尹军

(西安理工大学 自动化学院电气工程系,陕西 西安 710048)

基于变环宽的Vienna整流器滞环控制研究

尹军

(西安理工大学 自动化学院电气工程系,陕西 西安 710048)

与传统的桥式电路相比，Vienna整流器由于具有同电平数下，开关应力低、体积小、低输入电流谐波，可靠性高等优良特性，在能量单向流动的高中等功率场合，特别在高压直流供电系统获得广泛应用。详细分析Vienna整流器工作机理的基础上，针对经典滞环控制策略开关频率不固定、网侧电流谐波大、电网电压抗扰性差等问题，引入电网电压加权的变环宽滞环策略，同时进一步针对Vienna整流系统直流侧中点电位不平衡问题，设计并采用了中点电位修正策略。为验证策略的正确性与可靠性，在理论分析基础上构建了完整的仿真模型与实验平台，仿真与实验结果表明设计有效减小了网侧电流畸变，同时可有效平衡中点电位。

三相三线Vienna整流器；滞环控制，中点电位平衡，非对称环宽

0 引 言

近年来,随着电动汽车与通讯业的飞速发展，传统的交流UPS与低压直流输电系统缺陷越发明显，自新型高效的数据中心与电动汽车HVDC供电方案提出后受到了国内外多方的积极关注。目前，高压直流数据供电系统前级PFC整流模块结构按照开关管的数量进行划分，可以分为三相单开关结构、三相双开关结构、三相三开关结构、三相六开关结构等[1-3]。 其中Vienna整流电路由于具有同电平数下，开关器件少、开关应力低、低输入电流谐波、可靠性高等优良特性，因此在高压直流供电系统得到广泛应用[4-5]。

文献[6]提出了基于滞环控制策略的Vienna整流系统，但传统的滞环电流控制的开关频率不固定，性能受给定环宽的影响较大，电流谐波较大；文献[7]分别针对滞环控制不同带宽时系统响应进行了实验分析，实验结果表明变环宽控制下网侧电流输入电流波形可得到进一步优化；文献[8]针对Vienna整流系统采用了等效的两电平SVM解耦控制，然而矢量修正与矢量区间划分过于繁琐，且在低频时dq轴间耦合作用难以避免导致网侧电流波形质量恶化。

目前，Vienna整流器控制系统广泛采用双闭环PWM调制策略，然而区别于传统的桥式电路，Vienna整流器由于电路拓扑的特殊性导致其内环控制较为复杂。滞环控制作为经典的控制算法，由于对系统参数要求低、控制参数较易整定，然而传统的滞环控制策略由于开关频率不固定，对器件带来的开关应力大，且直流侧电位由于器件误差、负载不平衡等所导致的中点电位失衡会严重影响网侧电流质量，为进一步改善网侧电流质量与中点电位平衡状态，引入了电网电压前馈加权的变环宽滞环控制策略，同时针对中点电位不平衡提出了引入中点电位修正的变环宽滞环控制方案，给出了详细的理论分析与控制方案，同时在理论分析基础上为进一步验证文中策略，构建了完整的系统仿真模型与实验平台，结果表明与传统的定环宽滞环控制策略相比，采用的控制策略响应速度快，有效改善网侧电流质量，中点电位平衡度良好。

1 Vienna整流器工作原理

采用的三相三电平Vienna整流器电路拓扑如图1所示。其中，Usa,Usb,Usc分别为三相交流电网电压；L(a,b,c)为抑制高次谐波的交流侧升压电感;S(a,b,c)为由两个MOSFET管反向串联构成的双向电流开关; 直流侧输出电压通过两个容值相等的电容C1与C2构成；Rc为滤波电容等效电阻；R1与R2为直流侧负载；U0为直流侧输出电压。

图1 三相三电平Vienna整流器拓扑

首先分析传统SVM调制下Vienna整流器的工作原理。限于篇幅，在此仅以第一扇区为例进行简要介绍，区间间隔60度可将三相电网电压划分为6个区间，如表1示每个开关管只有两个状态1为导通，0为关断，则第一区间上总共有8种开关组合如图2所示。

图2 不同工况下，Vienna等效电路

开关状态表Sa00001111Sb00110011Sc01010101

由图2可以看到Vienna 整流器的工作机理不仅与开关管的状态且与电源侧电流方向有关，可以看到Vienna可等效为两个正反向Boost电路串联，相电流通过另外两相构成回路。

2 系统控制策略

如图3所示，直流电压外环采用PI控制维持直流电压稳定，电压外环输出经过锁相后与中点电压修正项叠加，作为网侧电流给定Iref，电流内环经过变环宽滞环实现对三相交流参考电流的实时跟踪。其中电压外环 PI 控制器用来稳定直流侧输出电压的稳定，使其快速跟随参考电压U0ref，电压外环PI 控制器的输出决定了输入电流的均方根值。

图3 系统控制原理框图

2.1 变环宽滞环控制

图4 传统定环宽 滞环控制框图

图5 变环宽非 对称滞环框图

传统的电流内环滞环控制结构框图如图4所示，从图4可以看到反馈电流信号与电压外环输出给定信号实时做差，将其误差信号作为滞环比较器的输入，当采用传统滞环控制时，电流滞环环宽为h，当误差信号大于环宽h时，此时对应的开关管开通，电流减小，当误差信号小于给定环宽h时，此时关断相应的开关管，电流增大了。传统的定环宽滞环控制由于环宽固定，开关管开关频率不固定，容易导致网侧电流在电流峰值出现畸变，且无形中增大了系统开关损耗。

基于上述考虑，文中在此引入了电网电压与一比例信号相乘作为滞环环宽的修正信号，在一定程度上可降低峰值电流畸变，改善网侧电流质量，如图5所示。

2.2 中点电位修正

无论NPC或是Vienna整流器，由于工艺制造水平，电路拓扑误差等所造成的上下电容电位不等作为影响三电平变流器的主要问题，其中中点电压不平衡会造成电容或功率器件的应力增大，从而损坏器件[9]。

本文采用一种简单有效的中点电压平衡控制策略，将直流输出的正负母线电压做差后经过低通滤波器，乘以中点电位修正系数经限幅后叠加到电压外环输出的电流参考指令上，进而可以改变正负母线电容的充放电电流，对正负母线电压进行控制。假设直流侧上下电容的输出电压分别为Udc1与Udc2，则可得：

(1)

式中iN为中点电流，则根据上述分析可得中点电压补偿为：

INPC=K(Udc1-Udc2)

(2)

结合图3，可以明显看到新的电流环的给定电流参考指令信号为：

(3)

经过大量的仿真发现，其中K越大，中点平衡特性越好，网侧电流谐波越大；K越小，中点平衡特性越差，网侧电流谐波越小。显而易见，其中修正系数K也可取为PI或PR控制器，单比例实现更为简单，响应速度较快。

2.3 电压外环参数设计

图6所示为电压外环的控制框图，图6中电压惯性采样时间常数在此取为Tev，根据双环控制理论可知电压外环的输出是网侧电流的峰值，保证直流母线电压的稳定。

图6 电压外环控制框图

由于电流内环的响应远快于电压外环，可用一阶惯性环节代替。同时忽略负载电流干扰,可得到电压外环的开环传递函数：

(4)

上式可转化成一个典型的二阶系统进行处理。同时定义电压的中频宽度为h。

(5)

按照工程最佳的设计方法有：

(6)

为保证Vienna整流器的电压外环抗干扰性和跟随性。电压外环的中频带宽h∈[5,10],可以得到电压外环的PI计算公式：

(7)

3 仿真与实验结果分析

3.1 仿真结果分析

为验证文中所提出的控制策略的正确性与优越性，在理论分析的基础上，基于MATLAB/Simulink仿真软件构建了完整的系统仿真模型并针对各工况进行了完整的仿真分析。涉及的仿真参数如下：交流侧电网电压380 VAC/50 Hz，直流侧给定输出为±360 VDC，系统负载为90 Ω纯阻性负载，交流侧升压电感为2.5 mH。

图7采用稳重控制策略时，系统额定工况下A相输入电压与电流波形，为便于观察，在此将电压幅值缩小20倍，从图中可以看到文中设计并采用控制策略性能良好，网侧电流THD只有1%左右，完全满足系统并网要求。

图7 稳态运行时，A相电流与电容电压波形

图8所示为系统负载突变时，A相输出电流与直流侧输出电压波形，可以看到当外部扰动时，系统响应快速，直流侧输出电压基本平滑，系统抗干扰性良好，具有较好的动静态性能。

图8 负载突变时，A相电流与电压波形

图9所示为引入中点电位平衡修正的直流侧电压输出波形，当未加入中点电位修正时，可以看到直流侧输出电压具有一定误差，严重时直接危害系统的可靠运行，增大开关应力，加入平衡修正后中点电位基本平衡，控制性能良好。

图9 中点电位平衡控制输出波形

3.2 实验结果分析

为进一步验证上述理论分析与控制策略的有效性，构建了一台满额功率为5 kW的Vienna整流器实验样机并进行了实验分析，其中实验中三相交流输入电压为380 VAC;(实验中使用三相调压器模拟电网电压)，实验参数与仿真一致。

图10所示为满载运行时，A相输入电流波形与THD分布，可以看到电流内环采用变环宽滞环控制时系统控制性能良好。

图10 满载运行时，A相输入电流波形与THD

图11所示为满载运行时，直流侧输出电压波形，可以看到文中采用的中点电位平衡控制性能良好。

图11 直流侧输出电压波形

4 结束语

文中在详细分析Vienna整流器的基础上，针对直流侧电容电压不平衡与定环宽滞环控制策略电流峰值畸变等问题，提出了引入中点电位平衡的变环宽滞环控制策略，构建了完整的仿真模型与实验平台，给出了详细的理论分析与系统参数设计方案，仿真与实验结果表明，引入中点电位平衡的变环宽滞环控制效果良好，有效减小了传统滞环控制策略网侧电流畸变，一定程度上改善了网侧电流质量。

[1] J W KOLAR AND F C ZACH. A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules[J]. IEEE Trans. Ind. Electron,1997,44(4):456-466.

[2] JINGHAO YANG,JINGANG HAN,TIANHAO TANG. A survey of cascaded multi-level PWM rectifier with VIENNA modules for HVDC system[C].IEEE, Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC), 2014.

[3] 林壮,李宾,姚文熙,等.基于LCL滤波的VIENNA整流器占空比前馈控制[J].电力电子技术,2013,47(7):67-69.

[4] 宋卫章，黄骏，钟彦儒，等.带中点电位平衡控制的VIENNA整流器滞环电流控制方法 [J]. 2013，37(7)：1909-1914.

[5] H MA, Y XIE, Y YANG,et al.Voltage balance control of vienna-type rectifier using SVPWM based on 60° coordinate system[C]. 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS),22-25, 2014, Hangzhou, China 3187-3191.

[6] J W KOLAR, H ERTL, F ZACH.Design and experimental investigation of a three-phase high power density high efficiency unity powerfactor PWM (VIENNA) rectifier employing a novel integrated power semiconductor module[J].Applied Power Electronics Conference & Expostion,1996,2(2):514-523.

[7] 陆翔，谢运祥，桂存兵，等.基于无源性与滑模变结构控制相结合的VIENNA整流器控制策略[J].电气自动化设备，2014,34(10):110-114.

[8] 王智, 方炜, 刘晓东. 数字控制的单周期 PFC 整流器的设计与分析 [J].中国电机工程学报,2014,34(21): 3423-3431.

[9] 宋卫平．高压直流通信电源中高频开关整流模块的研究[D].南京:南京航空航天大学，2012．

A Study on the Hysteresis Control of the Vienna Rectifier Based on Variable Ring Width

Yin Jun

(Department of Electrical Engineering, College of Automation, Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 710048, China)

Compared with traditional bridge circuitry, Vienna rectifier has excellent characteristics such as low switch stress, small volume, low input current harmonics and high reliability under the condition of same electrical level. Therefore, it is widely applied on occasions of medium and high power with one-way energy flow, especially in the field of high-voltage DC power supply system. Based on a detailed analysis of the working mechanism of Vienna rectifier, with respect to unfixed switching frequency of the classical hysteresis control strategy, large current harmonics on the grid side and poor anti-interference of grid voltage, this paper presents a weighted grid voltage hysteresis strategy with variable wing width. Furthermore, a midpoint potential correction strategy is designed and adopted to solve the problem of midpoint potential imbalance on the side of Vienna rectifier. To verify the correctness and reliability of the proposed strategy, on the basis of theoretical analysis, it sets up a complete simulation model and experimental platform. Simulation and experimental results show that this design can reduce grid side current distortion and achieve good effect in midpoint potential balance.

three-phase three-wire Vienna rectifier; hysteresis control; midpoint potential balance; asynchronous ring width

陕西省重点学科建设专项基金(5X1301);国家自然科学青年基金(51507138)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.002

TM461

A

1000-3886(2016)05-0004-04

尹军(1978-)男，湖南人，西安理工大学讲师，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用研究。

定稿日期: 2016-03-15