基于双控制因数的VIENNA整流器中点电位平衡设计

吴志远，高文根

（安徽工程大学电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

引言

当前，三相VIENNA整流器被普遍应用［1-2］，其直流输出电压的一半为每个功率器件所承受的最大电压，在相同环境下，其输入电流谐波含量少，系统具有很好的稳定性和快速性［3］。相对其他整流器，三相VIENNA整流器电路拓扑结构简单、主电路上功率开关管数量少、上下桥臂不存在直通的情况，不用考虑二极管的反向恢复问题，也不用为功率开关管驱动设置死区，适合高功率及高压场合［4-6］。其拓扑结构受到国内外学者广泛关注和深入研究［7］。

三相VIENNA整流器中点电位不平衡问题研究是非常有必要的，中点电位不平衡主要原因是直流侧上下电容充放电时间不均衡。针对VIENNA整流器中点电位不平衡问题，国内外学者进行了研究［8］，并研究出了一些较为有效解决上下电容分压偏差较大的方法［9-10］。目前采用的方法主要有两种：一是基于PWM调制，通过注入零序电压抑制上下电容电压偏差［11-13］，二是基于SVPWM调制，通过改变上下电容充放电作用时间抑制上下电容电压偏差［14］。

已有的三相VIENNA整流器中点平衡控制策略是引入上下电容电压偏差通过PI控制器控制直流侧上下电容作用时间，使中点电位达到平衡。本文提出了双控制因数中点平衡控制策略，有效地解决中点电位不平衡问题。与已有的中点平衡策略相比较，本文创新之处是：首先引入上下电容电压偏差通过P控制器控制中点电位快速达到平衡；其次引入直流侧上电容电压与直流侧输出电压一半的偏差通过PI控制器控制，不仅抑制中点电位波动范围，还优化了中点电位达到平衡响应速度；然后将两个控制器控制因数叠加，得出双控制因数，从而控制直流侧上下电容电压作用时间。针对本文策略进行了突加载和突减载实验，直流侧输出电压和网侧三相电流突变之后能快速趋于稳定，中点电位波动范围突变之后也快速趋于稳定，从而验证了该整流器系统以及设计的基于双控制因数中点电位平衡策略都具有较好的动态性和稳定性。相较于已有中点平衡控制策略，本文提出的双控制因数中点平衡控制策略中点电位波动范围小，响应速度快。

1 三相VIENNA整流器的工作原理

三相VIENNA整流器原理图如图1所示，图中三相交流侧相电压分别是ea、eb、ec，三相交流侧输入电流分别是ia、ib、ic，R为交流测输入电阻，RL为直流侧负载，电感La、Lb、Lc的电感量相等，直流母线输出电容C1、C2的电容值相等，D1、D2、D3、D4、D5、D6表示快恢复二极管，S1、S2、S3、S4、S5、S6所示的是由两个受到控制方式一致的MOSFET管并接而成的双向开关。

图1 三相VIENNA整流器原理图

由于三相VIENNA整流器电路结构具有对称性，在不同开关状态下得到不同的控制效果。以A相为例分析其工作原理：当双向开关管关断时，A相输入端电压与输入电流的正负有关，当A相输入电流为正时，A相输入端经过La、D1与直流母线正极相连，如图2（a）所示，即A相输入端电压为直流侧输出电压的半值；当A相输入端为负时，A相输入端经过La、D2与直流母线负极相连，如图2（b）所示，A相输入端的电压为直流侧输出电压负半值。当双向开关管开通时，整流器A相输入端被箝位到直流母线电压中点电压，即A相输入端电压为零，如图2（c）和图2（d）所示。

图2 不同开关组合A相输入端电流流向路径

2 三相VIENNA整流器的SVPWM算法

2.1 三相VIENNA整流器调制算法简化实现［15］

在三相VIENNA整流器SVPWM调制中，其基本原理是将三电平空间矢量分解成6个两电平空间矢量组合，如图3和图4所示，利用空间矢量调制方法判断出目标矢量所在的扇区，计算空间基本矢量作用的时间，产生PWM信号，简化了三电平下SVPWM计算量。

如图4所示，以S1扇区为例分析三电平到两电平的矢量平移，其中，Vref′为平移后的两电平空间目标矢量，Vref为平移前的三电平空间目标矢量。Vref通过V01矢量在αβ坐标系的模长及分量得到平移后的目标矢量Vref′。同理，各个扇区平移的两电平目标矢量为Vref′=Vref-V0h，其中h取1、2、3、4、5、6。故可以得到其他扇区目标矢量Vref′在 α′β′坐标下的分量Vα′、Vβ′与平移前Vα、Vβ的关系，见表1。

图3 各空间基本矢量分布图

图4 三电平到两电平矢量平移

表 1 各主扇区中 Vα，Vβ与 Vα′，Vβ′之间的关系

2.2 各扇区基本矢量作用时间算法

以第 S1扇区为例，原矢量Vref、V0、V1、V2、变成Vref′、两电平平面矢量。采用算法可计算出三个基本合成矢量在一个开关周期内的作用时间：

根据S1扇区基本合成矢量作用时间计算方法，同理可得各主扇区相应的基本合成矢量作用时间：

根据S1主扇区计算方法，可以得各主扇区内基本矢量作用时间，见表2。

表2 各主扇区内基本矢量作用时间

若，需进行过调制处理：

3 中点电位平衡控制

3.1 基本矢量对中点电位的影响［16］

三相VIENNA整流器基本矢量中零矢量、中矢量、大矢量、正小矢量和负小矢量对中点电位影响拓扑图如图5所示。

图5 各基本电压矢量对应的拓扑

3.2 基于双控制因数中点电位平衡控制策略

通过分析各空间基本矢量对中点电位的影响，本文采用双控制因数中点电位平衡控制策略，以期有效解决中点电位不平衡问题，从而提高VIENNA整流器系统的工作效率。所建立的VIENNA整流器基于双控制因数中点电位平衡控制策略控制框图如图6所示。

如图6所示，直流侧输出电压通过电压外环控制并保持稳定，采样到的直流侧输出电压Udc与参考电 压Uref偏差通过PI调节后作为d轴电流参考值；id、iq的前馈解耦通过电流内环实现，并且采用了PI调节实现交流侧输入电流的正弦化，再经过SVPWM调制产生控制脉冲信号。

图6 基于SVPWM调制加入双控制因数中点电压均衡控制

在中点电位平衡控制上采用双控制因数策略，一路通过上下电容电压的偏差经P控制器控制，另一路通过直流侧上电容电压与直流侧输出电压一半的偏差经PI控制器控制，两路叠加构成双控制因数回路调节上下电容充放电作用时间，可使得中点电位快速达到平衡，并可有效抑制中点电位波动范围。

定义上下电容电压的偏差为ΔUdc=Udc1-Udc2，直流侧上电容电压与直流侧输出电压半值的偏差为双控制因数n取值范围为-1≤n≤1，根据图6所示控制框图可推导出双控制因数n的表达式：

设：为正小矢量作用时间，为负小矢量作用时间，Tv为正负小矢量作用总时间，则调节中点电位公式为：

分析式（5）和式（6）可知，当中点电位下降时，Udc1＜Udc2，则ΔUdc＜0，双控制因数n＜0，此时增大，减小，则ΔUdc变大，即中点电位上升达到平衡。当中点电位上升时，Udc1＞Udc2，则ΔUdc＞0，双控制因数n＞0，此时减小，增大，则ΔUdc变小，即中点电位下降达到平衡。通过此方式最终使直流侧电容中点电位达到平衡。

3.3 中点电位平衡双控制因数策略系统仿真

在Matlab/Simulink环境下对三相VIENNA整流器进行仿真，检验本文提出的双控制因数中点平衡控制策略的有效性。主要仿真参数见表3。

表3 仿真参数

在中点电位、直流母线电压、谐波含量以及网侧三相电压和电流无突载变化时，VIENNA整流器加入双控制因数中点平衡控制策略的情况如图7所示。分析图7可知，加入双控制因数策略之后，VIENNA整流器系统在无突载变化情况下运行正常，中点平衡控制策略有效。

图7 无突变载仿真波形

将图 7（a）与图7（b）和图 7（c）比较分析可以看出，加入中点平衡双控制因数策略后，中点电位达到平衡，且响应速度快。由图7（d）可以看出，直流侧母线电压在0.05 s内达到稳态并保持直流侧输出电压不变，具有较好的稳定性和快速性。由图7（e）和图7（f）可以看出，加入中点平衡双控制因数策略，电流总畸变率THD为3.02%，小于5%，谐波含量低，满足接入电网要求，并实现高功率因数整流。

图8为在突加载和突减载情况下，加入双控制因数中点平衡控制策略的情形。其中，图 8（a）、图8（b）、图8（c）分别为VIENNA整流器在0.2时刻突加30%负载，其中点电位、直流母线电压、以及网侧三相电压电流的波形图；图 8（d）、图 8（e）、图 8（f）分别为VIENNA整流器在0.2时刻突减30%负载，其中点电位、直流母线电压、以及网侧三相电压电流的波形图。分析图8可知，加入该策略之后，在突加载和突减载的情况下，VIENNA整流器系统运行时具有较好的动态性和稳定性。

图8 加载和减载仿真波形

由图 8（b）和图 8（c）可以看出，在 0.2 s时突加30%负载后，电压降落大约30 V，并在0.25 s内重新达到稳态；同时在0.2 s时突加30%负载后，交流侧三相电流增大。由图8（e）和图8（f）可以看出，在0.2 s时突减30%负载后，直流母线电压上升大约20 V，在0.25 s内重新达到稳态；同时在0.2 s时突减30%负载后，交流侧三相电流减小；验证了该系统具有较好的动态性和稳定性。通过图8（a）和图8（d）可以看出，在0.2 s时突加30%负载后，中点波动电压波动范围增大，并且中点电位波动范围快速趋于稳定；在0.2 s时突减30%负载后，中点波动电压在波动范围减小，并且中点电位波动范围快速趋于稳定。由此可知，基于双控制因数中点平衡控制策略具有较好的动态性和稳定性。

4 结束语

本文分析了三相VIENNA整流器的工作原理，简单介绍了产生中点电位不平衡的原因，提出了中点电位平衡双控制因数策略，建立了Matlab/Simulink仿真模型。仿真结果表明该上下电容电压偏差几乎为零，有效地解决了中点电位不平衡问题，中点电压波动快速达到平衡，响应速度快；通过突加载和突减载，直流侧输出电压能在短时间内重新达到稳态，该系统具有较好的动态性和稳定性，通过突加负载之后，中点波动电压波动范围增大，中点电位波动范围快速趋于稳定；通过突减负载之后，中点波动电压波动范围减小，中点电位波动范围快速趋于稳定。因而，本文基于双控制因数中点平衡的控制策略具有较好的控制性能。