单周期控制VIENNA整流器中点平衡研究

高 燃，张维戈，牛利勇，姜久春

（北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

单周期控制VIENNA整流器中点平衡研究

高 燃，张维戈，牛利勇，姜久春

（北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

VIENNA整流器是一种新型的三电平整流器拓扑，近年来因为其性能优良得到了广泛关注。作为一种优良的新兴控制技术，单周期控制下的VIENNA整流器具有结构简单、响应速度快、谐波含量低、开关频率恒定等优点。针对VIENNA整流器的三电平特性，分析了在单周期控制下其输出电容的中点平衡问题，并使用Mat l ab仿真给出验证。

VIENNA整流器；单周期控制；中点平衡；功率因数校正

VIENNA整流器是一种新型的三电平拓扑[1]，由于其优异的性能近年来广受关注，适用于大部分AC-DC供电领域。单周期控制作为一种新型技术因为其优秀的控制特性近年来在PFC领域上也逐渐得到应用。

一直以来中点电压平衡控制是三电平变换器的研究热点。对于单周期控制的VIENNA整流器，在只采集输出总电压的情况下，文献[2]和文献[3]分别论证了在串联双Boost解耦模式下[4]的VIENNA整流器和单相VIENNA整流器均能实现输出中点电压的自动均衡，其中文献[3]的论证同样适用于三相四线制模式的VIENNA整流器[5]。

本文针对文献[6]提出的三相三线制单周期控制VIENNA整流器的中点平衡问题做出研究，通过数学建模和中点电流分析，结合Matlab仿真，论证了在单周期控制下的VIENNA整流器能够实现输出中点的自动平衡控制。

1 单周期控制VIENNA整流器工作原理

图1是VIENNA拓扑简图，其中开关管均为双向开关，仅以单相工作过程为例说明其工作原理。

（1）a相电压正半周：开关Sa导通时，电感La与输出零电位中点连接，电感储能，电流流向为Va→La→Sa→M；Sa关断时，电感通过二极管Dap对电容C1充电，电流减小，电流流向为Va→La→Dap→C1；

图1 VIENNA整流器电路拓扑

（2）a相电压负半周：开关Sa导通时，电感反向储能，电流流向为M→Sa→La→Va，Sa关断时，电感通过二极管Dan对电容C2反向充电，电流流向为C2负端→Dan→La→Va。其它两相工作与此类似。

由工作原理可知，输出电容电压均衡时，中点M平均电压为 0；故在各相电压正半周期间，其电感末端电压 VA,B,C在+VO/2和0间跳变；电压负半周时，VA,B,C在－VO/2和0间跳变；拓扑具有三电平特性。

文献[6]中提出了单周期控制该拓扑，在输出电容电压均衡条件下做了详细分析；此种模式下的三相互相耦合，其基于单周期控制的核心方程[6]为：

2 输出中点平衡分析

压差构成负反馈。即VC1＞VC2，ΔU＞0时，iM＞0，中点电流正向流入，给C2充电，使VC2上升，VC1下降，直到VC1=VC2；从而实现中点电压平衡。可以证明，当ΔU＜0时，iM＜0也能实现负反馈调节。

由于电压区间划分具有对称性，此关系在0°～360°区间均成立，即在全电压区间内，中点电流均可实现中点平衡控制，将式（12）代入电容方程，通过近似数值分析可证明电容电压偏差将以指数方式衰减。

3 系统仿真验证

由上文分析，使用Matlab/Simulink进行电路仿真。参数如下：输入电压为三相220 V/50 Hz；输出电压为700 V；开关频率50 kHz；输出功率为10 kW；输入电感为300μH。

初始时刻，设定VC1=400 V，VC2=300 V，使中点不平衡。输出电容各取2 000μF。

图4可知，电容初始VC1＞VC2时，中点电流对C2充电，电路可完成电容电压的自动均衡，该过程中输出总电压不变。

图4 初始电容电压不均衡

改变不平衡条件，现设定正负母线电容值不一致，电容电压初始值为0；分别为C1=3 000μF，C2=1 000μF。

图5可知，在C1＞C2，时，起初电容电压严重不均衡，中点电流对C1充电，电路实现了电容电压的自动均衡，且该过程中输出总电压保持在设定值。

图5 电容值不一致

解除不平衡条件，保持输出电容一致以及初始电压值为0，在正常条件下进行仿真。图6为输入电流、电压。

可见，使用单周期控制的VIENNA整流器可以很好地保证三相输入电流的正弦化。

如图7所示，使用傅里叶分析可得THD=2.43%，继而可计算出功率因数值，可见该策略下的三电平整流器可实现单位功率因数。

图6 输入电流、电压

图7 傅里叶谐波分析

图8 双向开关管电压应力

从图8中可以看出，不考虑尖峰电压，双向开关管的电压应力仅为输出电压的一半，大大降低了对开关器件的要求。

4 结论

本文针对三电平整流器普遍存在的中点电压平衡问题，研究了在单周期控制下一种新型三电平VIENNA整流器的中点平衡特性；通过数学建模和中点电流的理论分析，证明了单周期控制下的VIENNA整流器可以在只采集输出全电压的条件下实现输出中点的自动平衡；并通过仿真验证表明，该模式下的VIENNA整流器具有中点电压自动均衡能力，同时具有低谐波、功率器件应力小、结构简单等特点，具有很好的应用前景。

[1] KOLAR JW.A novel three-phase utility interfaceminimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifiermodules[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44(4): 456-466.

[2] 雷涛,张晓斌.单周期控制串联双Boost高功率因数整流器研究[J].电力电子技术,2006,40(5):35-37.

[3] 江涛,毛鹏.基于简单模拟控制的单相VIENNA整流器研究[J].电力电子技术,2009,43(11):66-67.

[4] 张厚升,胡振营.基于单周控制的通用三相PFC控制器的研究[J].电工技术学报2004,19(9):73-76.

[5] 张先进,徐坚.单周控制三相4线制VIENNA整流器研究[J].电气传动，2009,39(1):31-33.

[6] QIAO C M,SMEDLEY K M.Three-phase unity-power factor star-connected sw itch(VIENNA)rectifier with unified con stant frequency integration control[J].IEEE Trans on Power Electronics, 2003,18(4):952-957.

Neutralpointbalanced research of VIENNA rectifierbased on OCC-control

GAO Ran,ZHANGWei-ge,NIU LI-yong,JIANG Jiu-chun
(School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

VIENNA rectifier is a new topology of three-level family which has been concerned widely due to its excellent performance.As a burgeoning control method,one cycle control(OCC-Control)can be used in VEINNA rectifier for simple structure,fast response,low harmonic and constant switching frequency.Aiming at the three-level characteristic of VIENNA rectifier,the neutral point balanced of the rectifier was studied under OCC-Control.At last, a simulation model was built in Matlab.The simulation results validate the validity of theoretical analysis and control algorithm.

VIENNA rectifier;one cycle control;neutral point balanced;PFC

TM 461

A

1002-087 X(2013)11-2040-04

2013-04-23

北京市科技计划（Z111100054111007）

高燃(1988—),男,安徽省人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动。