尹軍

(西安理工大學(xué) 自動化學(xué)院電氣工程系,陜西 西安 710048)

基于變環(huán)寬的Vienna整流器滯環(huán)控制研究

尹軍

(西安理工大學(xué) 自動化學(xué)院電氣工程系,陜西 西安 710048)

與傳統(tǒng)的橋式電路相比，Vienna整流器由于具有同電平數(shù)下，開關(guān)應(yīng)力低、體積小、低輸入電流諧波，可靠性高等優(yōu)良特性，在能量單向流動的高中等功率場合，特別在高壓直流供電系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用。詳細(xì)分析Vienna整流器工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對經(jīng)典滯環(huán)控制策略開關(guān)頻率不固定、網(wǎng)側(cè)電流諧波大、電網(wǎng)電壓抗擾性差等問題，引入電網(wǎng)電壓加權(quán)的變環(huán)寬滯環(huán)策略，同時進(jìn)一步針對Vienna整流系統(tǒng)直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡問題，設(shè)計并采用了中點(diǎn)電位修正策略。為驗(yàn)證策略的正確性與可靠性，在理論分析基礎(chǔ)上構(gòu)建了完整的仿真模型與實(shí)驗(yàn)平臺，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計有效減小了網(wǎng)側(cè)電流畸變，同時可有效平衡中點(diǎn)電位。

三相三線Vienna整流器；滯環(huán)控制，中點(diǎn)電位平衡，非對稱環(huán)寬

0 引 言

近年來,隨著電動汽車與通訊業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的交流UPS與低壓直流輸電系統(tǒng)缺陷越發(fā)明顯，自新型高效的數(shù)據(jù)中心與電動汽車HVDC供電方案提出后受到了國內(nèi)外多方的積極關(guān)注。目前，高壓直流數(shù)據(jù)供電系統(tǒng)前級PFC整流模塊結(jié)構(gòu)按照開關(guān)管的數(shù)量進(jìn)行劃分，可以分為三相單開關(guān)結(jié)構(gòu)、三相雙開關(guān)結(jié)構(gòu)、三相三開關(guān)結(jié)構(gòu)、三相六開關(guān)結(jié)構(gòu)等[1-3]。 其中Vienna整流電路由于具有同電平數(shù)下，開關(guān)器件少、開關(guān)應(yīng)力低、低輸入電流諧波、可靠性高等優(yōu)良特性，因此在高壓直流供電系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[4-5]。

文獻(xiàn)[6]提出了基于滯環(huán)控制策略的Vienna整流系統(tǒng)，但傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制的開關(guān)頻率不固定，性能受給定環(huán)寬的影響較大，電流諧波較大；文獻(xiàn)[7]分別針對滯環(huán)控制不同帶寬時系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明變環(huán)寬控制下網(wǎng)側(cè)電流輸入電流波形可得到進(jìn)一步優(yōu)化；文獻(xiàn)[8]針對Vienna整流系統(tǒng)采用了等效的兩電平SVM解耦控制，然而矢量修正與矢量區(qū)間劃分過于繁瑣，且在低頻時dq軸間耦合作用難以避免導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量惡化。

目前，Vienna整流器控制系統(tǒng)廣泛采用雙閉環(huán)PWM調(diào)制策略，然而區(qū)別于傳統(tǒng)的橋式電路，Vienna整流器由于電路拓?fù)涞奶厥庑詫?dǎo)致其內(nèi)環(huán)控制較為復(fù)雜。滯環(huán)控制作為經(jīng)典的控制算法，由于對系統(tǒng)參數(shù)要求低、控制參數(shù)較易整定，然而傳統(tǒng)的滯環(huán)控制策略由于開關(guān)頻率不固定，對器件帶來的開關(guān)應(yīng)力大，且直流側(cè)電位由于器件誤差、負(fù)載不平衡等所導(dǎo)致的中點(diǎn)電位失衡會嚴(yán)重影響網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量，為進(jìn)一步改善網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量與中點(diǎn)電位平衡狀態(tài)，引入了電網(wǎng)電壓前饋加權(quán)的變環(huán)寬滯環(huán)控制策略，同時針對中點(diǎn)電位不平衡提出了引入中點(diǎn)電位修正的變環(huán)寬滯環(huán)控制方案，給出了詳細(xì)的理論分析與控制方案，同時在理論分析基礎(chǔ)上為進(jìn)一步驗(yàn)證文中策略，構(gòu)建了完整的系統(tǒng)仿真模型與實(shí)驗(yàn)平臺，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的定環(huán)寬滯環(huán)控制策略相比，采用的控制策略響應(yīng)速度快，有效改善網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量，中點(diǎn)電位平衡度良好。

1 Vienna整流器工作原理

采用的三相三電平Vienna整流器電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中，Usa,Usb,Usc分別為三相交流電網(wǎng)電壓；L(a,b,c)為抑制高次諧波的交流側(cè)升壓電感;S(a,b,c)為由兩個MOSFET管反向串聯(lián)構(gòu)成的雙向電流開關(guān); 直流側(cè)輸出電壓通過兩個容值相等的電容C1與C2構(gòu)成；Rc為濾波電容等效電阻；R1與R2為直流側(cè)負(fù)載；U0為直流側(cè)輸出電壓。

圖1 三相三電平Vienna整流器拓?fù)?/p>

首先分析傳統(tǒng)SVM調(diào)制下Vienna整流器的工作原理。限于篇幅，在此僅以第一扇區(qū)為例進(jìn)行簡要介紹，區(qū)間間隔60度可將三相電網(wǎng)電壓劃分為6個區(qū)間，如表1示每個開關(guān)管只有兩個狀態(tài)1為導(dǎo)通，0為關(guān)斷，則第一區(qū)間上總共有8種開關(guān)組合如圖2所示。

圖2 不同工況下，Vienna等效電路

開關(guān)狀態(tài)表Sa00001111Sb00110011Sc01010101

由圖2可以看到Vienna 整流器的工作機(jī)理不僅與開關(guān)管的狀態(tài)且與電源側(cè)電流方向有關(guān)，可以看到Vienna可等效為兩個正反向Boost電路串聯(lián)，相電流通過另外兩相構(gòu)成回路。

2 系統(tǒng)控制策略

如圖3所示，直流電壓外環(huán)采用PI控制維持直流電壓穩(wěn)定，電壓外環(huán)輸出經(jīng)過鎖相后與中點(diǎn)電壓修正項(xiàng)疊加，作為網(wǎng)側(cè)電流給定Iref，電流內(nèi)環(huán)經(jīng)過變環(huán)寬滯環(huán)實(shí)現(xiàn)對三相交流參考電流的實(shí)時跟蹤。其中電壓外環(huán) PI 控制器用來穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定，使其快速跟隨參考電壓U0ref，電壓外環(huán)PI 控制器的輸出決定了輸入電流的均方根值。

圖3 系統(tǒng)控制原理框圖

2.1 變環(huán)寬滯環(huán)控制

圖4 傳統(tǒng)定環(huán)寬 滯環(huán)控制框圖

圖5 變環(huán)寬非 對稱滯環(huán)框圖

傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，從圖4可以看到反饋電流信號與電壓外環(huán)輸出給定信號實(shí)時做差，將其誤差信號作為滯環(huán)比較器的輸入，當(dāng)采用傳統(tǒng)滯環(huán)控制時，電流滯環(huán)環(huán)寬為h，當(dāng)誤差信號大于環(huán)寬h時，此時對應(yīng)的開關(guān)管開通，電流減小，當(dāng)誤差信號小于給定環(huán)寬h時，此時關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)管，電流增大了。傳統(tǒng)的定環(huán)寬滯環(huán)控制由于環(huán)寬固定，開關(guān)管開關(guān)頻率不固定，容易導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流在電流峰值出現(xiàn)畸變，且無形中增大了系統(tǒng)開關(guān)損耗。

基于上述考慮，文中在此引入了電網(wǎng)電壓與一比例信號相乘作為滯環(huán)環(huán)寬的修正信號，在一定程度上可降低峰值電流畸變，改善網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量，如圖5所示。

2.2 中點(diǎn)電位修正

無論NPC或是Vienna整流器，由于工藝制造水平，電路拓?fù)湔`差等所造成的上下電容電位不等作為影響三電平變流器的主要問題，其中中點(diǎn)電壓不平衡會造成電容或功率器件的應(yīng)力增大，從而損壞器件[9]。

本文采用一種簡單有效的中點(diǎn)電壓平衡控制策略，將直流輸出的正負(fù)母線電壓做差后經(jīng)過低通濾波器，乘以中點(diǎn)電位修正系數(shù)經(jīng)限幅后疊加到電壓外環(huán)輸出的電流參考指令上，進(jìn)而可以改變正負(fù)母線電容的充放電電流，對正負(fù)母線電壓進(jìn)行控制。假設(shè)直流側(cè)上下電容的輸出電壓分別為Udc1與Udc2，則可得：

(1)

式中iN為中點(diǎn)電流，則根據(jù)上述分析可得中點(diǎn)電壓補(bǔ)償為：

INPC=K(Udc1-Udc2)

(2)

結(jié)合圖3，可以明顯看到新的電流環(huán)的給定電流參考指令信號為：

(3)

經(jīng)過大量的仿真發(fā)現(xiàn)，其中K越大，中點(diǎn)平衡特性越好，網(wǎng)側(cè)電流諧波越大；K越小，中點(diǎn)平衡特性越差，網(wǎng)側(cè)電流諧波越小。顯而易見，其中修正系數(shù)K也可取為PI或PR控制器，單比例實(shí)現(xiàn)更為簡單，響應(yīng)速度較快。

2.3 電壓外環(huán)參數(shù)設(shè)計

圖6所示為電壓外環(huán)的控制框圖，圖6中電壓慣性采樣時間常數(shù)在此取為Tev，根據(jù)雙環(huán)控制理論可知電壓外環(huán)的輸出是網(wǎng)側(cè)電流的峰值，保證直流母線電壓的穩(wěn)定。

圖6 電壓外環(huán)控制框圖

由于電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)遠(yuǎn)快于電壓外環(huán)，可用一階慣性環(huán)節(jié)代替。同時忽略負(fù)載電流干擾,可得到電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

(4)

上式可轉(zhuǎn)化成一個典型的二階系統(tǒng)進(jìn)行處理。同時定義電壓的中頻寬度為h。

(5)

按照工程最佳的設(shè)計方法有：

(6)

為保證Vienna整流器的電壓外環(huán)抗干擾性和跟隨性。電壓外環(huán)的中頻帶寬h∈[5,10],可以得到電壓外環(huán)的PI計算公式：

(7)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證文中所提出的控制策略的正確性與優(yōu)越性，在理論分析的基礎(chǔ)上，基于MATLAB/Simulink仿真軟件構(gòu)建了完整的系統(tǒng)仿真模型并針對各工況進(jìn)行了完整的仿真分析。涉及的仿真參數(shù)如下：交流側(cè)電網(wǎng)電壓380 VAC/50 Hz，直流側(cè)給定輸出為±360 VDC，系統(tǒng)負(fù)載為90 Ω純阻性負(fù)載，交流側(cè)升壓電感為2.5 mH。

圖7采用穩(wěn)重控制策略時，系統(tǒng)額定工況下A相輸入電壓與電流波形，為便于觀察，在此將電壓幅值縮小20倍，從圖中可以看到文中設(shè)計并采用控制策略性能良好，網(wǎng)側(cè)電流THD只有1%左右，完全滿足系統(tǒng)并網(wǎng)要求。

圖7 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，A相電流與電容電壓波形

圖8所示為系統(tǒng)負(fù)載突變時，A相輸出電流與直流側(cè)輸出電壓波形，可以看到當(dāng)外部擾動時，系統(tǒng)響應(yīng)快速，直流側(cè)輸出電壓基本平滑，系統(tǒng)抗干擾性良好，具有較好的動靜態(tài)性能。

圖8 負(fù)載突變時，A相電流與電壓波形

圖9所示為引入中點(diǎn)電位平衡修正的直流側(cè)電壓輸出波形，當(dāng)未加入中點(diǎn)電位修正時，可以看到直流側(cè)輸出電壓具有一定誤差，嚴(yán)重時直接危害系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，增大開關(guān)應(yīng)力，加入平衡修正后中點(diǎn)電位基本平衡，控制性能良好。

圖9 中點(diǎn)電位平衡控制輸出波形

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論分析與控制策略的有效性，構(gòu)建了一臺滿額功率為5 kW的Vienna整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，其中實(shí)驗(yàn)中三相交流輸入電壓為380 VAC;(實(shí)驗(yàn)中使用三相調(diào)壓器模擬電網(wǎng)電壓)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真一致。

圖10所示為滿載運(yùn)行時，A相輸入電流波形與THD分布，可以看到電流內(nèi)環(huán)采用變環(huán)寬滯環(huán)控制時系統(tǒng)控制性能良好。

圖10 滿載運(yùn)行時，A相輸入電流波形與THD

圖11所示為滿載運(yùn)行時，直流側(cè)輸出電壓波形，可以看到文中采用的中點(diǎn)電位平衡控制性能良好。

圖11 直流側(cè)輸出電壓波形

4 結(jié)束語

文中在詳細(xì)分析Vienna整流器的基礎(chǔ)上，針對直流側(cè)電容電壓不平衡與定環(huán)寬滯環(huán)控制策略電流峰值畸變等問題，提出了引入中點(diǎn)電位平衡的變環(huán)寬滯環(huán)控制策略，構(gòu)建了完整的仿真模型與實(shí)驗(yàn)平臺，給出了詳細(xì)的理論分析與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計方案，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入中點(diǎn)電位平衡的變環(huán)寬滯環(huán)控制效果良好，有效減小了傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略網(wǎng)側(cè)電流畸變，一定程度上改善了網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量。

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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

陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)基金(5X1301);國家自然科學(xué)青年基金(51507138)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.002

TM461

A

1000-3886(2016)05-0004-04

尹軍(1978-)男，湖南人，西安理工大學(xué)講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

定稿日期: 2016-03-15