基于矢量控制的VIENNA整流器研究与实现

史敏静 黄亚军

摘 要：在能量不需要双向流动的应用场合，三相三电平三开关VIENNA 整流器得到了广泛应用。分析了VIENNA整流器的工作原理，设计了考虑中性点电位偏移的三电平SVPWM调制策略。对于电流方向判别在过零点容易误判问题，采用了在dq坐标系中滤波，再反变换到abc坐标系统的方法，消除了纹波对区间判断的影响。控制策略采用基于SVPWM的VIENNA整流器的电压外环、电流内环的双闭环矢量控制策略，最后进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明，提出的控制方法，能够实现系统单位功率因数校正和低电流畸变。实验结果证实了该整流器控制简单，具有良好的动态性能和静态性能。

关键词：VIENNA整流器； 电压空间矢量脉宽调制； 矢量控制； 中点电位平衡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.128

0 引言

随着现代工业化进程的不断推进，电网谐波问题变得越来越不容忽视[1]。传统的整流电路存在输入电流谐波大和系统功率因数低的缺点，造成电网电能的利用率降低。实现装置单位功率因数，降低网侧电流畸变是PFC技术的主要目标。相较于其它三相PWM整流器，VIENNA整流器具有结构简单、开关管、二极管等器件两端承受电压应力小、网侧电感电流纹波小等优点[2-4] ，在高压、中大功率等性能要求较高的场合均能获得理想效果。

VIENNA整流器的控制方式主要分为基于SVPWM技术的矢量控制[5-7]和单周期控制[8-9]。单周期控制实现简单，但忽略电流内环，对电网的要求和电流波形要求高；矢量控制控制因其控制性能优越、响应快速、简单易行而广泛运用于PWM整流器等功率因数校正电路。本文研究了VIENNA 整流器的闭环控制策略，并针对上述中点波动问题，通过调节直流偏移量实现直流侧中点电压平衡控制，最后搭建了PSIM下的仿真模型和搭建了一台实验样机，实验结果表明该方案的采用确保了VIENNA 整流器系统具有优良的输入性能和直流稳压性能的同时，较好地实现了中点电压平衡控制。

1 VIENNA整流器的工作原理

三相三电平VIENNA整流器拓扑结构如图1所示，图中，、、为三相输入电源电压，为交流侧三相电感，、、为电感电流，、、为双向开关管，、为整流器输出端上下滤波电容，、为、上的电压，为负载电阻，为负载电阻上的输出电压。

ABC三点与M点之间的电压可以表示为：当导通，；当关断，且，；当关断，且，。为描述方便，引入单刀三掷开关，三位置分别为p，M，n，开关在相应的位置合上为1，否则为0。与之间的关系可表示为：

（1）

令，与之间的关系可表示为：

（2）

其中sign为符号函数。

三相电感的微分方程可由下面的方程来描述：

（3）

设为直流侧中点M与中性点N之间的电压，与， ，之间的关系为：

（4）

在三相对称系统中满足，忽略电感上的压降，可得：

，

将式（4）代入式（3），可得：

（5）

结合式（3）、（4）、 （5）可得：

（6）

对于节点p，M，n可通过基尔霍夫定律分别得到如下关系：

（7）

（8）

（9）

2 VIENNA整流器的矢量控制

在式（6）中，令、、为调制后的控制电压，如式（10）：

（10）

则式（6）变为：

（11）

这样就可以采用广泛使用的PWM整流器的前馈解耦双闭环控制策略。VIENNA整流器矢量控制系统结构框图如下图2所示。abc三相系统经过变换得到两相系统，采样的三相电压经过锁相环得到dq 变换的参考相位角。根据参考相位角将坐标系统参数变换为dq坐标系统。VIENNA整流器矢量控制采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略。电压外环控制使直流母线电压保持稳定，且采样的直流母線电压与参考电压给定值比较后的偏差值经过PI调节后作为d轴电流给定参考值；内环电流的控制引入、的前馈解耦控制，且、的电流环均采用PI 调节控制，以此来实现网侧电流的正弦化，最后经SVPWM调制产生控制VIENNA整流器的触发脉冲。

3 三电平SVPWM实现

3.1 基于二电平的三电平SVPWM实现

三位置开关产生的电压为正、零和负电压，可表示为1、0、-1。假设直流侧电容 、两端的电压相同，考虑到三相对称系统中不可能出现三相电压同为正和同为负的情况，可以得到共有种电位组合状态，可以产生19种矢量，开关状态和矢量之间的关系如图3所示。

VIENNA整流器的三电平状态与电流的方向有关，在实现电压调制时，必须满足电压和电流矢量同极性；首先根据电流矢量的极性，可以将整个三电平大六边形平面划分成6个小扇区，而每个小扇区由小六边形组成。当abc三相电流为+、-、-时，电流区间为I，如图3中的灰色区域。设被调制的参考矢量为，利用三角形法则，，的作用时间为一个PWM周期，而可由和利用二电平SVPWM实现。

3.2 电流极性判断

因电流受PWM高频干扰、系统噪声等因素的影响，通过传感器直接采样的电流往往含有大量谐波，对电流极性进行判断，在过零点容易产生误判。若对直接采样的电流进行滤波再判断极性，又存在电流相位滞后的问题。考虑到在dq坐标系中的量为直流量，对直流量进行滤波不存在相位滞后的问题，因此，本文将三相电流先变换到dq坐标系进行滤波，得到只含有基波分量的d轴电流和q轴电流，再将其反变换回abc坐标系，得到光滑的三相正弦波电流，这样就可以相对准确地判断电流极性。坐标变换法的电流极性判断实现流程如图4所示。

3.3 中点电位平衡控制

由于实际电路不能做到完全对称，中点电压会发生偏离，会导致注入电网的电流谐波分量增加，严重时可能导致开关器件及直流侧电容承受过高电压而损坏。分析发现零矢量和大矢量对电容中点电位无影響，中矢量对电容中点电位的影响是不确定的，而小矢量的两组电位组合状态对电容中点电位的影响是相反的；负小矢量使直流侧电容放电、充电，中点电位将上升，正小矢量使直流侧电容充电、放电，中点电位将下降。定义，对进行PI调节，即：

（12）

假设小矢量对应正、负冗余开关状态的作用时间为、，且， 则作用时间的调整公式为：，。重新分配正、负小矢量的作用时间，便可以有效的抑制中点电位的波动。

4 仿真及实验验证

根据前面所述的控制方法，利用PSIM仿真软件对三相VIENNA整流器进行仿真及实验验证。仿真时具体实验参数如下：三相输入电压对称，线电压为380VAC/50Hz；直流侧输出电压为750V；开关频率为20kHz；三相输入滤波电感为3mH；直流侧两个输出电容均为1000uF。

仿真时，初始负载电阻为120，在0.04s负载增加，电阻值变为60，为验证中性点电位平衡控制效果，在电容上并联一个400的电阻，且、的初始电压也不同，分别为270V和300V。图5为仿真结果图。由图可以看出交流侧电压和电流同相位，三相输入电流呈现正弦化，同时两输出电容的电压稳定在375V左右，电压波动值也很小。

图6为实验时输出功率为7.5kW时a、b两相输入电流波形图。由图可看出，控制策略可以使输入电流波形呈现正弦波，经功率分析仪的测量结果显示输入电流谐波含量为2.2%，各奇次斜波含量与THD值均明显下降。

图7为a相输入电流与ab线电压波形图，图线电压波形相位超前于A相输入电流波形相位30°，即满足输入电流波形与输入相电压波形同相位。

图8为直流侧上下电容电压波形图，由图可看出：上下电容电压的差值稳定在10V左右，实现了稳压效果。

5 结论

本文分析了VIENNA整流器拓扑的基本工作原理，详细分析了该结构的SVPWM脉宽调制器的实现方法，提出了基于dq坐标系的电流滤波方法，消除了电流纹波对电流区间的误判。采用电压外环和电流内环的双闭环控制实现了VIENNA整流器的输出性能要求。通过PSIM仿真平台搭建了VIENNA整流器的仿真模型和验证样机，实验结果表明，该整流器具有良好的动态性能和稳态性能，实现了单位功率因数运行的目标，网侧谐波含量少，直流母线纹波小，负载突变时，动态响应快。

参考文献：

[1]邬祖平.注重电力谐波对电网污染的治理[J].科技信息，2014（05）

：178-179.

[2]冯鑫振，高捷.单周期控制三相VIENNA整流器[J].通信电源技术，2012（03）：1-3.

[3]高燃.单周期控制VIENNA整流器研究[D].北京交通大学，2012.

[4]Chongming Qian and Keyue M.Smedley.Three-phase Unity-Power-Factor VIENNA Rectifier with Unified Constant-frequency Integration Control.Department of Electrical and Computer Engineering University of California，Irvine，CA 92697.

[5]姜海鹏，刘永强.带中点电位平衡控制的VIENNA整流器简化SVPWM双闭环控制[J].电机与控制学报，2014，18（02）：35-41.

[6]张豪，侯圣语.基于SVPWM的Vienna整流器矢量控制策略的研究[J].华北电力大学学报，2012，39（05）：54-58.

[7]王正，谭国俊，曾维俊等. 基于SVPWM的VIENNA整流器研究[J]. 电气传动，2011，41（04）：31-34.

[8]王智，方炜，刘晓东.基于单周期控制的三相三开关PFC整流器的分析与设计[J].电工电能新技术，2015（01）：52-56.

[9]王晓强，牛利勇，高燃.单周控制单相VIENNA整流器小信号建模与环路设计[J].电源技术，2014（03）：505-507.