基于雙控制因數(shù)的VIENNA整流器中點(diǎn)電位平衡設(shè)計(jì)

吳志遠(yuǎn)，高文根

（安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

引言

當(dāng)前，三相VIENNA整流器被普遍應(yīng)用［1-2］，其直流輸出電壓的一半為每個(gè)功率器件所承受的最大電壓，在相同環(huán)境下，其輸入電流諧波含量少，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和快速性［3］。相對(duì)其他整流器，三相VIENNA整流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、主電路上功率開(kāi)關(guān)管數(shù)量少、上下橋臂不存在直通的情況，不用考慮二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，也不用為功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)設(shè)置死區(qū)，適合高功率及高壓場(chǎng)合［4-6］。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注和深入研究［7］。

三相VIENNA整流器中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題研究是非常有必要的，中點(diǎn)電位不平衡主要原因是直流側(cè)上下電容充放電時(shí)間不均衡。針對(duì)VIENNA整流器中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究［8］，并研究出了一些較為有效解決上下電容分壓偏差較大的方法［9-10］。目前采用的方法主要有兩種：一是基于PWM調(diào)制，通過(guò)注入零序電壓抑制上下電容電壓偏差［11-13］，二是基于SVPWM調(diào)制，通過(guò)改變上下電容充放電作用時(shí)間抑制上下電容電壓偏差［14］。

已有的三相VIENNA整流器中點(diǎn)平衡控制策略是引入上下電容電壓偏差通過(guò)PI控制器控制直流側(cè)上下電容作用時(shí)間，使中點(diǎn)電位達(dá)到平衡。本文提出了雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡控制策略，有效地解決中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題。與已有的中點(diǎn)平衡策略相比較，本文創(chuàng)新之處是：首先引入上下電容電壓偏差通過(guò)P控制器控制中點(diǎn)電位快速達(dá)到平衡；其次引入直流側(cè)上電容電壓與直流側(cè)輸出電壓一半的偏差通過(guò)PI控制器控制，不僅抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍，還優(yōu)化了中點(diǎn)電位達(dá)到平衡響應(yīng)速度；然后將兩個(gè)控制器控制因數(shù)疊加，得出雙控制因數(shù)，從而控制直流側(cè)上下電容電壓作用時(shí)間。針對(duì)本文策略進(jìn)行了突加載和突減載實(shí)驗(yàn)，直流側(cè)輸出電壓和網(wǎng)側(cè)三相電流突變之后能快速趨于穩(wěn)定，中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍突變之后也快速趨于穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了該整流器系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)的基于雙控制因數(shù)中點(diǎn)電位平衡策略都具有較好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。相較于已有中點(diǎn)平衡控制策略，本文提出的雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡控制策略中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍小，響應(yīng)速度快。

1 三相VIENNA整流器的工作原理

三相VIENNA整流器原理圖如圖1所示，圖中三相交流側(cè)相電壓分別是ea、eb、ec，三相交流側(cè)輸入電流分別是ia、ib、ic，R為交流測(cè)輸入電阻，RL為直流側(cè)負(fù)載，電感La、Lb、Lc的電感量相等，直流母線輸出電容C1、C2的電容值相等，D1、D2、D3、D4、D5、D6表示快恢復(fù)二極管，S1、S2、S3、S4、S5、S6所示的是由兩個(gè)受到控制方式一致的MOSFET管并接而成的雙向開(kāi)關(guān)。

圖1 三相VIENNA整流器原理圖

由于三相VIENNA整流器電路結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，在不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下得到不同的控制效果。以A相為例分析其工作原理：當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，A相輸入端電壓與輸入電流的正負(fù)有關(guān)，當(dāng)A相輸入電流為正時(shí)，A相輸入端經(jīng)過(guò)La、D1與直流母線正極相連，如圖2（a）所示，即A相輸入端電壓為直流側(cè)輸出電壓的半值；當(dāng)A相輸入端為負(fù)時(shí)，A相輸入端經(jīng)過(guò)La、D2與直流母線負(fù)極相連，如圖2（b）所示，A相輸入端的電壓為直流側(cè)輸出電壓負(fù)半值。當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，整流器A相輸入端被箝位到直流母線電壓中點(diǎn)電壓，即A相輸入端電壓為零，如圖2（c）和圖2（d）所示。

圖2 不同開(kāi)關(guān)組合A相輸入端電流流向路徑

2 三相VIENNA整流器的SVPWM算法

2.1 三相VIENNA整流器調(diào)制算法簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)［15］

在三相VIENNA整流器SVPWM調(diào)制中，其基本原理是將三電平空間矢量分解成6個(gè)兩電平空間矢量組合，如圖3和圖4所示，利用空間矢量調(diào)制方法判斷出目標(biāo)矢量所在的扇區(qū)，計(jì)算空間基本矢量作用的時(shí)間，產(chǎn)生PWM信號(hào)，簡(jiǎn)化了三電平下SVPWM計(jì)算量。

如圖4所示，以S1扇區(qū)為例分析三電平到兩電平的矢量平移，其中，Vref′為平移后的兩電平空間目標(biāo)矢量，Vref為平移前的三電平空間目標(biāo)矢量。Vref通過(guò)V01矢量在αβ坐標(biāo)系的模長(zhǎng)及分量得到平移后的目標(biāo)矢量Vref′。同理，各個(gè)扇區(qū)平移的兩電平目標(biāo)矢量為Vref′=Vref-V0h，其中h取1、2、3、4、5、6。故可以得到其他扇區(qū)目標(biāo)矢量Vref′在 α′β′坐標(biāo)下的分量Vα′、Vβ′與平移前Vα、Vβ的關(guān)系，見(jiàn)表1。

圖3 各空間基本矢量分布圖

圖4 三電平到兩電平矢量平移

表 1 各主扇區(qū)中 Vα，Vβ與 Vα′，Vβ′之間的關(guān)系

2.2 各扇區(qū)基本矢量作用時(shí)間算法

以第 S1扇區(qū)為例，原矢量Vref、V0、V1、V2、變成Vref′、兩電平平面矢量。采用算法可計(jì)算出三個(gè)基本合成矢量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的作用時(shí)間：

根據(jù)S1扇區(qū)基本合成矢量作用時(shí)間計(jì)算方法，同理可得各主扇區(qū)相應(yīng)的基本合成矢量作用時(shí)間：

根據(jù)S1主扇區(qū)計(jì)算方法，可以得各主扇區(qū)內(nèi)基本矢量作用時(shí)間，見(jiàn)表2。

表2 各主扇區(qū)內(nèi)基本矢量作用時(shí)間

若，需進(jìn)行過(guò)調(diào)制處理：

3 中點(diǎn)電位平衡控制

3.1 基本矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響［16］

三相VIENNA整流器基本矢量中零矢量、中矢量、大矢量、正小矢量和負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位影響拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 各基本電壓矢量對(duì)應(yīng)的拓?fù)?/p>

3.2 基于雙控制因數(shù)中點(diǎn)電位平衡控制策略

通過(guò)分析各空間基本矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響，本文采用雙控制因數(shù)中點(diǎn)電位平衡控制策略，以期有效解決中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，從而提高VIENNA整流器系統(tǒng)的工作效率。所建立的VIENNA整流器基于雙控制因數(shù)中點(diǎn)電位平衡控制策略控制框圖如圖6所示。

如圖6所示，直流側(cè)輸出電壓通過(guò)電壓外環(huán)控制并保持穩(wěn)定，采樣到的直流側(cè)輸出電壓Udc與參考電 壓Uref偏差通過(guò)PI調(diào)節(jié)后作為d軸電流參考值；id、iq的前饋解耦通過(guò)電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)，并且采用了PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入電流的正弦化，再經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制產(chǎn)生控制脈沖信號(hào)。

圖6 基于SVPWM調(diào)制加入雙控制因數(shù)中點(diǎn)電壓均衡控制

在中點(diǎn)電位平衡控制上采用雙控制因數(shù)策略，一路通過(guò)上下電容電壓的偏差經(jīng)P控制器控制，另一路通過(guò)直流側(cè)上電容電壓與直流側(cè)輸出電壓一半的偏差經(jīng)PI控制器控制，兩路疊加構(gòu)成雙控制因數(shù)回路調(diào)節(jié)上下電容充放電作用時(shí)間，可使得中點(diǎn)電位快速達(dá)到平衡，并可有效抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍。

定義上下電容電壓的偏差為ΔUdc=Udc1-Udc2，直流側(cè)上電容電壓與直流側(cè)輸出電壓半值的偏差為雙控制因數(shù)n取值范圍為-1≤n≤1，根據(jù)圖6所示控制框圖可推導(dǎo)出雙控制因數(shù)n的表達(dá)式：

設(shè)：為正小矢量作用時(shí)間，為負(fù)小矢量作用時(shí)間，Tv為正負(fù)小矢量作用總時(shí)間，則調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位公式為：

分析式（5）和式（6）可知，當(dāng)中點(diǎn)電位下降時(shí)，Udc1＜Udc2，則ΔUdc＜0，雙控制因數(shù)n＜0，此時(shí)增大，減小，則ΔUdc變大，即中點(diǎn)電位上升達(dá)到平衡。當(dāng)中點(diǎn)電位上升時(shí)，Udc1＞Udc2，則ΔUdc＞0，雙控制因數(shù)n＞0，此時(shí)減小，增大，則ΔUdc變小，即中點(diǎn)電位下降達(dá)到平衡。通過(guò)此方式最終使直流側(cè)電容中點(diǎn)電位達(dá)到平衡。

3.3 中點(diǎn)電位平衡雙控制因數(shù)策略系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)三相VIENNA整流器進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)本文提出的雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡控制策略的有效性。主要仿真參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 仿真參數(shù)

在中點(diǎn)電位、直流母線電壓、諧波含量以及網(wǎng)側(cè)三相電壓和電流無(wú)突載變化時(shí)，VIENNA整流器加入雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡控制策略的情況如圖7所示。分析圖7可知，加入雙控制因數(shù)策略之后，VIENNA整流器系統(tǒng)在無(wú)突載變化情況下運(yùn)行正常，中點(diǎn)平衡控制策略有效。

圖7 無(wú)突變載仿真波形

將圖 7（a）與圖7（b）和圖 7（c）比較分析可以看出，加入中點(diǎn)平衡雙控制因數(shù)策略后，中點(diǎn)電位達(dá)到平衡，且響應(yīng)速度快。由圖7（d）可以看出，直流側(cè)母線電壓在0.05 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持直流側(cè)輸出電壓不變，具有較好的穩(wěn)定性和快速性。由圖7（e）和圖7（f）可以看出，加入中點(diǎn)平衡雙控制因數(shù)策略，電流總畸變率THD為3.02%，小于5%，諧波含量低，滿足接入電網(wǎng)要求，并實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流。

圖8為在突加載和突減載情況下，加入雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡控制策略的情形。其中，圖 8（a）、圖8（b）、圖8（c）分別為VIENNA整流器在0.2時(shí)刻突加30%負(fù)載，其中點(diǎn)電位、直流母線電壓、以及網(wǎng)側(cè)三相電壓電流的波形圖；圖 8（d）、圖 8（e）、圖 8（f）分別為VIENNA整流器在0.2時(shí)刻突減30%負(fù)載，其中點(diǎn)電位、直流母線電壓、以及網(wǎng)側(cè)三相電壓電流的波形圖。分析圖8可知，加入該策略之后，在突加載和突減載的情況下，VIENNA整流器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。

圖8 加載和減載仿真波形

由圖 8（b）和圖 8（c）可以看出，在 0.2 s時(shí)突加30%負(fù)載后，電壓降落大約30 V，并在0.25 s內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)；同時(shí)在0.2 s時(shí)突加30%負(fù)載后，交流側(cè)三相電流增大。由圖8（e）和圖8（f）可以看出，在0.2 s時(shí)突減30%負(fù)載后，直流母線電壓上升大約20 V，在0.25 s內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)；同時(shí)在0.2 s時(shí)突減30%負(fù)載后，交流側(cè)三相電流減?。或?yàn)證了該系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。通過(guò)圖8（a）和圖8（d）可以看出，在0.2 s時(shí)突加30%負(fù)載后，中點(diǎn)波動(dòng)電壓波動(dòng)范圍增大，并且中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍快速趨于穩(wěn)定；在0.2 s時(shí)突減30%負(fù)載后，中點(diǎn)波動(dòng)電壓在波動(dòng)范圍減小，并且中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍快速趨于穩(wěn)定。由此可知，基于雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡控制策略具有較好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了三相VIENNA整流器的工作原理，簡(jiǎn)單介紹了產(chǎn)生中點(diǎn)電位不平衡的原因，提出了中點(diǎn)電位平衡雙控制因數(shù)策略，建立了Matlab/Simulink仿真模型。仿真結(jié)果表明該上下電容電壓偏差幾乎為零，有效地解決了中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，中點(diǎn)電壓波動(dòng)快速達(dá)到平衡，響應(yīng)速度快；通過(guò)突加載和突減載，直流側(cè)輸出電壓能在短時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，該系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性，通過(guò)突加負(fù)載之后，中點(diǎn)波動(dòng)電壓波動(dòng)范圍增大，中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍快速趨于穩(wěn)定；通過(guò)突減負(fù)載之后，中點(diǎn)波動(dòng)電壓波動(dòng)范圍減小，中點(diǎn)電位波動(dòng)范圍快速趨于穩(wěn)定。因而，本文基于雙控制因數(shù)中點(diǎn)平衡的控制策略具有較好的控制性能。