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導語

三相維也納整流器憑借其效率高、可靠性強等優勢，在新能源發電與通信電源領域得到了快速發展。然而，傳統的SVPWM控制策略不僅依賴復雜的坐標變換與矢量分區，更在電感參數波動及輕載工況下容易出現嚴重的電流過零畸變，制約了系統的寬范圍運行性能。

重慶大學陳家偉教授團隊聯合直流輸電技術全國重點實驗室在《電工技術學報》2026年第2期發表的研究中，提出了一種基于輸入阻抗調節與變頻調制的創新控制方法。該方法無需精確的輸入電壓相角與輸入電感值信息，僅需兩個比例-積分(PI)環節即可實現功率因數矯正及輸出電壓均衡控制，避免了SVPWM控制復雜度高的問題；通過動態調節載波頻率并引入載波幅值對控制環路進行補償，實現了從極輕載（5%）到滿載（100%）的大范圍負載條件下的輸入電流質量的提升。

研究背景

三相維也納整流器作為脈寬調制整流器的一種，具有效率高、輸入電流諧波小、可靠性高等優點，被廣泛應用于電氣化交通系統、通信電源、新能源發電等需要整流輸出直流的場合。三相四線制維也納整流器在三相三線制拓撲基礎上將交流側三相輸入電壓源的中線與直流輸出分裂電容中點相連，可實現三相獨立控制，且因其提供了零序電流通路，可在三相輸入電壓不平衡甚至缺相時穩定運行，具有較高的可靠性，因此，三相四線制維也納整流器得到了快速發展。

圖1 三相四線制維也納整流器拓撲

論文所解決的問題及意義

針對維也納整流器在過零點附近和輕載工況下的波形質量下降問題以及現有SVPWM控制復雜度高的問題，本文提出的基于輸入阻抗調節與變頻調制的三相四線制維也納整流器輸入電流質量寬范圍提升控制方法不依賴于坐標變換，無需輸入電感值和輸入電壓相角即可實現功率因數矯正及輸出電壓均衡控制；通過基于變頻載波的調制方法，在電感電流較小時提高開關頻率使整流器保持在臨界導通模式，并在變頻階段引入了載波幅值補償，改善了整流器進入斷續導通模式時電流出現畸變的問題。

該方法大幅降低了輸入電流在過零點附近和輕載下的總諧波畸變率，具有控制復雜度低、電流質量高等突出優點。

論文方法及創新點

1、基于輸入阻抗調節的功率因數矯正控制方法

本文根據三相四線制維也納整流器的電路拓撲和基本控制原理，將其簡化為三個獨立Boost變換器并聯運行。以a相為例分析輸入阻抗可知，通過合理設計調制策略可將a相輸入阻抗控制為純阻性，從而實現功率因數校正，并保證輸入電流質量。

圖2 基于輸入阻抗調節的功率因數矯正控制方法

2、基于變頻調制的輸入電流質量寬范圍提升控制方法

本文通過載波重置脈沖發生單元實時檢測電感電流過零點，引導整流器在不同負載下自適應切換運行模式：重載時以最小開關頻率定頻運行于連續導通模式以減小損耗，中輕載時通過變頻載波強制整流器進入臨界導通模式以消除電流畸變；針對開關頻率受限而進入斷續導通模式的極輕載工況，通過引入基于電流導通時間占比的載波幅值補償，成功消除了非線性影響并修正了輸入阻抗，確保了整流器在5%至100%全負載范圍內均能保持高品質的正弦輸入電流。

圖3 半個周期內開關頻率及工作模式隨電感電流的變化

圖4 基于輸入阻抗調節的功率因數校正控制方法與基于變頻調制的輸入電流質量寬范圍提升控制實施方法

圖5 基于變頻調制的輸入電流質量寬范圍提升控制方法仿真結果

3、整流器關鍵參數設計

控制效果受整流器輸入電感大小和開關頻率運行范圍影響，需要對其關系進行深入分析，并基于此聯合設計電感及最大、最小開關頻率值以優化控制效果。可根據交流側電流的最大允許紋波來確定電感的取值下限，根據動態性能要求來確定電感取值的上限。

4、分裂電容均壓控制

針對實際應用中由于輸入電壓偏置或分裂電容參數漂移導致的中點電位不均衡現象，該文在控制中引入了簡單的比例控制均壓環，通過實時監測兩分裂電容電壓并產生均壓補償輸出，利用輸入電流在正、負半周期分別對上下電容充電的特性來調節調制信號幅值，確保了輸出電壓中點電位的穩健均衡，從而有效避免了由中點點位不平衡引起的諧波失真、系統效率降低及元件壽命縮短等問題。

圖6 Vn＞Vp時均壓控制的調節過程

5、實驗驗證

為了測試三相四線制維也納整流器與所提出控制方法的性能，在實驗室中設計了一個3kW的實驗樣機，并通過實驗驗證了所提控制方法的有效性。

圖7 實驗平臺

表1 維也納整流器系統參數

表2 幾種控制方式下的輸入電流THD

結論

1）通過阻抗控制在abc坐標系下實現阻抗功率因數校正控制，從而避免了dq變換計算和復雜的矢量定位和分區，降低了計算復雜度。

2）采用變頻控制，有效的抑制了輸入電流在輕載下產生過零畸變的問題，改善了整流器性能，提升了電流品質。

團隊介紹

重慶大學自動化學院智能控制與系統研究團隊由中國工程院外籍院士、IEEE Fellow、國家重大人才工程專家宋永端教授領銜，核心骨干匯聚了秦巖、趙凱、沈志熙、王玉娟、井岡山、鄧梨等多位入選國家高層次青年人才及省部級拔尖人才的教授，以及重慶大學“百人計劃”特聘學者陳家偉教授。依托多個教育部重點實驗室及“111”引智基地，團隊長期致力于無人系統控制、工業大數據與多智能體協同研究。近年來獲多項教育部及省部級科技/自然科學一等獎，在《IEEE TAC》等頂級期刊發表論文百余篇，并任國際頂刊《IEEE TNNLS》主編團隊。

陳家偉教授作為團隊核心骨干，依托上述平臺及“輸變電裝備技術全國重點實驗室”，將先進自動化控制理論與電氣工程深度交叉，長期深耕新能源系統穩定性與電力電子先進控制技術。課題組先后主持國家自然科學基金等項目20余項，累計經費超2500萬元，核心研究成果榮獲新疆維吾爾自治區科技進步一等獎、中國電源學會技術發明二等獎及中國自動化學會人工智能創新團隊獎。

賈廣宇

博士研究生，研究方向為新能源功率變換與控制技術。

陳家偉

博士，教授，博士生導師，重慶大學“百人計劃”特聘學者，連續入選斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”榜單，IEEE/中國電工技術學會/中國電源學會高級會員，中國自動化學會可信控制專委會秘書長，《IEEE Transactions on Industrial Electronics》等國內外權威期刊編委。主要從事新能源系統穩定性分析、電力電子變換器拓撲與智能控制技術等方面的研究工作。

趙騰

碩士研究生，研究方向為新能源功率變換和控制技術。

本工作成果發表在2026年第2期《電工技術學報》，論文標題為“基于輸入阻抗調節與變頻調制的維也納整流器輸入電流質量寬范圍提升控制方法”。本課題為直流輸電技術全國重點實驗室開放基金資助項目。

引用本文

賈廣宇, 陳家偉, 趙騰, 羅超, 蔡海青. 基于輸入阻抗調節與變頻調制的維也納整流器輸入電流質量寬范圍提升控制方法[J]. 電工技術學報, 2026, 41(2): 649-659. Jia Guangyu, Chen Jiawei, Zhao Teng, Luo Chao, Cai Haiqing. A Wide Range Enhancement Control Method of Input Current Quality of Vienna Rectifier Based on Input Impedance Regulation and Frequency Modulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(2): 649-659.

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