Vienna整流器單周控制技術(shù)研究

摘要 通過分析三相三開關(guān)三電平(Vienna)整流器的工作原理，研究了該整流器的單周控制策略，并采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了Vienna整流器的可靠穩(wěn)定、低諧波畸變特性。基于Matlab仿真平臺(tái)，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真結(jié)果表明，基于單周控制方法的8 kW三相PFC整流器，控制結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，諧波畸變率<3％，功率因數(shù)可達(dá)99％。
關(guān)鍵詞 Vienna整流；單周控制；RS觸發(fā)器；功率因數(shù)

    二極管整流器在電力電子行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于其存在功率因數(shù)低并向電網(wǎng)注入了較高的電流諧波等因素，對電網(wǎng)污染嚴(yán)重，難以滿足(GB／T14549—93、IEC61000—3—2)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著對用電設(shè)備諧波污染問題的日益重視，以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，三相大功率因數(shù)校正技術(shù)已經(jīng)成為國際國內(nèi)電力電子及研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。
    Vienna整流器是由Kolar教授于1994年提出的一個(gè)優(yōu)秀的三電平PWM整流器拓?fù)?，其具有所需的開關(guān)器件少，單個(gè)功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，無輸出電壓橋臂直通問題等特點(diǎn)。因而引起國內(nèi)外學(xué)者對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略和方法的廣泛關(guān)注。文中通過分析Vienna整流器的基本工作原理，并針對三相大功率PFC的特點(diǎn)，以及直流母線中點(diǎn)電位平衡的控制、解決了三電平中點(diǎn)平衡問題的需要。設(shè)計(jì)了單周控制技術(shù)整流器控制結(jié)構(gòu)，并通過采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高了動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。最后搭建仿真模型，對單周控制的Vienna整流器進(jìn)行了仿真研究與分析。

1 WIENNA整流器工作原理
    Vienna整流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中交流側(cè)的Li為等值平波電感，C1、C2為輸出濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減少直流電壓紋波。三相中每相都由全控開關(guān)管(Sa，Sb和Sc)和4個(gè)二級管組成雙向開關(guān)管。通過控制3個(gè)雙向開關(guān)管完成輸入電流和母線電壓的調(diào)節(jié)、以及母線側(cè)兩個(gè)電容的電壓平衡。

    其運(yùn)行原理如下：以橋臂1為例，當(dāng)開關(guān)Sa開通時(shí)，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點(diǎn)；當(dāng)開關(guān)Sa關(guān)斷時(shí)，整流器的輸入端電壓為+Vdc／2或-Vdc／2，電壓極性由a相電流的極性決定。因此，橋臂1有3個(gè)開關(guān)狀態(tài)“1”“0”“-1”，整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點(diǎn)和負(fù)極。其電路方程為
   
    式中，E為輸入電壓E=[ua ub uc]T；I為電感電流向量I=[ia ib ic]T；UMD為電容中點(diǎn)到電網(wǎng)電性點(diǎn)電壓向量；UXM為整流橋臂電壓向量；UXM=[uAM uBM uCM]T；L為輸入升壓電感
   

2 WIENNA整流器單周控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
    單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國學(xué)者Keyue M．Smedley利Slobodan Cuk提出。其基本思想是在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)控制開關(guān)管的占空比d，使開關(guān)變量的穩(wěn)態(tài)平均值或瞬態(tài)平均值等于參考量或與參考量成比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。單周控制開關(guān)頻率恒定，電路結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快。
    Vienna整流器的單周期核心控制函數(shù)如式(4)所示，其中電流的絕對值可以通過使用3個(gè)全波整流電路來實(shí)現(xiàn)?？刂埔?guī)則就是Vm與各相占空比的表達(dá)式的乘積與采樣電阻上的電壓的絕對值進(jìn)行比較，通過比較的結(jié)果改變占空比大小，進(jìn)而對主電路進(jìn)行控制。
   
    Vienna整流器的單周期控制框圖如圖2所示，由控制框圖可以看出，單周期控制的電路簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。其閉環(huán)工作過程為：每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，由時(shí)鐘信號(hào)給3個(gè)觸發(fā)器置位，各相電流采樣信號(hào)通過全波整流電路接至各自比較器的輸入端，3個(gè)比較器另一個(gè)輸入Vm-VmdTs／(RintCint)，其中取RintCint=Ts。當(dāng)比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)，將其對應(yīng)的觸發(fā)器復(fù)位，對應(yīng)的開關(guān)管關(guān)斷。當(dāng)三相輸入呈純阻性阻抗時(shí)，輸入電流正弦化，PFC得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載突卸時(shí)輸出電壓Uo上升，PI調(diào)節(jié)器輸出Vm下降。

3 仿真分析
    為證明Vienna整流器控制方法的可行性，搭建了該整流器單周控制的仿真模型。其實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸出功率Po=8 kW；相電壓有效值Urms= 220V；直流母線電壓Udc為+500 V和-500 V；輸入濾波電感Ls=2．2 mH；直流母線電容C1=C2=1 200μF。控制原理如圖3所示。

    通過仿真實(shí)驗(yàn)，對A相輸入電壓電流進(jìn)行檢測，其仿真結(jié)果如圖5所示。傳統(tǒng)不可控整流器輸入電流受濾波電容影響，已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，系統(tǒng)功率因數(shù)低至70％以下，結(jié)果如圖4所示。

    從仿真結(jié)果中可以清晰地看出，單周控制下的Vienna整流器輸入電流能良好地跟隨輸入電壓正弦化，輸入電流連續(xù)且穩(wěn)定。系統(tǒng)諧波畸變率<3％，功率因數(shù)可達(dá)99％。

4 結(jié)束語
    文中分析了Vienna整流器拓?fù)涞幕竟ぷ髟砗驮摻Y(jié)構(gòu)的單周控制的實(shí)現(xiàn)方法，并采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了Vien na整流器的可靠穩(wěn)定，低諧波畸變率的特性。通過Matlab仿真平臺(tái)，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真結(jié)果表明，采用單周控制方式對Vienna整流器進(jìn)行控制，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，控制結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行的目標(biāo)。