VIENNA整流器的三相三电平中点电位平衡研究

王淑青，王 珅，毛月祥

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068；2 国网湖北省电力有限公司直流运检公司，湖北 武汉 430068)

在新能源发电的研究过程中最重要的就是高效率和高性能，提高系统发电的稳定性和效率性也是必不可少的。三电平整流器因其拥有耐压等级高、功率因素高，开关损耗低这些优点，在新能源发电的发展中得到了各种关注[1-3]。三电平VIENNA整流器有以下优势[5-6]：1)该电路拓扑在处于 Boost 状态情况下，电流处于连续模式；2)由于采用了三电平的结构，整流器的各器件所承受的电压相比其他结构要小的多，只有输出电压的一半,因此在大功率情况下尤为适用；3)装置可以使用较高的开关频率。但是它还存在一个明显的问题：中点电位不平衡会造成功率管和输出电容承受的电压不均匀，若电位不平衡问题严重，将会对整流器正常使用造成影响。针对这些问题设计了一种中点电位波动小的高性能VIENNA整流器。

1 VIENNA整流器的结构

VIENNA整流器的主电路由3个升压电感、3个电桥臂和2个直流侧输出电容组成，整流器结构见图1，功率桥臂结构见图2。

图1 三电平VIENNA整流器简化电路结构

图2 功率桥臂的结构

1 SVPWM的原理

1.1 VIEENA整流器的SVPWM分布

VIEENA整流器的每个相桥臂有3种开关状态，但是由于三相电流的对称性，三相电流不能为正或者负，即VIEENA整流器不具有“111”和“-1-11”两种开关状态，对于每个小矢量有两种可能的构型，对于零矢量有三种构型，因此可以得到19个不同的向量V0-V18，有模向量为0的10个向量(V0)，6个模向量为(2/3)Udc的大矢量(V13—V18)，6个模向量为(1/3)Udc的中矢量(V7—V12)，6个模向量为(1/3)Udc的小矢量(V1—V6)。在选择合适的开关状态之前，应先确定电压矢量的相位，为实现相位角的数字化，将其划分为12个扇区(图4)，每一种大扇区都有两种电流极性。由于VIEENA整流器桥式整流器的输出电平受输入电流方向的影响，也需要增加对输入电流方向的判断，其扇形判断的条件比较复杂。

将原始参考电压矢量转换为所选六边形的中电压矢量。原始参考电压矢量减去所选六边形的中心向量然后在新的小六边形重新定义参考电压矢量，作用时间的计算方法和一般的两层SVM算法相同。

图3 三相电压区间划分

图4 传统的SVPWM整流器扇区划分

由于VIEENA整流器的工作状态取决于开关状态和输入电流的极性，为了保证目标矢量可以在同一扇区使用相同的空间矢量，同一扇区的电流极性应该相同。

1.2 向量作用的顺序

为了保证最小开关频率和最小电流纹波，矢量动作序列应该满足以下原则：1)当作用矢量发生变化时，一次只能有一个相位开关作用；2)一个开关周期的开始和结束时开关状态是相同的。因此采用七段矢量合成的方法。图5-图8分别是各矢量作用下电流流通路径图。

图5 电流在零矢量作用下流通图

图6 电流在小矢量作用下流通图

图7 电流在介质矢量作用下流通图

图8 电流在大矢量作用下流通图

2 VIENNA整流器的中点电位平衡策略

大矢量和零矢量不会造成中点电位发生任何变化；小矢量三相负载中会有电流从交流侧直接进入直流侧对电容进行充放电，会使中点电压产生波动。正小矢量和负小矢量在同一个位置对中点电位产生相反的效果，因此可以通过调节每个开关周期内正小矢量和负小矢量的作用时间来控制中点电位大小。当调节因子为f(-1

调节因子f用于重新排列冗余小矢量，冗余小矢量的时间分布可以调节电压误差和电流条件。

3 实验结果

通过仿真验证上述方法的可行性，实验参数如下。

输入电压：Ua=Ub=Uc=220 V±10%=198～242 V；输出电压：Udc=1100 V；输入滤波电感：LS=0.5 mH；直流母线电容：C1=C2=6000 μF；开关频率：f=1.5 kHz；电容C1和C2两端不平衡负载：RL1=50 Ω和RL2=25 Ω。仿真结果见图9、10。

图9 直流母线电压波形

图10 直流母线中点电位波形

图9为采用平衡因子法后直流母线电压的波形变化，仿真可知：直流母线电压能够快速稳定并保持不变 ,具有良好的动 、静态特性 。图11为采用平衡因子法后中点电位的波形变化，当系统进入稳态后，可以看出中点电压偏差只有±2 V。综上可以验证平衡因子法对中点电压的调节有着明显的控制效果。

4 结束语

介绍了VIENNA整流器的结构并分析了中点电位产生原因，优化了传统的SVPWM控制方法，改善了中点电压波动，仿真结果表明，该系统电流波形有很高的正弦波，功率因素高达0.99，因此具有良好的稳定性、中点电位波动很小，系统负载时也能快速恢复到稳定状态。仿真结果验证了此方法的有效性，具有良好的前景。