基于空间矢量调制的VIENNA型三相三电平整流器设计

齐如军，康龙云

（华南理工大学 电力学院，广东广州 510640）

基于空间矢量调制的VIENNA型三相三电平整流器设计

齐如军，康龙云

（华南理工大学 电力学院，广东广州 510640）

本文使用空间矢量调制对VIENNA型三相三电平整流器进行控制，通过分析空间矢量调制基础矢量对整流器输出电压中点的影响，得出可以引入了小矢量作用系数对中线电流进行补偿，减小中点电压的周期性波动。为了验证设计的有效性，本文使用MATLAB中的Simulink仿真环境搭建了电路和控制系统进行仿真。仿真结果表明：通过空间矢量调制可以使VIENNA整流器获得正弦化的三相输入电流和直流输出，增加中点电流补偿后，可以获得较小的中点电压波动，实现中点电压平衡。

空间矢量调制；VIENNA整流器；中点平衡

本文引用格式：齐如军，康龙云.基于空间矢量调制的VIENNA型三相三电平整流器设计［J］. 新型工业化，2016，6（5）：15-21.

0 引言

电力电子装置广泛应用在电能变换中，是电力系统重要的谐波源之一。本文研究的VIENNA整流器，是近些年使用较多的一种新型三电平整流拓扑，常常作为通信电源和电动汽车充电桩［1］［2］的前级。与两电平PWM整流器相比，VIENNA整流器具有三电平电路的优点：电平数的增加使得电流波形畸变显著减小，具有更好的电能质量；对于功率器件，开关管的电压应力明显降低，减少了开关损耗；使得输入电流THD 可以显著降低［3-5］。另外VIENNA整流器不存在桥臂直通问题，不用考虑死区补偿，开关频率可以更高［4］。因此，对VIENNA整流器进行研究是非常有必要的。在所有的整流器控制策略中，电网电压定向的直接电流控制最常用的［6］。三电平整流器在使用这种控制方式时，由于电流内环和电压开环只关注于功率因数和输出电压的控制，会导致大量的三次谐波注入直流侧中点，引起中点电压的周期性波动［7］［8］。

基于上述情况，本文分析了VIENNA整流器拓扑的工作原理，推导了其在同步旋转坐标系下的数学模型，引入了VIENNA整流器的一种三电平空间矢量降阶为两电平空间矢量的调制方法。并且通过分析基础矢量对整流器中线电流的影响，引入了小矢量作用系数形成闭环控制策略，通过增加一个中线电流控制器对中线电流进行补偿，减小中点电压的周期性波动。

图1　VIENNA整流器的拓扑原理图Fig.1 Topology diagram ofthree phase VIENNA-type rectifier

1 VIENNA整流器的数学模型和空间矢量调制

1.1VIENNA整流器的数学模型

VIENNA整流器的电路拓扑图如图1所示。在建模过程中，假定电网电压对称，所有的开关管和二极管均为理想开关，将电感和导线的串联等效电阻记为，并且不考虑电感饱和。

Ka，Kb，Kc是三个交流开关，通过与二极管配合，相当于一个单刀三掷开关，可以用函数Sk表示，其定义如式（1）。

其中，k=a，b，c，ik为第k相的电流。由于每个单刀三掷开关Sk都有正（p）、零（0）、负（n）三种状态，可以将Sk拆分为三个开关函数Skp，Sk0，Skn，并使Sk=Skp+Sk0-Skn。

则图1中的电压电流用开关函数表示，在三静止坐标系下，可以写出VIENNA整流器的状态方程如式（3）。

式（3）是VIENNA整流器在三相静止坐标系下的数学模型，这种模型虽然物理意义明确，但模型包含三相交流变量，不利于控制器的设计，通常将模型转换成三相电网电压矢量同步旋转坐标系中进行设计［6］［9］。由三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系的变换方程如式（4）。

将式（3）按式（4）转换到同步旋转坐标系下，整理可得式（5）。

根据式（5）容易得出同步旋转坐标系下的VIENNA整流器的等效电路模型如图2。

图2　同步旋转坐标系下VIENNA整流器的等效电路模型Fig.2 Equivalentcircuit of VIENNA-type rectifier in synchronous rotating coordinate

根据VIENNA整流器的数学模型，建立电网电压定向直接电流控制的框图如图3。

图3　VIENNA整流器的控制方案框图Fig.3 VIENNA-type rectifier control system

1.2VIENNA整流器的空间矢量调制

VIENNA整流器的基础矢量共有27个，其在复平面上的分布如图4（左）所示，图中标明了每个基础矢量对应的开关管的状态，1为开通，0为关断。在使用基础矢量合成目标矢量时，需要计算出每个基础矢量的作用次序和作用时间，进而推导出每个开关管的开通和关断时刻。为了减少运算量，此处介绍一种将三电平降阶为两电平的计算方式。

由于开关与电流方向有关，按照稳态时电流的方向对基础矢量进行分区，可以将整个复平面划分成6个大扇区（H1～H6），如图4（右）所示。

图4　VIENNA整流器的基础矢量及分区方式Fig.4 Base vectors of VIENNA-type rectifier and Sector division

然后对目标矢量和所在扇区的基础矢量原点进行坐标平移，以第一大扇区H1为例，平移如图5所示。可以看出，矢量平移之后，三电平空间矢量调制完全降阶为两电平空间矢量调制，两电平空间矢量调制的各种方式均可应用在三电平空间矢量调制中。两电平的空间矢量调制，可以参考文献［6］。

图5　目标矢量与基础矢量的平移Fig.5 Translations of reference vector and base vectors

1.3VIENNA整流器的中点电压平衡

与两电平的整流器不同的是，除了保证输出电压稳定和输入电流正弦化，三电平整流器往往还要控制直流侧中点电压的稳定。中点电压控制的目标是使上下两个电容上的电压相等，上下电容电压相等是交流侧产生三种电平的前提，中点电压的波动，不但会影响交流侧电流的波形，还会影响直流侧电容的滤波和容量选择［7］。在1.1节的数学模型中，可以看出，上下电容的电压差只受中线电流影响，通过控制中线电流的流动，就可以对中点电压进行控制。在使用空间矢量调制时，开关状态是以基础矢量为单位进行变化的，只要弄清每个基础矢量如何影响中点电流，通过对基础矢量的适当调整，就可以实现中点电压的控制。

将图4中的基础矢量根据其模值大小分为：大矢量，中矢量，小矢量和零矢量。容易看出，大矢量和零矢量作用时，不存在中线电流，则对中点电压的波动无影响。中矢量处于两个大扇区分区的边界上，中线电流在分界线处过零，对两个相邻的不同分区，其对中点电压的影响相反。小矢量较复杂，对中线电流的影响如图6，两个开关状态对中线电流影响相反。

由于同一大扇区的两个小矢量对中线电流的影响是相反的，则可以通过合理控制小矢量两个开关状态的作用时间，来对中线电流进行补偿，以求减小中点电压的波动。在进行七段式SVPWM合成时，以第一大扇区的第一小扇区为例，如图5，使用矢量，和两个零矢量、进行合成。矢量合成图如图7所示。可以看出，两个零矢量、共享零矢量的作用时间，此处的零矢量是小矢量平移后的结果。由于、对中线电流的影响是相反的，此处引入一个小矢量作用系数（），对中线电流进行补偿，如图7（右）所示。系数与上下电容的压差成正比，见图5中的均压控制环。

图6　基础矢量中小矢量对中线电流的影响Fig.6 Center point current can be influenced bi-directional by small vectors

图7　七段式空间矢量的合成Fig.7 Reference synthesized using seven base vectorsegments

2 VIENNA整流器的MATLAB仿真结果

为了验证上一节提出的补偿方式的可行性，借助数学工具MATLAB/Simulink进行了仿真验证，主要的仿真参数如表1所示。

表1　VIENNA型三电平整流器的仿真参数Tab.1 Parameters for VIENNA-type rectifier simulation

图8给出了无中线电流补偿时的仿真结果。图8（a）为交流侧相电压与相电流的波形，可以看出此时的电流已经正弦化，电压与电流基本同相位，经过傅立叶分析可知，此时的THD约为6.18%。图8（b）为直流侧的输出电压和输出电流，可以看出，直流输出电压有一个很高的过冲，但可以稳定在给定电压。图8（c）为直流侧串联电容的电压波形，可以看出，两个电容上电压存在互补的电压抖动，在实际选择电容时，一般需要考虑这个电压抖动。由于没有中点电压平衡电路，两个电容上的平均电压不等，即中点电压存在偏移。

图8　无中线电流补偿时的仿真波形Fig.8 Simulation results without center point current compensation

图9 添加中线电流补偿后的仿真波形Fig.9 Simulation results with center point current compensation

图9给出了添加中线电流补偿后的仿真结果。图9（a）为交流侧的输入电压和电流，可以看出电流已经正弦化，经傅立叶分析可知，其THD为5.2%，相对于不加中线电流补偿的方式，谐波畸变率降低了约一个百分点。图9（b）为直流侧的输出电压和输出电流，其同样稳定在给定电压，但电压过冲明显低于图8（b）。图9（c）为直流侧电容的电压波形，经过中线电流补偿之后，两个电容的电压波动降低至1V以下，且两电容上的平均电压相等，达到了电压均衡的目的。

3 总结

本文详细分析了VIENNA整流器拓扑，建立了其在同步旋转坐标系下的数学模型，利用矢量原点的平移，简化了三电平空间矢量的调制，并根据基础矢量对中线电流的影响，提供了一种中线电流的补偿方法。最后通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型对提出的策略进行了验证。结果表明，利用空间矢量的小矢量对中线电流进行补偿可以提高输入电流的谐波畸变率和功率因数，减小输出电压启动过程中的电压过冲，实现输出侧电容的电压均衡，提高了VIENNA整流器的性能。

［1］ 董瑞青. 新能源汽车发展战略研究［J］. 新型工业化，2011，1（3）：19-24. R Q Dong. Research on New Energy Vehicle Develop Strategies ［J］. The Journal of New Industrialization，2011，1（3）：19-24.

［2］ 曹旭，孙晓明，张珂. 基于PI控制的智能铅酸蓄电池充电器设计［J］. 新型工业化，2011，1（8）：46-51. X Cao，X M Sun，K Zhang. The design of VRLA battery charging device based on PI control technology ［J］. The Journal of New Industrialization，2011，1（8）：46-51.

［3］ Johann W. Kolar，Franz C. Zach. A Novel Three-Phase Utility Interface Minimizing Line Current Harmonics of High Power Telecommunications Rectifier Modules ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44（4）：456-467.

［4］ Johann W. Kolar，Franz C. Zach. Space Vector Based Analysis of the Variation and Control of the Neutral Potential of Hysteresis Current Controlled Three-Phase/Switch/Level PWM Rectifier System ［C］. International Conference on Power Electronics & Drive Systems. 1995（1）：22-33.

［5］ Grzegorz Radomski. Analysis of VIENNA Rectifier ［J］. Electronical Power Quality and Utilization Journal. 2005（6）.

［6］ 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2012（2）. X Zhang，C W Zhang. PWM Rectifier and Control ［M］. Beijing：China Machine Press，2012（2）.

［7］ JosepPou，Pedro Rodriguez. Evaluation of the Low-Frequency Neutral-Point Voltage Oscillation in the Three-Level Inverter［J］. IEEE Transactions on Industry Applications. 2003，52（6）：2179-2184.

［8］ Ashish Bendre，GiriVenkataramanan. Modeling and Design of a Neutral-Point Voltage Regulator for a Three-Level Diode-Clamped Inverter Using Multiple-Carrier Modulation ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications，2006，53（3）：718-726.

［9］ 张卫平.开关变换器的建模与控制［M］.北京：中国电力出版社，2005. W P Zhang. Modeling and Control of Switching Converters［M］. Beijing：China Power Press，2005.

［10］ 孙洪程，李大字，翁维勤.过程控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2006. H C Sun，D Z Li，W Q Weng. Process Control Engineering［M］. Beijing：Higher Education Press，2006.

Design of Three-Phase Three-level VIENNA-typeRectifier Module Based on Space Vector Modulation

QI Ru-jun， KANG Long-yun
（School of Electric Power， South China University of Technology， Guangzhou， 510640， China）

This article applies space vector modulation on the VIENNA-type rectifier. The resultsof how the base vectors affect center point currentare analyzed in detail and a strategy that center point current can be compensated with a reasonable working time modification of the small base vectors is put forward. Through the compensation， the capacitor ripple voltage can be controlled in small scale and the output neutral-point voltage balancing can be achieved. A simulation setup using MATLAB/Simulink is utilized to test the control strategy and the results verify this approach.

Space vector modulation； VIENNA-type rectifier； Neutral-point voltage control

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.05.003

QI Ru-jun， KANG Long-yun. Design of Three-Phase Three-level VIENNA-typeRectifier Module Based on Space Vector Modulation［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（5）: 15-21.

国家自然科学基金项目青年基金资助项目（51377058，61104181）

齐如军（1990-），男，硕士，研究方向：电力电子与电力传动；康龙云（1961-），男，教授，博士生导师，研究方向：电动汽车和新能源发电