基于准比例谐振的VIENNA整流器中点电位平衡策略

王倩，同向前，张皓，党超亮

（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）

基于准比例谐振的VIENNA整流器中点电位平衡策略

王倩，同向前，张皓，党超亮

（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）

传统双闭环PI控制由于相位误差的存在难以实现交流量的零静差跟踪，同时dq解耦控制策略往往又需多次坐标变换，不利于数字实现。基于此，将准比例谐振控制器（QPR）引入VIENNA整流器的控制系统，同时针对直流侧电压不平衡问题，提出一种基于QPR控制器的直流侧电压中点平衡控制策略，进一步改善网侧电流质量，提升整机效率。为验证文中策略的正确性，构建了基于QPR控制的VIENNA整流系统完整的仿真模型与实验样机，结果表明该控制策略可有效改善直流侧均压并有效抑制网侧电流谐波影响，动静态性能优良。

VIENNA整流器；准比例谐振控制；PI控制；中点电位平衡

相比传统的-48 V低压直流供电和交流UPS而言，高压直流供电方式由于可靠性高，功耗低，效率高等优势受到普遍关注。作为高压直流供电系统的核心设备，基于功率MOSFET器件和高频PWM技术的电压源整流器以其优良的电网接口特性得到广泛应用。其中VIENNA整流器，因其可控开关器件少、器件电压应力低、无桥臂直通获得了广泛应用。

文献［1］研究了基于平均电流的双闭环PI控制，然而采用传统PI控制难以完全实现零静差跟踪，此外文中涉及利用叠加直流偏移量的方式调节中点电位，其偏移参数的选取往往较大程度依赖于工程经验，不利工程应用；文献［2］构建了基于SVPWM简化算法的VIENNA整流系统，由于需多次坐标变换，不利于数字实现；文献［3］对滞环电流控制和平均电流控制下VIENNA整流器进行了定量分析，然而控制性能较大程度上依赖于环宽的设置，对于实际应用具有一定的局限性。

综上可以看到，传统控制策略在控制性能上均存在一定的不足，缺乏较为全面的理论与可靠性分析。文中在详细分析VIENNA整流器数学模型的基础上，针对VIENNA整流系统直流侧电压不平衡问题及网侧电压谐波污染，提出并采用了一种新型的基于PR控制的VIENNA整流器双闭环控制策略与中点电位平衡控制。给出了详细的理论推导与实现方案设计，构建了完整的仿真模型与实验样机，仿真与实验结果表明：文中提出并采用的控制策略可有效平衡中点电位。

1　VIENNA整流器的数学模型

图1为三相VIENNA整流器主电路拓扑图。其中，ua，ub，uc为电网电压；ia，ib，ic为网侧电流；La，Lb，Lc为抑制高次谐波的升压电感；C1，C2为滤波电容；可有效降低直流电压纹波；D1～D6为升压二极管；Sa1，Sa2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2为开关管MOSFET；R1和R2为直流侧负载。

图1　VIENNA整流器主电路拓扑Fig.1　The main circuit topology of VIENNA rectifier

为方便理论分析，假设所有功率开关均为理想器件，开关频率远远大于基波频率［4］。假设Si（i=A，B，C）为第i相的开关函数，则各相开关状态可表示为

根据图1所示电路，VIENNA整流器可由下面的等式来描述：

假设三相电压平衡，且输入功率因数为1，得：

于是：

式（2）～（4）中：uAN，uBN，uCN分别为交流输入端对交流电源中性点N的电压；uAM，uBM，uCM分别为三相桥臂交流输入端对输出中点M的电压；uNM为中点M对中性点N的电压。

又对于直流正母线节点p，有：

对于直流负母线节点n有：

对于直流侧回路有：

由式（2）～式（7）可得VIENNA整流器在abc自然坐标系下的数学模型为

2　VIENNA整流系统控制策略

文中设计采用的控制系统框图如图2所示。直流电压环控制采用PI调节器，控制正负母线间输出的总直流电压大小，电压外环输出乘以单位正弦矢量作为网侧电流的参考信号；电流内环引入QPR控制器，实现对三相电流波形的零静差跟踪；中点电位补偿环节根据直流电压脉动频率引入相应谐振频率的QPR控制器，利用调节三相电流参考值从而平衡中点电位。

图2　基于QPR控制器的双闭环控制框图Fig.2　Diagram of double loop control based on QPR controller

2.1基于QPR控制器的网侧电流控制

PR是作为内模控制的一种［5-6］。当给定信号为直流信号时，控制器只需1个积分器1/s就可实现无稳态误差；而当给定信号为某一频率ω0的周期信号Asin（ω0t+φ）时，积分器的引入并不能完全消除稳态误差［7］。为此，控制器需含有s/（s2+ω03）或ωcs/（s2+2ω0s+ω02）的模型，才能保证被控信号的频率和形状不变，从而实现零静差跟踪。

PR控制器由比例环节和广义积分环节组成，其传递函数GPR（s）为

式中：Kp，Kr分别为比例环节和积分环节的系数。当输入信号的频率为ω0时，传递函数增益无穷大，实现对交流输入信号的零静差跟踪。

由于比例谐振控制器只在谐振频率处增益很大，在非谐振频率处增益衰减很快。若电网频率发生偏移，增益将明显下降。

为增大谐振频率附近增益，提高抗扰性能，文中采用的准比例谐振（QPR）控制［8］表达式为

式中：ω0为谐振频率；ωc为截止频率。

在谐振点处增益为（Kp+Kr）［9］。

图3为谐振频率为314 rad/s时，QPR控制器波特图。可以看到，QPR控制器既能保持PR控制高增益的优点，又增大了带宽，减小由电网频率偏移带来的影响。

图3　QPR控制器波特图Fig.3　Bode plot of QPR controller

根据式（8）数学方程可得其电流内环控制简图如图4所示。

图4　基于QPR控制器的电流环系统图Fig.4　System diagram of current loop based on QPR controller

如图4所示，电流内环的开环传递函数为

式中：R为电感等效内阻；ωc为系统频率带宽。考虑电网基波频率最大可能波动在（50±0.5）Hz，所以ωc≥2π。

2.2基于QPR控制器的中点电位平衡控制

直流侧输出电容由于特性误差、负载不平衡等因素都可能导致中点电位不平衡。中点电位不平衡的存在容易引起电容或功率器件的电压应力增大，甚至导致功率器件及直流侧电容的损坏［10］，因此中点均压具有重要研究意义。

由式（8）可看出，电容两端的电压与三相电流及其开关管状态有关，通过改变开关管的状态，即可实现对中点电流iM的控制，从而改变电容两端的电压。

已有的研究表明，稳态时，电容两端电压总在给定值附近以一个固定频率 f彼此向相反趋势脉动。故2个直流电压之差ΔUdc是一个频率为 f的交流量。故可引入准比例谐振控制器（QPR）对此交流量进行跟踪，并通过反馈直至中点电位误差很小且达到稳定，谐振频率ω0设为2πf。文中设计的控制方案见图5。

图5　中点电压平衡控制框图Fig.5　Diagram of neutral point voltage balance control

当Kp越大时，比例增益也越大，当Kp增大到一定程度时，增益值会达到一条直线，呈饱和状态。Kr可以减小稳态误差，但对带宽会造成影响。ωc越大，带宽越大，ωc对谐振频率处的增益没有影响，可以根据中点电压所允许的频率偏差来进行调整。

为了保证离散化后的谐振频率保持不变，采用预修正的双线性变换：

中点电位补偿量为

式中：ω为需要修正的谐振频率；Ts为采样周期。将式（14）代入式（10）进行准比例谐振控制器的离散，得传递函数如下：

其中

由式（15）得到QPR控制器在数字信号处理器DSP可以实现的差分方程为

式中：e（k）为中点电压误差信号；u（k）为QPR控制器输出信号。

3　仿真与实验分析

基于上述理论分析，构建了引入中点平衡策略的VIENNA整流器PR控制完整的仿真模型。文中涉及的系统参数为三相输入电压380V/50Hz，输出额定功率5.8 kW，三相输入电感2.5 mH，输出滤波电容540 μF，输出直流电压±400 V，开关频率20 kHz。

图6为稳态额定负载下，分别采用传统的双闭环PI控制和采用基于QPR控制器的双闭环控制时A相电流波形。

图6　传统PI控制和QPR控制下A相电流波形Fig.6　Waveforms of A phase current based on traditional PI and QPR control

图7为分别采用传统的叠加直流偏移量和基于QPR控制器进行中点电位平衡控制时正负母线电压波形。前者波动率为1.25%。后者波动率为0.03%。

图7　传统PI控制和QPR控制下中点电压波形Fig.7　Waveforms of neutral point voltage based on traditional PI and QPR control

为验证系统的中点电位平衡性能，将正负母线的负载分别设为50 Ω和40 Ω。此时，若未加中点电压平衡控制，如图8前半段所示，中点电压偏差约96 V。0.5 s加入中点电压平衡控制后，中点电压偏差约0.06 V，验证了文中中点平衡控制的有效性。

图8　引入中点电压平衡控制前后电压波形Fig.8　Waveforms of neutral point voltage before and after neutral point voltage balance control

如图9所示，将整流器负载由额定110 Ω突变至220 Ω时，系统经过一个半周波即达到稳定。可见，在负载扰动时扰动抑制能力良好，直流输出电压波动较小，具有较好的鲁棒性。

图9　负载突变前后系统输出波形Fig.9　Waveforms before and after load mutation

为进一步验证文中策略的有效性，在上述仿真分析的基础上，构建了1台VIENNA整流器实验样机。实验参数：直流侧给定为DC±100 V，输入电压AC100 V（实验中使用三相调压器模拟电网电压），其余参数与仿真保持一致。其中图10为稳定运行时，A相输入电压、电流及直流侧输出波形，如图10所示，电压电流保持同相位，控制效果良好；图11为上下电容负载不平衡时，引入QPR中点平衡策略时，直流侧电容输出电压波形，结果表明采用文中控制策略可有效平衡直流输出电压，动态性能良好。

图10　A相输入电压、电流波形Fig.10　Voltage and current waveforms of A phase

图11　引入中点平衡策略，直流电压输出波形Fig11　Waveform of DC output with midpoint balance strategy

图12为当负载突降30 Ω时，A相输入电压、电流波形。可以明显看到，当负载突变，电压、电流依然保持同相位，直流输出电压平滑。

图12　负载突变时，A相输入电流、电压波形Fig.12　Input current and voltage waveforms of A phase while the load mutation

4　结论

针对VIENNA整流器的中点电位不平衡问题和网侧电流质量，提出基于QPR控制器的中点电位平衡策略和三相独立双闭环控制策略，仿真结果表明：采用文中控制策略有效降低了网侧电流波形畸变率，提高了网侧电流质量；同时抑制甚至消除了由于直流负载不平衡等因素引起的中点电位不平衡问题。

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Strategy of Neutral Point Potential Balancing for VIENNA Rectifier Based on Quasi Proportional Resonant Control

WANG Qian，TONG Xiangqian，ZHANG Hao，DANG Chaoliang
（School of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

Due to the phase error，the traditional PI controller cannot achieve the zero static error of alternating current.Moreover，the strategy of dq decoupling control is not conducive to the digital implementation and multiple coordinate transformations will be inevitable.The quasi proportional resonant controller（QPR）was introduced to the control system of VIENNA rectifier.Aiming at the imbalance of DC side voltage，a kind of control strategy for neutral point balance at DC side voltage based on QPR controller was proposed which improved the current quality and the efficiency of machine.In order to verify the correctness of the method，a complete simulation model and prototype under QPR control was built.Both the simulation and experiment results show that the strategy with good performance of dynamic and static can effectively improve the balance of DC side voltage and limit the impact of current harmonics.

VIENNA rectifier；quasi proportional resonant control；proportional integral control；neutral point voltage balance

TM464

A

2015-06-09

修改稿日期：2016-05-03

陕西省重点学科建设专项基金（5X1301）；高等学校博士学科点专项科研基金（20126118110009）

王倩（1990-），女，硕士研究生，Email：616823703@qq.com