VIENNA整流器的闭环控制策略研究

邓孝祥，肖楠，刘澜涛

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

在电力电子技术的领域中，三相PWM整流器是一种发展相对较早的交直流变换的装置，其广泛应用于有源电力滤波器、无线充电系统、新型不间断电源中。但传统的三相两电平整流器在高压大功率场合不适用，同时系统两侧电流电压的谐波含量大，存在桥臂直通的问题，需要在控制脉冲中加入死区，使控制更加复杂。

上世纪90年代初，VIENNA大学提出了新型整流拓扑，得到了大量国内外学者关注并进行进一步研究。经过大量研究发现，VIENNA整流器在控制上的要求有：输出电流与电压相位相同，输出直流电压稳定，运行时功率因数接近1，直流输出侧两电容的均压问题等。其中文献[1]提出了一种单周期控制技术，即在控制策略中注入三次谐波的方法，从而提高了电压利用率。但是三次谐波的获取较为困难，不能广泛应用[1]。文献[2]电压环采用了PI控制，电流环采用了功率滑膜变结构控制，加快了PI控制的响应速度。但其控制算法复杂，在数控时容易出现偏差[2]。文献[3]中采用滞环的方式控制电流环，将中点的电位偏差引入滞环电流的闭环控制中，实现了直流侧中点电位的平衡。但当电流变化时，开关管的频率也会发生变化。同时这种方法很难设计滤波的电感[3]。文献[4]设计了一种新型的VIENNA整流器的控制方法，电网不平衡的状态下也可以工作，在进行坐标变换时也更加容易[4]。

分析了大量VIENNA整流器的相关资料。本文决定采用PI控制的电压环稳定直流侧的输出，增大系统的抵抗干扰的能力。电流环则采用前馈解耦的控制方案，减少传统PI控制响应时间长控制复杂的问题，同时能大幅度减小控制上的误差。

1 VIENNA整流器的原理分析

图1为三相VIENNA整流器电路图，从图中可以看出VIENNA整流器每一组桥臂由两个二极管构成，每一个双向开关由两个开关管构成。两个开关管的驱动信号相同，可等效成一个开关。故等效电路图如图2所示。

图1 三相VIENNA整流器拓扑

图2 三相VIENNA整流器等效拓扑

现将开关闭合定义为“1”，关断定义为“0”，系统工作状态可分别表示为：000、001、010、011、100、101、110、111八种。选取一个周期内的前1/6，其工作状态如图3所示。

图3 VIENNA整流器工作模态

图3加黑部分是电流的路径，根据开关状态，可得各支路电压如表1所示。

表1 开关状态和支路电压状态表

表1是任意周期0—π/6时间内参数，对于整个工作过程的分析方法类似。在被测时间段内UaM、UbM、UcM共有Udc/2、0、-Udc/2三种电平，可以得出在整个工作周期内相电压也共有Udc/2、0、-Udc/2这三种电平，组成了三电平电路。

2 VIENNA整流器的数学建模

为使VIENNA整流器的工作原理和控制策略更容易理解，做出如下假设：

1）整个系统中所用均为理想状态下的器件。

2）输入的三相交流电均为理想正弦且平衡。

3）开关管工作频率远大于输入电压的频率。

三相三电平VIENNA整流器等效电路拓扑如图4所示，得电压电流关系式：

图4 VIENNA整流器等效电路

式中 ea、eb、ec为输入线电压，L为滤波电感值，UaM、UbM、UcM是输出电容C1两端电压，中性点M的电压以及电容C2两端电压；UMN是输入输出两中性点之间的电压。由上述工作状态的分析，输出侧电压极性与输入电流的极性和开关的断开与闭合有关，现引出一个函数来表示其开关状态：

Sm会因各桥臂电流方向的不同和开关管状态的不同使 a、b、c出现 Udc/2、0、-Udc/2三种状态。现用Smp和Smn分别表示各桥臂上、下二极管电流状态，可将式（2）转化为：

根据式（2）和式（3）可以得出 ：

分析VIENNA整流器工作状态可得：

将式（5）带入式（6）可得 ：

将（7）带入（1）得 ：

进行坐标变换：

3 电流内环策略分析

解耦得：

4 电压外环策略分析

电压外环的主要作用是提升系统的抗干扰性，使输出的电压稳定。根据设计所需，现对电压环进行PI控制。

引入电流环参数，合并简化得：

考虑到电压环的稳定因素，选用Ⅱ型电压环系统设计方案。由图7电压环传递函数为：

图5 电流环控制框图

图6 电压环控制框图

图7 电压环简化控制框图

Ⅱ型系统各参数之间的关系如下：

式中h为电压的频宽，在实际工程中，一般取h=5。带入到式（16）得到电压环的比例积分系数为：

5 仿真结果与分析

现用MATLAB进行仿真以验证前文分析与数学建模所得结果。系统参数如表2所示。

表2 VIENNA整流器仿真参数

图8 系统功率因数曲线

图9 稳定工作时单相输入电流电压

图10 负载扰动时单相输入电流电压

为检验VIENNA整流器双闭环的响应速度和抗干扰的能力，在0.1s处加入负载扰动。图8为系统功率因数曲线。图9、10分别表示稳定工作和负载扰动时输入一相电流电压波形，功率因数接近1。图11、图12分别是未增加扰动和增加了扰动时的输出电压波形，可看出电压输出波形上升快速平稳，波形质量好，0.1s后负载波动时，经过0.07S达到了新的稳态。

图11 未经扰动时输出电压

图12 负载扰动时输出电压

6 结语

通过对VIENNA整流器原理和数学建模的分析，最后通过仿真加以验证，选取了电流内环和电压外环的控制方案。应用PI控制的电压环使系统输出更加稳定，提高了抵抗外界干扰的能力。应用前馈解耦的控制的电流环可以快速对电流进行控制，方法简单，响应速度快。最后，通过仿真验证了VIENNA整流器电流电压双闭环控制思想的正确性及参数设计的合理性。