VIENNA整流器SVPWM控制策略研究

汤恩君，胡海兵，汤欣喜

(南京航空航天大学，江苏 南京 210096)

0 引言

随着现代电力电子技术的快速发展与不断更新，工业领域中对高压大功率变流器装置的应用要求越来越高，前端整流器作为高压大功率变流器装置的核心部件，其性能将直接影响变流器装置整体控制效果。1980年日本学者率先提出基于二极管箝位式的三电平整流器，并给出了三电平整流器独特的拓扑结构方案。经验证，此类整流器装置具有功率因素灵活可调、正弦度理想以及电流谐波干扰少等诸多优势，具有广泛应用价值。但从成本上来看，该三电平整流器内部共有12个开关器件，除控制复杂，整流控制缺乏可靠性以外，元器件成本也比较高。近年来，为了克服三电平整流器装置在实际应用中存在的诸多问题与局限，有关学者以能量无需双向流动为研究背景，通过减少开关器件的方式解决上述问题，提出了一种基于三相六开关器件的VIENNA整流器[1-3]。相较于传统两电平PWM整流器装置而言，VIENNA整流器所采用开关器件完全相同，但单个开关器件所承受电压水平仅为50%直流母线电压左右。且相较于常规三电平整流器而言，VIENNA整流器所需功率开关器件数量降低为原数量的50%，控制简单，效率高，功率密度大，成本低[4-5]。

本文分析了VIENNA整流器的工作原理及SVPWM调制模式，并引入了小矢量调节因子f，采用电压外环和电流内环的闭环控制方法，提高了整流器的动态和稳态性能。

1 VIENNA整流器工作原理分析

图1所示为典型VIENNA整流器的基本结构。可以看出，VIENNA整流器是由3个相同的桥臂构成，每1个桥臂均可以看做是1个Boost PFC电路。虽然采用三相三线制系统，3个桥臂之间相互耦合，但是对于工频而言，电网中点N和直流侧中点O是等电位的。因此，可以单独对1个桥臂进行模态分析。

图1 典型VIENNA整流器的基本结构

以A相桥臂为例，在图1中开关管Sa处于开通状态时，VIENNA整流器输入端电压被钳位于直流母线中点，当开关管Sa处于断开状态时，桥臂中点电压则表现为±Vdc/2，并且VIENNA整流器中A相电流极性会直接决定桥臂中点电压极性[6-7]。对于VIENNA整流器A相桥臂而言，实际运行中共涉及到1、0、-1三个开关状态，桥臂中点分别对应被钳位于+Vdc/2，0，-Vdc/2。但在3个桥臂的各种组合分析中，无(1,1,1)以及(-1，-1，-1)两种开关状态，因此VIENNA整流器实际能用的开关状态总共有25个，与之相对应的电压矢量共19个，电路中所有可能发生的开关状态以及对应的电压矢量关系如图2所示。

图2 VIENNA整流器开关状态及对应电压矢量关系

2 SVPWM在VIENNA整流器中的实现

考虑到VIENNA整流器中二极管的单向导电性，在电压调制过程中必须最大限度实现电流矢量与电压矢量的同极性[8]。考虑VIENNA整流器装置电流矢量极性特点，可以将VIENNA整流器装置内部三电平平面划分为6个扇区，按照如图2所示方法进行扇区划分，并用St表示电流矢量所对应扇区，对应扇区编号分别为I、II、III、IV、V、VI；用Sv表示电压矢量在小两电平平面中所在的小扇区，对应扇区编号分别为1、2、3、4、5、6。

由图2可见，对于电流矢量I而言，当该电流矢量位于第I扇区时，阴影部分即为此状态下可以用于电压空间矢量调制的操作范围，此时Sv=1(即第1个小两电平)。对于电压矢量U而言，可以通过在阴影范围内选择尽可能与电压矢量U相接近的3个矢量(000、011、010)合成，达到同极性目标。同样的，对于第x扇区而言，位于第x个小两电平平面范围内的电压矢量可按照前述方法进行调制处理[9]。

在电压矢量U位于图2所示VIENNA整流器内部第I个两电平平面第1个扇区时，可以参考空间脉宽调制中常使用的7段法对开关顺序进行选择，具体开关状态依次011-010-000-100-100-000-010-011，与之相对应的VIENNA整流器三相开关管装置PWM波形图如图3所示。

图3 VIENNA整流器三相开关管装置PWM波形图

将如图2所示扇区进行划分及对应的小矢量如表1所示。

表1 小矢量表

假定VIENNA整流器仅在整流状态下工作，则tp所使用时间与小矢量向上母线电容充电时间相等，tn所使用时间与小矢量向下母线电容充电时间相等，故可定义调节因子f(取值区间-1～1)满足式(1)：

(1)

根据式(1)，在VIENNA整流器中，对调节因子f的调节，可以实现对直流母线中点电位的控制。

3 VIENNA整流器控制单元及其实现

SVPWM即电压空间矢量脉宽调制控制，该控制模式下能够方便数字化调制的实现，且有较高的直流侧电压利用率，动态响应速度快，因此本文采用SVPWM调制方式。以下对一种以电压空间矢量脉宽调制控制为基础的VIENNA整流器控制策略实现方法进行分析与介绍。

图4为VIENNA整流器在dq旋转坐标系下对应的等效电路图，d轴、q轴对应的电流分量分别为id、iq，两者之间呈交互式耦合关系，因此对电流内环控制器的设计存在不利影响。针对这一局限性，需通过引入id以及iq电流前馈解耦控制，使用PI调节器对电流进行调节，以方便对电流内环控制器的设计。在SVPWM调制方式下，dq同步旋转坐标系所对应三相VSR电流控制方程如式(2)所示。

图4 VIENNA整流器输入侧所对应等效电路示意图

(2)

消除式(2)的耦合项，可得：

(3)

为确保VIENNA整流器直流侧电压稳定运行，同时满足电网侧单位功率因素的要求，由直流电压外环构成控制电路，控制输出直流电压，利用dq旋转坐标系下的电流内环控制和SVPWM调制方式，实现单位功率因素，抑制电流谐波含量。所形成矢量控制系统结构如图5所示。

图5 VIENNA整流器矢量控制系统结构

4 实验验证

为了验证VIENNA整流器控制方法的可行性，搭建了实验平台，进行实验验证，样机如图6和图7所示。

图6 样机外观图

图7 样机内部构造图

实验参数为：输入电压480 V/AC，输出电压750 V/DC，额定输出功率15 kW，得到其稳态实验波形，如图8所示。图中Vg为电网输入电压；Ig为电网输入电流；Vo为电网输出电压。

图8 480 V/AC输入,750 V/DC 15 kW输出实验波形

对电网突然加负载，测试波形，从空载加到1 kW，再加到2 kW，最后加到15 kW，测试波形如图9所示。前两次加载，直流电压变化小，最后突加到15 kW负载时，电压跌落40 V，动态响应时间50 ms，控制效果较好。图中Vg为电网输入电压；Ig为电网输入电流；Vo为电网输出电压；Vgs为电网驱动电压。

图9 加负载实验波形

满载15 kW切换到空载的实验波形如图10所示。卸载瞬间，电压升高40 V，最后逐渐降低到750 V。由于空载时只有辅助源消耗能量，因此直流电压恢复到750 V时间较长，约0.4 s。图中Vg为电网输入电压；Ig为电网输入电流；Vo为电网输出电压；Igl为电网电感电流。

图10 从15 kW切换到空载的实验波形

5 结语

本文对VIENNA整流器的基本工作原理与性能特点进行分析，并对VIENNA整流器结构下SVPWM脉宽调制控制的实现方法进行分析，提出以SVPWM电压空间矢量脉宽调制控制为基础的矢量控制方法，通过电流内环与电压外环的闭环控制能够确保VIENNA整流器的工作性能。