三相三电平Vienna整流器非线性反推控制策略研究.pdf

湘潭大学硕士学位论文

摘要

随着电动汽车保有量和舰船用电负荷的持续增长，脱网运行的蓄电池和储

能装置功率等级大幅上升，使得中高功率的充电基础设施需求急剧增长。而三

相Vienna整流器作为一种三电平单向传输的整流拓扑，具有功率密度更高、输

入电流品质更好、开关器件数量更少、可靠性高等优势，在中高功率充电设施

中得到了广泛应用。本文以三相Vienna整流器为研究对象，设计了非线性反推

直接功率控制方法，针对存在的微分膨胀、运行中存在的参数漂移和外部干扰、

过零点电流畸变等问题，对以下内容做了研究：

首先，分析了三相Vienna整流器拓扑结构和工作原理，推导了Vienna整

流器在dq旋转坐标系下的数学模型，对于数学模型中控制量的物理意义与实现

进行了解释，进一步介绍了简化的空间矢量调制作为实现控制器输出的方法。

在此基础上，分析了非线性反推法的基本原理和设计方法，从瞬时功率模型出

发推导直流输出电压—有功功率反推控制率和无功功率反推控制率，分析了反

推直接功率控制器中虚拟控制率存在的微分膨胀问题，加入了二阶指令滤波器

并重新设计了有功功率控制器，有效减小了计算量，使得算法更具有实用性。

然后，针对三相Vienna整流器运行中常出现的外部扰动和滤波参数变化等

不确定性，引入滑模设计思想，在控制器设计的最后一步采用滑模控制率，并

使用指数切换率降低系统抖振；分析了滑模控制率中的切换率实际为综合不确

定性项的估计值，从而设计了适用于反推直接功率控制的非线性干扰观测器，

在降低切换率增益的同时进一步提高反推直接功率控制器的鲁棒性；同时，针

对三相Vienna整流器固有的过零点电流畸变现象，分析了电流矢量滞后而带来

的电流迟滞畸变现象，通过补偿电感电势带来的电流滞后，提出了适用于自适

应滑模反推直接功率的过零畸变补偿机制。

最后，为了进一步验证所提出算法的有效性，基于NIPXI机箱和Starsim

软件搭建了半实物实验平台，进行了反推控制策略的半实物实验验证；同时，

设计了一台三相Vienna整流器实验样机，进行了比例积分控制策略、反推直接

功率控制策略、自适应滑模反推直接功率控制策略的实验，一定程度上验证了

所提方法的有效和实用性。

关键词：Vienna整流器；反推直接功率控制；指令滤波；滑模控制，扰动

观测器

I

湘潭大学硕士学位论文

Abstract

Withthecontinuousgrowthofelectricvehicleownershipandshipelectricalload,

thepowerlevelofoff-gridbatteryandenergystoragedevicerisessharply,which

makesthedemandformediumandhighpowercharginginfrastructureincrease

sharply.Thethree-phaseViennarectifier,asathree-levelunidirectionaltransmission

rectifiertopology,hastheadvantagesofhigherpowerdensity,betterinputcurrent

quality,fewerswitchingdevicesandhigherreliability.Itiswidelyusedinmedium

andhighpowerchargingfacilities.Inthispaper,thethree-phaseVienna