VIENNA整流器控制策略綜述

（北方工業(yè)大學(xué)北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京 100144）

隨著負(fù)載設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染越來(lái)越大，以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用比例越來(lái)越高，VIENNA整流器功率校正技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外電力電子研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。與其它三電平整流器相比，VIENNA整流器具有開(kāi)關(guān)器件少、功率器件承受電壓應(yīng)力小和無(wú)橋臂直通問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，目前在UPS、充電樁等不需要能量雙向流動(dòng)的行業(yè)中，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)采用VIENNA整流技術(shù)進(jìn)行功率因數(shù)校正[2]。

然而VIENNA整流器是一個(gè)多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合的時(shí)變系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，控制策略的好壞影響著系統(tǒng)的功率密度和效率。本文以VIENNA整流器為主要研究對(duì)象，基于國(guó)內(nèi)外多年研究成果，對(duì)VIENNA整流器控制策略進(jìn)行分類(lèi)、歸納和總結(jié)。

1 VIENNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略分類(lèi)

1.1 VIENNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

VIENNA整流器主要由3個(gè)濾波電感、3個(gè)四端開(kāi)關(guān)組合和2個(gè)直流均壓電容等器件組成，如圖1所示。根據(jù)VIENNA整流器四端開(kāi)關(guān)中有源功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量不同，可將其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為2類(lèi)：?jiǎn)喂芩亩碎_(kāi)關(guān)類(lèi)和雙管四端開(kāi)關(guān)類(lèi)。但對(duì)于VIENNA整流器的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本控制原理均是相同的，且雙管四端開(kāi)關(guān)類(lèi)的每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)具有2個(gè)控制端子[3]，控制起來(lái)更加靈活，為此本文主要針對(duì)圖2所示的雙管四端開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的三電平VIENNA整流器控制策略展開(kāi)分析。

圖1 VIENNA整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VIENNA rectifier topology structure

圖2 三相三開(kāi)關(guān)VIENNA整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of three-phase three-switch VIENNA rectifier

圖2中，usa，usb，usc為三相輸入電網(wǎng)電壓；Ls為三相濾波電感，作用是濾除電流諧波；C1，C2為直流濾波電容，用于穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓，減小輸出電壓紋波[4]；每相橋臂由2個(gè)功率器件反向串聯(lián)來(lái)等效為一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，則每個(gè)功率器件承受直流母線電壓的50%，通過(guò)控制雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到輸入電流、直流輸出電壓和直流側(cè)2個(gè)電容均壓的控制。

1.2 VIENNA整流器控制策略分類(lèi)

VIENNA整流器常用的控制系統(tǒng)如圖3所示。通過(guò)鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓相位角以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓定向控制，直流外環(huán)以輸出電壓為反饋量，與直流電壓設(shè)定值的誤差經(jīng)過(guò)控制器得到電流內(nèi)環(huán)給定值，電流內(nèi)環(huán)以交流側(cè)電感電流為反饋量實(shí)現(xiàn)控制，其輸出量疊加中點(diǎn)電位平衡控制策略得到三相調(diào)制波，經(jīng)調(diào)制得到開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。VIENNA整流器主要包含以下幾個(gè)控制目標(biāo)[5]：1）保證交流電流為單位功率因數(shù)運(yùn)行且實(shí)現(xiàn)正弦化；2）使直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定；3）達(dá)到中點(diǎn)電位平衡。對(duì)于鎖相環(huán)技術(shù)，常采用傳統(tǒng)的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)技術(shù)可有效并準(zhǔn)確地檢測(cè)三相平衡時(shí)電網(wǎng)電壓的頻率、幅值和相位，在此不再贅述。

圖3 VIENNA整流器控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Schematic diagram of VIENNA rectifier control system

根據(jù)控制目標(biāo)，VIENNA整流器控制策略分為電流控制、直流電壓控制、中點(diǎn)電位平衡控制3大部分，控制策略分類(lèi)如圖4所示。

圖4 VIENNA整流器控制策略分類(lèi)圖Fig.4 Schematic diagram of VIENNA rectifier control strategy classification

2 電流控制

電力電子裝置的廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成了諧波污染，因此如何提升VIENNA整流器的功率因數(shù)、降低電流諧波畸變率、進(jìn)而改善電能質(zhì)量是保障系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵，因此需要對(duì)其交流電流進(jìn)行控制[6]。

2.1 基于PI控制器的電流解耦控制策略

基于PI控制器的電流解耦控制策略應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。首先對(duì)交流側(cè)輸入電壓和電流進(jìn)行采樣，其次經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到其在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量，并加入前饋解耦控制使d，q兩軸相互獨(dú)立，從而分別控制VIENNA整流器的有功分量和無(wú)功分量?；赑I控制器的解耦控制方程表達(dá)式為

文獻(xiàn)[7]采用該控制策略，電流前饋解耦控制如圖5所示，在該控制策略下，VIENNA整流器可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，但計(jì)算量較大，且PI控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)零誤差跟蹤正弦信號(hào)，存在受系統(tǒng)參數(shù)變化影響大和控制延遲等問(wèn)題，從而導(dǎo)致直流側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。

圖5 基于PI控制器的電流解耦控制框圖Fig.5 Current decoupling control based on PI controller

2.2 基于PR控制器的電流控制策略

比例諧振（proportional resonant，PR）控制器由比例環(huán)節(jié)和諧振環(huán)節(jié)組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦量的無(wú)靜差跟蹤。文獻(xiàn)[8]采用基于PR控制器的控制策略，該控制策略基于α-β兩相靜止坐標(biāo)系，采樣值與給定值的誤差經(jīng)過(guò)PR控制器，從而可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的跟蹤，基于PR控制器的電流控制框圖如圖6所示。

圖6 基于PR控制器的電流控制框圖Fig.6 Current control block diagram based on PR controller

該控制策略計(jì)算量較小，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)直流量的無(wú)靜差跟蹤，但PR控制器易導(dǎo)致系統(tǒng)臨近頻率發(fā)生串?dāng)_并引起諧振問(wèn)題，且發(fā)生負(fù)載突變時(shí)，傳統(tǒng)的PR控制算法存在控制延遲的問(wèn)題，在電動(dòng)汽車(chē)充電模塊等對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的PR控制無(wú)法滿(mǎn)足需求。

為解決傳統(tǒng)直流側(cè)單一閉環(huán)動(dòng)態(tài)性能差的問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]將負(fù)載電流前饋環(huán)節(jié)引入到VIENNA整流器控制系統(tǒng)中，原理是檢測(cè)負(fù)載電流idc的變化，根據(jù)瞬時(shí)功率理論，當(dāng)直流側(cè)負(fù)載變大時(shí)，負(fù)載電流idc變大，電壓隨之跌落，從而前饋環(huán)節(jié)的作用使得d軸給定電流增大，電容電流增大，則直流側(cè)電壓回升。因此通過(guò)對(duì)前饋系數(shù)的合理設(shè)計(jì)，從而提升VIENNA整流器抗負(fù)載擾動(dòng)的能力。為減少源側(cè)電流THD，文獻(xiàn)[10]將用于VIENNA整流器的PR控制器進(jìn)行改進(jìn)，傳統(tǒng)的PR控制器在很大程度上不能降低低次諧波，因此通過(guò)額外加入并聯(lián)補(bǔ)償器來(lái)消除低次諧波。該控制策略在abc三相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行，避免使用坐標(biāo)系變換和鎖相環(huán)，計(jì)算量減少，可選擇性地從源側(cè)電流中消除不同的低次諧波，該控制策略適用于大范圍的電網(wǎng)電壓不平衡、電網(wǎng)諧波污染等情況下的電流控制。

2.3 滯環(huán)電流控制策略

滯環(huán)控制是將誤差信號(hào)輸送到滯環(huán)比較器從而產(chǎn)生控制信號(hào)。文獻(xiàn)[11]采用傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制（conventional hysteresis current control，CHCC）策略，其電流控制結(jié)構(gòu)采用一個(gè)非線性滯環(huán)比較器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電流控制器，電壓外環(huán)輸出作為電流給定值，與采樣三相電流值的偏差經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較器，控制框圖如圖7所示。從開(kāi)關(guān)頻率、電流畸變等方面考慮來(lái)選取合適的環(huán)寬h，當(dāng)電流偏差Δi超越+h或-h時(shí)，開(kāi)關(guān)管通過(guò)相應(yīng)的邏輯切換來(lái)減小與給定電流的偏差，以a相為例，開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)為

該控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，在負(fù)載突變情況下仍具備良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但其存在的不足之處是開(kāi)關(guān)頻率不固定，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)濾波電感的濾波效果下降，進(jìn)而影響到網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量。

針對(duì)傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)大的問(wèn)題，文獻(xiàn)[12-13]采用基于空間矢量的滯環(huán)電流控制策略，原理是某相電流在一個(gè)方向穿越滯環(huán)帶時(shí)，通過(guò)選擇合適的電壓矢量使其向反方向變化，控制框圖如圖8所示。該控制策略基于α-β兩相靜止坐標(biāo)系，α軸和β軸輸出的電流誤差分別經(jīng)過(guò)4階和3階滯環(huán)比較器，利用輸出量Dα和Dβ去查表，從而選擇合適的電壓矢量，獲得驅(qū)動(dòng)脈沖。該控制策略有效解決了開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)也具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)?；诳臻g矢量的變環(huán)寬控制策略可推廣到其它三相三電平變換器電流控制中，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為繁瑣，且扇區(qū)判斷誤差造成電流低次諧波變大問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。

圖7 傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制框圖Fig.7 Traditional hysteresis current control block diagram

圖8 基于空間矢量的滯環(huán)電流控制框圖Fig.8 Hysteresis current control block diagram based on space vector

2.4 模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制實(shí)際是求解最優(yōu)控制問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]采用有限控制集-模型預(yù)測(cè)控制（finite control set model predictive control，F(xiàn)CS-MPC）策略，該控制策略將傳統(tǒng)的PI控制器和PWM模塊替換成了MPC控制器，采集VIENNA整流器當(dāng)前狀態(tài)變量，經(jīng)預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到下一時(shí)刻預(yù)測(cè)電流值；通過(guò)電壓外環(huán)和電網(wǎng)電壓相角，得到參考電流值，最后根據(jù)以電流誤差最小為目標(biāo)的價(jià)值函數(shù)，在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)多個(gè)電壓矢量遍歷尋優(yōu)，從而輸出滿(mǎn)足目標(biāo)的最優(yōu)電壓矢量，控制框圖如圖9所示。

圖9 模型預(yù)測(cè)控制框圖Fig.9 Block diagram of model predictive control

該控制策略具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行約束等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，但開(kāi)關(guān)頻率不固定，輸入電流對(duì)采樣頻率依賴(lài)較高。

文獻(xiàn)[15]提出一種基于離散空間矢量調(diào)制（discrete space vector modulation，DSVM）的VIENNA整流器模型預(yù)測(cè)控制（DSVM-MPC）策略，通過(guò)引入虛擬矢量，構(gòu)成更多數(shù)量的有限控制集來(lái)減少預(yù)測(cè)電壓誤差，從而提高電流預(yù)測(cè)控制精度，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可輸出多個(gè)實(shí)矢量，開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)減小。相較于傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制，該控制策略降低了電流低頻諧波含量，但其依賴(lài)于系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化較為敏感。

針對(duì)傳統(tǒng)FCS-MPC具有開(kāi)關(guān)頻率可變、電流紋波大、計(jì)算量大等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[16]提出了一種基于成本函數(shù)調(diào)制（cost function-based modulation，CFM）的模型預(yù)測(cè)控制（CFM-MPC）策略。根據(jù)無(wú)差拍控制原理，給出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和電壓矢量，然后根據(jù)電壓矢量參考點(diǎn)的位置選取不同電壓矢量，通過(guò)與所選電壓矢量的代價(jià)函數(shù)值成反比來(lái)計(jì)算其開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間。在不增加計(jì)算量的情況下，傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制和空間矢量脈寬調(diào)制方案都有跟蹤最佳電壓矢量的優(yōu)點(diǎn)。與文獻(xiàn)[14]采用傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)方法相比，該控制策略具有較低的功率脈動(dòng)、固定的開(kāi)關(guān)頻率和較低的總諧波失真等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 單周期控制策略

單周期控制（one cycle control，OCC）是一種非線性控制策略，通過(guò)控制每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管的占空比d來(lái)跟蹤控制參考量，從而實(shí)現(xiàn)電流控制。單周期控制策略在VIENNA整流器中的應(yīng)用主要分為3種[17]，分類(lèi)如圖10所示。

圖10 單周期控制策略分類(lèi)圖Fig.10 Classification diagram of single cycle control strategy

第1種控制策略是對(duì)三相電流分別采用單周期控制，相當(dāng)于控制三路單相VIENNA電路；第2種控制策略是將三相電源的中性點(diǎn)與直流側(cè)電容中點(diǎn)相連接，把電路物理解耦成3路Boost進(jìn)行并聯(lián)控制；這2種控制策略與第3種相比，開(kāi)關(guān)損耗較大，實(shí)際工程中很少采用，因此下面將對(duì)第3種控制策略進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[18]采用第3種控制策略，即串聯(lián)雙Boost解耦模式下的單周期控制，控制框圖如圖11所示。在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始階段，觸發(fā)器置位，根據(jù)三相電網(wǎng)電壓的區(qū)間劃分，將三相電流解耦成電流ip和in，再經(jīng)過(guò)全波整流電路后連接到比較器，同時(shí)輸出電壓相對(duì)于參考電壓的偏移量經(jīng)過(guò)誤差放大器，得到的電壓誤差信號(hào)Um和其通過(guò)積分器輸出的Uint疊加到加法器，從而輸出基準(zhǔn)值信號(hào)Uc。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始階段，開(kāi)關(guān)管被觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)電感儲(chǔ)存能量，經(jīng)過(guò)電感的電流上升，采樣值達(dá)到基準(zhǔn)值時(shí)，比較器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)管被控制關(guān)斷，則流經(jīng)電感的電流下降，從而控制電流。該控制策略在VIENNA整流器中的應(yīng)用無(wú)需電流基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，但該控制策略基于模擬方式實(shí)現(xiàn)，參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，靈活性較低，應(yīng)用場(chǎng)合受限。

圖11 串聯(lián)雙Boost解耦模式下VIENNA整流器的單周期控制原理圖Fig.11 Single cycle control principle diagram of VIENNA rectifier in series dual Boost decoupling mode

2.6 無(wú)源控制策略

無(wú)源控制（passivity-based control，PBC）是一種非線性控制策略[19]，是基于系統(tǒng)與外部能量進(jìn)行儲(chǔ)存、供給、耗散的控制理論。文獻(xiàn)[20]采用無(wú)源控制策略，通過(guò)建立歐拉-拉格朗日（EL）模型和端口受控哈密頓（PCHD）模型，并設(shè)計(jì)PBC控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流對(duì)期望值的跟蹤。該控制策略可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局穩(wěn)定性，對(duì)參數(shù)變化及外部擾動(dòng)均有較強(qiáng)抗干擾性，但PBC控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程較為繁瑣，計(jì)算量大。

除以上控制策略外，還有許多其它控制策略應(yīng)用于電流控制中。文獻(xiàn)[21]將模糊比例諧振控制策略應(yīng)用到VIENNA整流器中，模糊控制器的自調(diào)整結(jié)構(gòu)使得PR控制器參數(shù)可實(shí)時(shí)調(diào)整修改，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的無(wú)靜差跟蹤。文獻(xiàn)[22]在VIENNA整流器中采用精確線性化方法，并推導(dǎo)VIENNA整流器基于反饋線性化理論的狀態(tài)方程。該控制策略使得電流波動(dòng)小，但反饋線性化控制策略的數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程和控制器設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[23]基于數(shù)學(xué)模型和瞬時(shí)功率理論，推導(dǎo)出輸入有功、無(wú)功和空間矢量關(guān)系，將直接功率控制（DPC）策略用于三電平PWM整流器中。該控制策略可直接控制系統(tǒng)的有功、無(wú)功，并且可有效控制中點(diǎn)電位平衡。這些控制策略也均取得了良好控制效果，表1列出了各種電流控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，以便對(duì)比。

表1 各種電流控制策略對(duì)比表Tab.1 Comparative table of current control strategies

3 直流電壓控制

在多級(jí)系統(tǒng)中，VIENNA整流器一般作為前級(jí)AC/DC環(huán)節(jié)，因此VIENNA整流器直流側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定性與抗干擾性是保障系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。VIENNA整流器電壓外環(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證負(fù)載電壓udc跟蹤指定電壓u*dc，且不受負(fù)載電流變化的影響，為電流內(nèi)環(huán)提供指令電流值。

3.1 基于PI控制器的電壓外環(huán)控制策略

文獻(xiàn)[24]采用傳統(tǒng)PI控制器作為電壓外環(huán)，但裝置進(jìn)行啟動(dòng)或者負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，PI控制器的參數(shù)就會(huì)受到直流電壓和電流變化率的影響，因此傳統(tǒng)固定參數(shù)的PI控制器難以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。針對(duì)以上問(wèn)題，文獻(xiàn)[25]對(duì)外環(huán)控制器零點(diǎn)和環(huán)路增益進(jìn)行優(yōu)化，保證系統(tǒng)在負(fù)載波動(dòng)下保持輸出電壓穩(wěn)定的特性。

3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制策略

針對(duì)PI控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)差的問(wèn)題，文獻(xiàn)[26-27]將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于VIENNA整流器電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)中，滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要包括：首先選取合適的滑動(dòng)面，滿(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求；設(shè)計(jì)控制率，使滑動(dòng)模態(tài)達(dá)到穩(wěn)定。滑模變結(jié)構(gòu)控制相對(duì)于其它非線性控制策略最大的特點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)處于滑模狀態(tài)時(shí)，原定參數(shù)變化或外部變控量改變不會(huì)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)造成影響，魯棒性較強(qiáng)。

3.3 基于單神經(jīng)元PID控制器電壓外環(huán)控制策略

傳統(tǒng)PID控制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，魯棒性好，但應(yīng)對(duì)工況變化時(shí)動(dòng)態(tài)性能較差，而單神經(jīng)元具備自適應(yīng)調(diào)整能力，將單神經(jīng)元與傳統(tǒng)PID控制器相結(jié)合，形成的單神經(jīng)元PID控制器在應(yīng)對(duì)非線性問(wèn)題時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)[28]。文獻(xiàn)[29]采用單神經(jīng)元PID控制器來(lái)控制直流側(cè)電壓，當(dāng)負(fù)載受到擾動(dòng)時(shí)，權(quán)系數(shù)根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，直流側(cè)電壓可迅速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。該控制策略使得直流側(cè)輸出電壓具有較好的穩(wěn)定性，控制簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，同時(shí)可擺脫傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法帶來(lái)的大量編碼。

4 中點(diǎn)電位平衡控制

中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題是三電平VIENNA整流器控制的一個(gè)重點(diǎn)，本質(zhì)原因是流過(guò)直流側(cè)電容中點(diǎn)電流對(duì)兩均壓電容充放電時(shí)間不同，造成兩電容電壓不等，而中點(diǎn)電位不平衡會(huì)造成器件損壞，電流質(zhì)量下降，影響VIENNA整流器系統(tǒng)性能，因此研究中點(diǎn)電位平衡控制對(duì)VIENNA整流器的工程應(yīng)用有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們做了大量的研究來(lái)抑制中點(diǎn)電位的不平衡，包括硬件方法和軟件方法。對(duì)于硬件方法，大多數(shù)通過(guò)增加電容容值來(lái)補(bǔ)償中點(diǎn)電流，從而達(dá)到中點(diǎn)電位平衡控制，在工程應(yīng)用中，該方法會(huì)增加成本，靈活性較差，局限性強(qiáng)，實(shí)際中很少采用[30]；目前中點(diǎn)電位平衡控制主要采用軟件方法進(jìn)行控制，包括基于SPWM零序電壓注入控制、調(diào)整正負(fù)小矢量作用時(shí)間控制、中點(diǎn)電位滯環(huán)平衡控制策略和中點(diǎn)電位平衡模型預(yù)測(cè)控制策略。

中點(diǎn)電位平衡控制對(duì)VIENNA整流器性能有至關(guān)重要的作用，表2列出了上述幾種采用軟件方法的中點(diǎn)電位平衡控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，以便對(duì)比。

表2 各種中點(diǎn)電位平衡控制策略對(duì)比表Tab.2 Comparative table of midpoint potential balance control strategies

4.1 基于SPWM零序電壓注入控制策略

基于SPWM零序電壓注入控制策略的基本原理是通過(guò)直流側(cè)兩電容電壓差值計(jì)算出零序電壓分量，再作用到三相調(diào)制波，從而控制中點(diǎn)電位平衡。根據(jù)文獻(xiàn)[31]可知有3種不同算法得到零序電壓分量，分別為：利用PI控制器計(jì)算零序電壓分量、根據(jù)交流電流方向計(jì)算零序電壓分量和根據(jù)交流電流和直流電壓及電容值計(jì)算零序電壓分量。

第1種方法是采用PI控制器計(jì)算零序電壓分量，其原理是將兩電容電壓差值作用到PI控制器[32]，將其輸出的零序電壓分量作用到三相調(diào)制波來(lái)達(dá)到中點(diǎn)電位平衡控制，該控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，但PI控制器參數(shù)是針對(duì)于系統(tǒng)某一狀態(tài)而設(shè)定，因此當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)于固定參數(shù)的PI控制器來(lái)說(shuō)難以達(dá)到最優(yōu)中點(diǎn)電位平衡控制效果。

第2種方法是根據(jù)交流電流方向計(jì)算零序電壓分量，如下式：

式中：Δudc為兩電容電壓差值。

第3種方法是根據(jù)交流電流值、直流母線電壓值及電容值計(jì)算零序電壓分量，如下式：

式中：C為電容量。

以上3種零序電壓分量注入法均能達(dá)到中點(diǎn)電位平衡控制的效果，針對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求，選取不同的中點(diǎn)電位平衡控制策略。

4.2 調(diào)整正、負(fù)小矢量作用時(shí)間控制策略

4.2.1 傳統(tǒng)調(diào)整正、負(fù)小矢量作用時(shí)間控制策略

文獻(xiàn)[33-34]采用調(diào)整正、負(fù)小矢量作用時(shí)間的控制策略，根據(jù)三電平空間電壓矢量分布可知，正、負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位影響相反，忽略中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響，引入調(diào)整系數(shù)重新分配正、負(fù)小矢量作用時(shí)間，從而達(dá)到中點(diǎn)電位平衡控制。該控制策略有較強(qiáng)的中點(diǎn)電位平衡控制能力，但根據(jù)中點(diǎn)電位偏移情況來(lái)頻繁調(diào)整正、負(fù)小矢量分別作用時(shí)間，這使得直流電壓諧波含量變大，并且當(dāng)調(diào)制度較大時(shí)，中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響不容忽視。

4.2.2 調(diào)整正、負(fù)虛擬小矢量作用時(shí)間控制策略

針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)整正、負(fù)小矢量作用時(shí)間控制策略無(wú)法完全調(diào)節(jié)至中點(diǎn)電位平衡的問(wèn)題，文獻(xiàn)[35]采用一種基于空間虛擬矢量調(diào)制的控制策略，通過(guò)調(diào)整正、負(fù)虛擬小矢量作用時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位偏差，理論上能完全達(dá)到中點(diǎn)電位平衡，但該控制策略存在開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題。

4.3 中點(diǎn)電位滯環(huán)平衡控制策略

文獻(xiàn)[36]采用中點(diǎn)電位滯環(huán)平衡控制策略，其原理是在中點(diǎn)電位設(shè)定一個(gè)滯環(huán)寬度，當(dāng)中點(diǎn)電位偏差超越該寬度時(shí)，根據(jù)中點(diǎn)電位偏離方向來(lái)相應(yīng)選擇使趨于平衡點(diǎn)的小矢量作用，從而達(dá)到中點(diǎn)電位平衡控制的目的。該控制策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，但VIENNA整流器運(yùn)行在低功率因數(shù)時(shí)，中點(diǎn)電位平衡控制效果較差，且存在控制盲區(qū)。針對(duì)此問(wèn)題，該文獻(xiàn)又提出一種將準(zhǔn)確補(bǔ)償控制與滯環(huán)控制相結(jié)合的控制策略，中點(diǎn)電位平衡控制效果較好。

4.4 中點(diǎn)電位平衡模型預(yù)測(cè)控制策略

文獻(xiàn)[37]將一種基于離散空間矢量調(diào)制的中點(diǎn)電位平衡模型預(yù)測(cè)控制策略用于VIENNA整流器中，在可行的預(yù)測(cè)電壓矢量中加入虛擬電壓矢量，可選擇更多冗余的小矢量來(lái)平衡輸出電壓，與常規(guī)FCS-MPC平衡法計(jì)算預(yù)測(cè)電壓的方法相比，該控制策略計(jì)算量少，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有良好的輸出中點(diǎn)電位平衡和輸入電流性能。文獻(xiàn)[38]將基于離散空間矢量調(diào)制的模型預(yù)測(cè)控制方法用于連接風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）的VIENNA整流電路中。中點(diǎn)電壓通過(guò)VIENNA整流器中點(diǎn)電壓模型計(jì)算得到的偏置電壓作為平衡控制，可實(shí)現(xiàn)低電流紋波和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高性能，為VIENNA整流器在永磁同步電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有的VIENNA整流器控制策略進(jìn)行了全面介紹與總結(jié)，根據(jù)VIENNA整流器應(yīng)用現(xiàn)狀及場(chǎng)景需求可從以下方面進(jìn)行深入研究：

1）實(shí)際工程應(yīng)用中，電網(wǎng)中負(fù)荷分布不均衡會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不平衡，從而造成VIENNA整流器交流側(cè)電流不平衡，則電流幅值較大的一相會(huì)出現(xiàn)過(guò)流損壞；另外負(fù)序電流的存在會(huì)導(dǎo)致直流電壓出現(xiàn)二倍工頻波動(dòng)，對(duì)后續(xù)充電系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響?；诶硐腚娋W(wǎng)的控制策略，無(wú)法解決上述問(wèn)題，因此亟需研究電網(wǎng)電壓不平衡情況下的控制策略。

2）基于寬禁帶材料的碳化硅（SiC）等新器件具有導(dǎo)通壓降小、耐高溫高壓、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，目前英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體公司將1 200 V第5代SiC肖特基二極管代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅材料應(yīng)用于VIENNA整流器中，設(shè)計(jì)方案效率高達(dá)98%。因此VIENNA整流器可通過(guò)SiC等新型器件來(lái)滿(mǎn)足高壓大功率場(chǎng)合應(yīng)用需求。