,Sc 开通，电压 vAO = vd /2， vBO =0, vCO =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 vAO =0， vBO =－ vd /2, vCO =－
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图 5 VIENNA 整流器三相相电流波形
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图 6 VIENNA 整流器 A 相电感两端电压波形
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[5] Tero Viitanen, Heikki Tuusa. A Steady-State Power Loss Consideration of the 50kW VIENNA I and
PWM Full-Bridge Three-phase Rectifiers[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference. 2002,2:915-920.
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三相三电平 VIENNA 整流器的仿真分析
刘平 陈希有
哈尔滨工业大学电气工程系 150001
E-mail（hhliuping@163.com）
摘 要： 该文分析了新颖的三相三电平 VIENNA 整流器的基本原理，在 MATLAB 语言和
Pspice 仿真环境下建立了仿真模型，对三电平 VIENNA 整流器进行了系统仿真。
从能量变换的角度看，控制交流侧电流就可以有效控制变换器交、直流侧能量的变换过 程。根据是否检测整流器的输入电流并将电流信号作为反馈量进行控制，PWM 整流器的控制 策略可分为电流闭环的直接电流控制和电流开环的间接电流控制两大类。本文采用了开环空 间矢量调制法（SVPWM）控制电流[4][5]。
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http://www.paper.edu.cn
Electronics. 2003, 18(4):952-957.
[2] Chongming Qiao, Keyue M. Smedley .Three-phase Unity-Power-Factor VIENNA Rectifier with Unified
Constant-frequency Integration Control[C].IEEE CIEP.2000(10):125-130.
4. 结论
本文分析了VIENNA整流器的工作原理，在Matlab语言和Pspice仿真环境下建立了仿真模 型，对三电平VIENNA整流器进行了系统仿真，仿真结果显示VIENNA整流器具有功率因数接近 一，谐波可控制，输出直流电压可调等特点。从工程上看，其电路控制简单、开关器件少、 低成本、低损耗。
参考文献
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V(L2:1) V(Vc:+)
70ms V(Va:+)
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图 4 VIENNA 整流器三相相电压波形
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vd /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 vAO =0， vBO =－ vd /2,
vCO =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 vAO =0， vBO =0, vCO =－ vd /2， C1 通过直流侧负载放电，正向电流对电容 C2 充电。
Simulation on three-phase-level-switch VIENNA rectifier
Liu Ping ，Chen Xi-you
（Department of Electrical Engineering; Harbin Institute of Technology; Harbin 150001; Heilongjiang Province; China） Abstract
关键词：VIENNA 整流器；SVPWM；仿真。
中图分类号:TN86
1. 引言
文献标识码:A
在三相整流器中，多采用三电平PWM整流器来减少谐波。而且大多采用的是二极管钳位 形的三电平PWM整流电路。
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。 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（图1）。是把钳位 二极管换成了等效开关，经分析其等效电路，它和二极管钳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 。 [1][2][3] 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。
Thes paper discusses the principle of the three-phase Voltage Source VIENNA Rectifier.The correctness of theoretical analysis is verified by the Three-level VIENNA rectifier and Unit power factor results of system simulation based on MATLAB and Pspice environment. Keywords VIENNA rectifier，SVPWM；Simulation .
2. 工作原理
VIENNA 整流器的主电路结构如图 1 所示，其中交流侧的 L 为等值电感，起到传递能量、 抑制高次谐波和平衡桥臂终端电压和电网电压的作用；R 为等值电阻，通常情况下较小，可
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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 所示，每只开关将承担直流侧电压的一半。
[1] Chongming Qiao, Keyue Ma Smedley.Three-Phase Unity-Power-Factor Star-Connected Switch
(VIENNA) Rectifier With Unified Constant-Frequency Integration Control[J]. IEEE Trans on Power
[4] Tero Viitanen, Heikki Tuusa. Space Vector and Control of a Unidirectional Three-Phase/Leve/Switch
VIENNA I Rectifier with LCL-type AC filter[C]. IEEE. 2003:1063-1068.
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图 1 VIENNA 整流器主电路
图 2 VIENNA整流器的双向开关
设三相输入电压为
⎧⎪⎨vvba
= =
Em Em
cos(ωt) cos(ωt −
2π
/
3)
⎪⎩vc = Em cos(ωt + 2π / 3)
图 3 输入电压波形
三相电压波形如图 3。以 0 ≤ ωt ≤ π / 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 相的输入电压为正，B、C 相的输入电压为负。设电容两端电压为 vd ，开关管
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V(D11:2,C1:1)
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图 10 VIENNA 整流器电容两端电压波形
测得电流谐波为 9.3%,功率因数是 0.998。可见，VIENNA 整流器的功率因数接近一。
导通为时为 1，关断时为 0。则三相开关有 23 = 8 种状态，分别如下：
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状态 0(0,0,0) 开关管 Sa, Sb,Sc 关断，电压 vAO = vd /2，vBO =－ vd /2, vCO =－ vd /2 正向电流对电容 C1 及 C2 充电。
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[3] Johann W. Kolar, Uwe Drofenik, Franz C. Zach. VIENNA Rectifier II—A Novel Single-Stage
High-Frequency Isolated Three-Phase PWM Rectifier System[J]. IEEE Trans ON Industrial Electronics.1999,46(4):674-691.
状态 1(0,0,1) 开关管 Sa, Sb,关断 Sc 开通，电压 vAO = vd /2， vBO =－ vd /2, vCO =0 正向电流对电容 C1 充电，C2 通过直流侧负载放电。
状态 2(0,1,0) 开关管 Sa,Sc 关断, Sb 开通，电压 vAO = vd /2，vBO =0, vCO =－ vd /2， 正向电流对电容 C1 充电，C2 通过直流侧负载放电。