基于载波移相控制的三相VIENNA整流器研究

王绍煦，曾奕彰，黎文权，郭超群，付君宇

（1.深圳市科华恒盛科技有限公司，广东 深圳 518055；2.漳州科华技术有限责任公司，福建 漳州 363000）

0 引 言

随着电力电子技术的发展和电子整流器、静态变流器等交直流设备非线性特性的广泛利用，配电系统产生的谐波电流畸变不断增大，电力污染问题日益突出[1]。现代交直流变流器使输入电流跟踪输入电压，功率因数接近1。电网要求变流器呈现一个电阻负载[2]，以降低电路复杂度和元件应力，提高功率密度、效率、可靠性及输出电压的可控性。文献[3]提出了功率器件开关频率与电网频率相同的控制方法，可在相电压过零时动作，开环控制简单，总谐波失真处于可接受的工作水平。但是，该方法不能控制输出电压，总谐波失真在开关器件导通角度选择不同于30°时增加。虽然文献[4]在文献[3]的基础上改善了控制方法，但仍不能控制输出电压。文献[5-6]分别采用先进的空间矢量调制技术和复杂的数字逻辑技术，利用信号处理器实现控制，且均使用了滞回控制器。这两种控制方法具有输入电流谐波小、输出电压中心点平衡及输出电压可控性强等优点，缺点是开关频率的变化（滞回控制器的固有问题）导致输入EMC滤波器的设计复杂。文献[7]中，将三相整流器视为三个单相单元，控制采用具有三个独立电流回路的单相调制器实现。虽然该方法控制简单，但输入电流纹波远高于矢量控制。此外，由于使用了三个独立电流回路，无法同步开关器件的命令信号，从而影响了控制性能。文献[8]则提出了一种双斜坡比较控制技术，实现了主命令信号的同步，从而简化了EMC滤波器，减少了输入电流纹波。但是，该控制系统需产生一个正弦函数，以平衡输出电压。由于该函数的相位和频率必须与电源同步，导致控制更加复杂化。

本文采用载波移相控制策略设计了三相维也纳整流器控制系统。该控制方法简单精确，实现了输入功率因数的校正和输出直流电压的调节，同时进行了仿真和实验验证。

1 电路原理介绍

三相三电平维也纳整流器有不同的电路形式，图1为常用的一种电路原理图。其中，ex表示各相电压，ix表示各相电流，x表示a、b、c相，D1～D6为快速二极管，S1～S6为高频全控开关器件，RL为直流侧负载，C为直流电容，L为电感等效参数，udc为直流侧电压，io为负载电流。虽然拓扑形式不同，但它们的工作原理基本相同[9]。

图1 三相维也纳整流电路

当开关管闭合时，输入端被钳位于O点；当开关管打开时，输入电流的方向决定输入端的电位。如果输入电流为正，输入端被钳位于P点；如果输入电流为负，输入端被钳位于N点。因此，共有27种可能的状态，图2为其空间矢量图。

图2 空间矢量图

2 载波移相控制策略

传统的空间矢量调制技术计算复杂，载波移相技术可简化计算，实现三电平空间矢量调制。文献[10-11]详细描述了载波移相控制发波原理，文献[12]理论证明了载波移相技术与空间矢量调制技术等效。当相电压处于正半周时，选择载波1；当相电压处于负半周时，选择载波2，如图3所示。

图3 三角载波移相调制时开关状态

3 控制系统设计

通过分析，设计了如图4所示的控制系统。控制环路上包括母线电压外环和输入电流内环，其中电流内环含有母线不平衡输出环路因子。

图4 三相维也纳控制系统框图

4 仿真及实验验证

本文采用MATLAB对所建模型进行系统仿真，并设计了一台15 kW的样机。该样机的基本参数为：电网电压220 V/50 Hz，交流侧电感0.6 mH，直流侧储能电容1 200 μF，额定输出电压750 V，开关频率20 kHz。

仿真结果如图5和图6所示。其中，图5为三相输入电压电流波形，输入电流正弦，功率因数近似为1；图6为恒阻负载工况时的输出电压波形，无超调，稳态输出电压为750 V。

图5 三相维也纳整流器输入电压电流波形

图6 输出直流电压

图7 实验波形

采用TI的DSP28033和外围电路作为控制器，以IKW75N65ES5型IGBT作为主功率管，搭建了三相维也纳整流器实验装置，额定输出电压为750 V，实验波形如图7所示。

由图7可知，三相维也纳整流器交流侧电流跟踪电压，波形正弦化，总谐波畸变率小于2%。当工况由空载变成满载输出时，输出电压快速，无超调，且达到稳态，具有较好的动态响应性能。

5 结 论

仿真和实验结果表明，基于载波移相控制策略的三相维也纳整流器具有较好的稳态性能和动态性能，输入电流可较好地跟踪输入电压波形，且输出电压稳定。该控制策略为三相维也纳整流器提供了简化控制方法，具有较强的现实意义。