VIENNA 整流器改進同相雙載波補償控制的仿真研究

白敬彩，張 琳，范 崢，胡永濤

（1.河南工學院 電氣工程與自動化學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南省交通運輸廳 機關服務中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，需要建設大量的充電站為電動汽車蓄電池補充電能，由于充電機需要快速從電網(wǎng)上獲取很大的電流，并且它是一種非線性負載，會給電網(wǎng)帶來很大的諧波污染，因此研究帶有功率因數(shù)校正功能的整流器具有重要的意義[1]。在三相整流器拓撲結構中，三相VIENNA整流器拓撲具有網(wǎng)側電能質量好、開關器件少、管應力小、直流母線無直通危險等優(yōu)點，在實際中得到了大量使用[2,3]。三相 VIENNA 整流器作為電網(wǎng)與DC-DC 變換器之間的接口，主要用于實現(xiàn)功率因數(shù)校正及輸出700 V 直流母線電壓。700 V 的直流電壓作為DC-DC 變換器的輸入，通過調節(jié)DC-DC 變換器的開關占空比使得裝置能夠給寬范圍的不同額定電壓（200~500 V）的電池充電[1]。

目前已有很多專家學者對三相 VIENNA 整流器拓撲的原理及控制方式，包括三電平SPWM 控制、SVPWM 控制、單周期控制及母線中點平衡控制等進行了深入研究[4-7]，但針對其實際應用中所面臨的特殊過程如母線欠壓起動、空載穩(wěn)定輸出等卻鮮有分析。上述過程雖然是短暫的過渡過程，但是如果控制不好，將嚴重影響系統(tǒng)的正常工作，甚至會導致系統(tǒng)失效。本文對傳統(tǒng)同相雙載波補償控制（Phase Disposition Double Ramp Comparison Control,PDDRCC）方式下，系統(tǒng)運行在以上特殊情況時所存在的問題進行分析，提出改進策略，并通過仿真驗證該控制策略的有效性。

1 VIENNA 整流器傳統(tǒng)同相雙載波補償控制

1.1 VIENNA 整流器工作原理

VIENNA 整流器拓撲結構如圖1 所示，其中Sa、Sb、Sc為雙向開關，該雙向開關存在四種拓撲結構，通過控制三個雙向開關的導通與關斷即可實現(xiàn)功率因數(shù)校正及輸出給定直流電壓的功能。

圖1 VIENNA 整流器拓撲

1.2 傳統(tǒng)同相雙載波補償控制

VIENNA 整流器作為一種三電平整流器，其SPWM 控制方法為兩電平SPWM 的拓展，需要用到兩組幅值、頻率相同的三角載波，且這兩組三角載波對稱分布于調制波的正負半周[4]。根據(jù)上下三角載波的相位關系，VIENNA 整流器的雙載波控制方式可進一步分為PDDRCC 與反相雙載波補償控制（Phase Opposition Double Ramp Comparison Control,PODRCC）。

PDDRCC 方法與PODRCC 方法均可實現(xiàn)三電平SPWM，二者之間的區(qū)別只是上下三角載波相位關系的不同。為了分析這一區(qū)別對調制效果的影響，文獻[8]對PDDRCC 與PODRCC 輸出的相電壓進行了雙重傅里葉分析。分析結果表明PDDRCC 對波形改善的效果比PODRCC 調制的效果更佳。

基于傳統(tǒng)PDDRCC 的VIENNA 整流器的控制框圖如圖2 所示。調制波同時與上下三角載波作比較，輸出的兩路邏輯信號經(jīng)過邏輯與后得到開關信號。相當于調制波位于正半周時，下三角載波失效，上三角載波與調制波比較得到開關信號；調制波位于負半周時，上三角載波失效，下三角載波與調制波比較得到開關信號。

圖2 VIENNA 整流器的傳統(tǒng)PDDRCC 控制框圖

據(jù)此，建立PDDRCC 的Simulink 仿真模型，如圖3 所示，選定主電路參數(shù)如下：

圖3 VIENNA 整流器的PDDRCC 仿真模型

（1）額定負載：15 kW；（2）額定直流母線電壓：700 V；（3）額定輸入電壓和頻率：220 V，50 Hz；（4）開關頻率：50 kHz；（5）三相輸入電感：0.46 mH；（6）上下直流母線電容：1640 μF。

仿真模型設置如下：

（1）求解器設置：fixed-step（定步長）、ode2（改進歐拉法）、step size=1e-6 s。

（2）Powergui 設置：Simulation type: Discrete，sample time=1e-6 s。

1.3 直流母線欠壓起動失效

在充電模塊接入負載前會經(jīng)歷預充電過程，先經(jīng)由三相 VIENNA 整流器的二極管通過不控整流的方式將直流母線電壓提升到完成第一階段充電；然后通過SPWM 控制完成欠壓啟動，進一步將直流母線充電至700 V，從而完成第二步充電。仿真中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行控制方式下系統(tǒng)無法完成第二步充電，甚至母線電壓達到698 V、只比預設值低2 V 時也無法完成第二步充電。圖4 為設定直流母線電壓初始值為698 V 時，PDDRCC 方式下三相輸入電流、、及直流母線電壓Uo的波形。圖5 為開關信號Sa、Sb、Sc的波形。由圖可知，在傳統(tǒng)PDDRCC 方式下，母線欠壓起動時三個雙向開關失去作用，VIENNA 整流器完全退化為三相不控整流器，不能穩(wěn)定工作。

圖4 傳統(tǒng)PDDRCC 方式下的仿真波形

圖5 開關信號Sa、Sb、Sc 的仿真波形

1.4 空載時直流母線電壓不受控

由于VIENNA 整流器中能量只能單向流動，當整流器空載狀態(tài)時，直流母線電容持續(xù)充電而沒有放電回路，故直流母線電壓不斷上升[9]，空載時直流母線電壓Udc的波形如圖6 所示。同樣，當整流器帶的負載很小時，直流母線電容的充電速度高于放電速度，也會導致直流母線電壓不斷上升。

圖6 空載時Udc 的波形

2 PDDRCC 的改進

2.1 載波選擇

由SPWM 的原理可知，三相電流PI 調節(jié)器輸出的調制波可看作是交流側相電壓uAN、uBN、uCN的給定信號。由于VIENNA 整流器在穩(wěn)定工作時必須滿足輸入電流與交流側相電壓極性相同這一重要限制條件[10]，因此必須保證交流側相電壓的給定信號與輸入電流的極性相同。通過仿真發(fā)現(xiàn)，電流 PI調節(jié)器輸出的調制波與輸入電流之間存在相位差（1.2°）。圖7 分別給出了A 相輸入電流和A 相調制波。在虛線包圍的相位區(qū)間內，A 相輸入電流由負變?yōu)檎敻鶕?jù)輸入電流極性選擇載波時，虛線內調制波小于0 的那部分失效，A 相開關始終導通，電路只能工作在4 種開關狀態(tài)。根據(jù)相位關系可知此時B、C 相電流均小于0，分析VIENNA 整流器的工作狀態(tài)可知，這四種開關狀態(tài)都是給直流母線支撐電容C2充電。但若根據(jù)調制波極性選擇載波，則在虛線包圍的相位區(qū)間內，電路仍能工作在8 種開關狀態(tài)，其中4 種開關狀態(tài)下給直流母線支撐電容C1充電，另外四種開關狀態(tài)下給直流母線支撐電容C2充電。因此，在虛線包圍的相位區(qū)間內，根據(jù)調制波極性選擇載波時，中點電位調節(jié)的效果不夠，這使得電容C1、C2產(chǎn)生了一定的電壓差。在每個輸入電流過零點處，電壓差都會不斷地累積，這會導致中點電位PI 控制器輸出的零序分量很大，進一步使得電流PI 調節(jié)器輸出的調制波中也含有很大的直流分量，最終使得調制波的值大于1 或者小于-1，三相開關全部關斷，VIENNA 整流器就退化成不控整流器。

圖7 輸入電流與調制波

為此，可在PDDRCC 中引入電流極性判斷，如圖8 所示，根據(jù)電流極性來決定相應的調制波是與上載波還是下載波比較。

圖8 改進PDDRCC 的載波選擇依據(jù)

在Simulink 中對直流母線電壓的建立過程進行模擬：設置電容C1、C2的電壓初始值為539 V，在初始時刻空載起動電路，ia、ib、ic的波形如圖9(a)所示，Uo的波形如圖9(b)所示。在初始時刻母線欠壓空載起動時，三相輸入電流會產(chǎn)生過沖，直流母線電壓也會上升至一個略大于700 V 的數(shù)值。在圖9(a)中，ib的峰值為60.7 A，小于額定電流的兩倍；在圖9(b)中，初始時刻直流母線電壓上升至702.4 V。母線欠壓空載啟動時，輸入電流的過沖值及直流母線電壓的大小同樣與電壓 PI 調節(jié)器的輸出上限值有關。電壓PI 調節(jié)器的輸出上限值越小，輸入電流的過沖值越小，直流母線電壓越接近700 V。由圖9可知，在直流母線電壓的建立過程中系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作。

圖9 直流母線電壓建立過程中的波形

2.2 空載母線電壓控制

當VIENNA 整流器的三個雙向開關同時斷開時，VIENNA 整流器就變成了三相不控整流器，而三相不控整流器能輸出的直流電壓的最大值為輸入線電壓的峰值，即V，小于直流電壓給定值700 V。因此，控制VIENNA 整流器的三個雙向開關在正常工作和全部斷開這兩個狀態(tài)之間切換，就可以將直流母線電壓穩(wěn)定在700 V。

針對VIENNA 整流器在空載或者負載很小時直流母線電壓不受控的問題，在原有的控制電路中再加入一個空載電壓控制環(huán)節(jié)，原理如式（1）和圖10 所示。設定一個略大于給定值的直流母線電壓閾值，當直流母線電壓的反饋值大于閾值時，控制三個雙向開關同時關斷，整流器工作在不控整流狀態(tài)，交流側停止給直流母線電容充電，直流母線電壓穩(wěn)定在閾值；當直流母線電壓的反饋值小于閾值時，三個雙向開關正常工作，直流母線電壓上升。如此循環(huán)往復，就可以將直流母線電壓穩(wěn)定在閾值。在本系統(tǒng)中，取閾值702 V，留了2 V 的裕量，是為了讓系統(tǒng)在輸入電源電壓突然上升15%時（直流母線電壓會上升至701 V）仍能正常工作。圖11(a)為加入空載電壓控制環(huán)節(jié)后空載情況下直流母線電壓Udc的波形，由圖可知，空載時Udc能穩(wěn)定在設定的上限值702 V。圖11(b)為某時刻由空載切換到額定負載時Udc的波形，由圖可知，0.2 s 時，系統(tǒng)由空載直接變到額定負載，直流母線電壓會突然下降至691.6 V，0.4 s 時又重新穩(wěn)定在700 V 正常工作?？梢?，加入空載電壓控制環(huán)節(jié)之后，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作

圖10 空載電壓控制環(huán)節(jié)

圖11 加入空載電壓控制環(huán)節(jié)后Udc波形

3 仿真分析

綜上所述，在傳統(tǒng)PDDRCC 控制框圖中引入電流極性判斷，根據(jù)電流極性，選擇與調制波進行比較的三角載波，從而使得交流側相電壓給定信號的極性與輸入電流極性相同，同時，引入空載電壓控制環(huán)節(jié)，解決空載或者負載很小時直流母線電壓不受控的問題。改進PDDRCC 的控制框圖如圖12 所示，對應的Simulink 仿真模型如圖13 所示，仿真參數(shù)設置與傳統(tǒng)PDDRCC 完全相同。

3.1 額定工作條件下的仿真分析

對VIENNA 整流器采用改進PDDRCC 控制策略進行了仿真研究。圖14(a) 為三相輸入電流，，的波形，圖14(b)為直流母線電壓Uo的波形。圖15為A 相輸入電壓va與A 相輸入電流ia的波形。三相輸入電流的THD，電路的PF、效率η等數(shù)據(jù)如表1所示。

由圖14(a)可見，三相輸入電流為正弦波且紋波很小。在圖14(b)中，由于初始階段突加額定負載，直流母線電壓突降至695.3 V，經(jīng)過0.6 s 后，直流母線電壓重新穩(wěn)定在700 V，電壓紋波為0.2 V。根據(jù) FFT 分析結果，直流母線電壓主要含有 6n（n=1,2…）次諧波。由圖15 可知，輸入電流與輸入電壓基本保持同相位，保證了系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運行。

圖12 VIENNA 整流器的改進PDDRCC 控制框圖

圖13 VIENNA 整流器的改進PDDRCC 仿真模型

由表1 可知，輸入電流與輸入電壓之間不存在相位差，輸入電流的諧波畸變率THD，電路的功率因數(shù)PF、效率η均達到指標要求。

圖14 改進PDDRCC 下的仿真波形

圖15 A 相輸入電壓、輸入電流波形

表1 三相輸入電流的THD、PF、RMS 及電路效率

3.2 魯棒性測試

3.2.1 電源電壓幅值突變

在0.6 s 時，電源電壓幅值發(fā)生突變。圖16(a)、16(b)為電源電壓幅值突然上升15%時的、、及Uo的波形。由圖可知，0.6 s 時直流母線電壓會突然上升至701.2 V，1.2 s 時又重新穩(wěn)定在700 V。圖16(c)、16(d)為電源電壓幅值突然下降15%時的、、及Uo的波形。由圖可知，0.6 s 時，直流母線電壓會突然下降至698.5 V，1 s 時又重新穩(wěn)定在700 V?？梢?，電源電壓突變時，輸入電流立刻跟隨電源電壓變化，這說明系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應特性。

圖16 電源電壓幅值突變時的波形

3.2.2 電源電壓頻率突變

在0.6 s 時，電源電壓頻率發(fā)生突變。圖17(a)、17(b)為電源電壓頻率突變?yōu)?1 Hz 時的ia、ib、ic及Uo的波形。圖17(c)、17(d)為電源電壓頻率突變?yōu)?9 Hz 時的ia、ib、ic及Uo的波形。由圖可知頻率突變基本上不會對ia、ib、ic及Uo的波形形狀產(chǎn)生影響。當電源電壓發(fā)生頻率突變時，輸入電流的頻率立即跟隨電源電壓發(fā)生變化。

圖17 電源電壓頻率突變時的波形

4 結語

研究了VIENNA 整流器的傳統(tǒng)PDDRCC 控制策略，仿真中發(fā)現(xiàn)該控制策略存在母線欠壓起動時無法正常工作和空載時直流母線電壓不受控的問題。針對上述問題，探討了使用PDDRCC 控制策略時載波選擇的依據(jù)，根據(jù)VIENNA 整流器穩(wěn)定工作的重要限制條件，得出了應根據(jù)輸入電流的極性選擇與調制波進行比較的載波的結論，以及應在原有的控制電路中加入空載電壓控制環(huán)節(jié)?；诖?，對傳統(tǒng)的PDDRCC 控制框圖進行了改進并進行了仿真研究。仿真結果表明，使用改進的PDDRCC 控制策略后，系統(tǒng)在母線欠壓起動時仍能正常工作，空載或者負載很小時直流母線電壓可穩(wěn)定在閾值，且輸入電流的THD、電路的PF 和效率、魯棒性測試結果均達到了指標要求。