楊世凱，劉小娟，程俊翔，程鵬，章晉

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北　宜昌　443002; 2.甘肅省電力公司檢修公司酒泉分部，甘肅　酒泉　735000)

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一種基于電流滯環(huán)控制的Vienna型PFC整流器

楊世凱1，劉小娟1，程俊翔1，程鵬1，章晉2

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002; 2.甘肅省電力公司檢修公司酒泉分部，甘肅酒泉735000)

大型工業(yè)設(shè)備需要的穩(wěn)壓器和大型變壓器具有體積大，控制復(fù)雜等特點(diǎn)。分析Vienna整流電路的原理，提出了一種基于電流滯環(huán)控制的Vienna型PFC整流電路。在MatlabSimulink上搭建平臺(tái)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明基于電流滯環(huán)控制的Vienna整流電路控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，功率因數(shù)校正效果好。在此基礎(chǔ)上，搭建了一臺(tái) Vienna 整流器樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案是可行的。

Vienna整流電路；電流滯環(huán)控制；功率因數(shù)校正

1　引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是功率半導(dǎo)體器件以及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子裝置越來(lái)越多地應(yīng)用于工礦企業(yè)，其在提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著重要作用。但是由于其強(qiáng)非線性的特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)注入大量的諧波和無(wú)功功率，造成嚴(yán)重的電網(wǎng)“污染”。因此研究具有高功率因數(shù)PWM整流裝置成為電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重大研究課題[1-2]。而在三相整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Vienna整流器作為一種典型的三電平拓?fù)鋄3-5]，適合用于高電壓，大功率的領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)相比降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力和交流側(cè)的諧波含量，避免上下橋臂直通，簡(jiǎn)化控制環(huán)節(jié)等特點(diǎn)，因此對(duì)Vienna整流器控制技術(shù)進(jìn)行研究具有很大價(jià)值。而電流滯環(huán)控制因其控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)快廣泛用于 PWM 整流器等功率因數(shù)校正電路中[6-7]。本文研究了一種基于電流滯環(huán)控制的Vienna型PFC整流電路，MatlabSimulink仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制策略的有效性。

2　Vienna型PFC整流電路的工作原理

2.1單相Vienna整流器的工作原理

如圖1為單相Vienna型PFC整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖中ua為單相交流電源；La為輸入升壓電感；Dax(x=1、2、3、4、5、6)為快恢復(fù)二極管；在圖1所示的結(jié)構(gòu)圖中，開關(guān)器件Sa為絕緣柵雙極晶體管，輸出側(cè)的穩(wěn)壓濾波電容用C1、C2表示，R代表的是直流側(cè)負(fù)載。如圖所示，當(dāng)全控型開關(guān)管Sa關(guān)斷，如果ia的方向?yàn)檎较颍敲磇a流經(jīng)的路線為圖2(a)所示，如果ia的方向?yàn)榉捶较颍敲措娏鱥a流經(jīng)的路線為圖2(b)所示。

圖1　單相Vienna型整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2　開關(guān)Sa關(guān)斷時(shí)的電流流經(jīng)路線

當(dāng)全控型開關(guān)管Sa導(dǎo)通時(shí)，如果ia的方向?yàn)檎较?，那么ia流經(jīng)的路線如圖3(a)所示；如果ia的方向?yàn)榉捶较颍敲措娏鱥a流經(jīng)的路線如圖3(b)所示。

根據(jù)上面的分析，全控型開關(guān)器件Sa和Dax(x=1、2、3、4)等快恢復(fù)二極管一起構(gòu)成了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)電流雙方向流動(dòng)的可控開關(guān)[8]，這個(gè)雙向交流開關(guān)連接A點(diǎn)和M點(diǎn)。根據(jù)電路的工作狀態(tài)，可以把單相Vienna整流電路等效如圖4電路，簡(jiǎn)化后的單相Vienna整流電路的等效電路拓?fù)淇梢钥醋魇钦鼴oost電路和負(fù)Boost電路的并聯(lián)而成的雙極性Boost電路。

圖3　開關(guān)Sa處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的電流流經(jīng)路線

圖4　單相Vienna整流電路的等效電路圖

2.2三相Vienna整流器的工作原理

把三個(gè)單相Vienna整流電路連接起來(lái)，就構(gòu)成了圖5所示教授J.W.Kolar 提出的三相Vienna電路。

圖5　三相Vienna 整流電路拓?fù)鋱D

如圖5所示的三相Vienna整流電路，該整流電路的每一相開關(guān)都采用4個(gè)快恢復(fù)二極管和一個(gè)全控型的開關(guān)管組成。根據(jù)單相Vienna的等效原則，把上述三相Vienna整流電路拓?fù)涞刃閳D6。

圖6　三相Vienna電路等效原理圖

分析三相電路進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)和電路工作原理[9]，有方程(1)：

(1)

其中，Si(i=a，b，c)為雙向開關(guān)，Uc1，Uc2為電容C1，C2電壓，Uc1=Uc2=Udc/2，Udc為直流母線電壓；uio=(1-si)sign(ii)Udc/2；Si開通時(shí)，Si=1,Si關(guān)斷時(shí)，Si=0；ii>0時(shí)，sign(ii)i=1，ii<0時(shí)，sign(ii)i=-1。具體工作過(guò)程如下：

(1)ia為正(電流方向從左到右)時(shí)的工作狀態(tài)：

當(dāng)全控型開關(guān)管Sa處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)的電位被并聯(lián)的二極管Da1、Da5強(qiáng)行鉗位至電容中點(diǎn)M，輸入側(cè)電流ia流經(jīng)的途徑如圖7(a)所示，該過(guò)程中ia>0,并且不斷地增大,電感存儲(chǔ)電能,此時(shí)uLa=ua，F(xiàn)點(diǎn)相對(duì)電容中點(diǎn)電位為0；當(dāng)全控型開關(guān)管Sa處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，輸入側(cè)電流ia的流經(jīng)的途徑如圖7(b)所示，對(duì)電容C1進(jìn)行充電，此時(shí)F點(diǎn)相對(duì)電容中點(diǎn)電位為Udc/2。

圖7　相電流為正時(shí)，a相工作原理圖

(2)ia為負(fù)(電流方向由右向左)時(shí)的工作狀態(tài)：

當(dāng)全控型主功率開關(guān)管Sa處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)的電位同樣被鉗位至電容中點(diǎn)O，輸入側(cè)電流ia流經(jīng)的途徑如圖8(a)所示，該過(guò)程中ia<0,并且不斷地增大,電感存儲(chǔ)電能,此時(shí)uLa=ua<0，F(xiàn)點(diǎn)相對(duì)電容中點(diǎn)電位為0；當(dāng)全控型開關(guān)管Sa處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，輸入側(cè)電流ia的流經(jīng)的途徑如圖8(b)所示，對(duì)電容C2進(jìn)行放電，F(xiàn)點(diǎn)相對(duì)電容中點(diǎn)電位為-Ud/2。

圖8　相電流為負(fù)時(shí)，a相工作原理圖

在電路中，每相橋臂功率開關(guān)器件都有關(guān)斷和開通兩種模式[9]，三相Vienna整流器共有23=8 種開關(guān)模式。在一個(gè)周期中任選其中的某一時(shí)刻進(jìn)行分析電路的工作狀態(tài)(以0≤ωt≤π/6為例)，如圖9(a)～(h)所示，分別介紹這8種開關(guān)模式所對(duì)應(yīng)的電路工作狀態(tài)[10]。

可以看出線電壓VAB的電勢(shì)有4種：V0，Vdc/2，-Vdc/2，0，其絕對(duì)值有Vdc，Vdc/2，0三種，構(gòu)成了三電平輸出。

3　Vienna整流器電流滯環(huán)控制策略

電流滯環(huán)控制是一種使得整流器輸入電流跟隨輸入電壓的波形變化，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)單位化的方式。它比較交流電流和輸入側(cè)的交流電壓波形，改變整流器中主開關(guān)管的狀態(tài)，把輸入電流和電壓的相位偏差控制在一定范圍內(nèi)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的[11]。

圖9　10Vienna電路的八種工作狀態(tài)圖

圖10　電流滯環(huán)控制的原理圖

電流滯環(huán)控制的原理圖如圖10所示，設(shè)定最大電流偏差為Δimax，2Δimax代表滯環(huán)比較器的環(huán)寬。參考電流的下限為is-Δimax，參考電流的上限為is+Δimax。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，實(shí)際輸入相電流經(jīng)過(guò)霍爾元件或者電流采集電路采集之后和參考電流相比較，如果超過(guò)參考電流iref，并且差值達(dá)到或者是超過(guò)Δimax時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出改變?cè)瓉?lái)的觸發(fā)信號(hào)使該相上對(duì)應(yīng)的開關(guān)管關(guān)斷，實(shí)際相電流開始減小，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考信號(hào)的跟蹤；同理，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)到的輸入相電流is比參考電流iref小，并且差值達(dá)到或者是超過(guò)Δimax時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出改變?cè)瓉?lái)的觸發(fā)信號(hào)使該相對(duì)應(yīng)的開關(guān)管開通，電流再逐漸增大，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流信號(hào)的跟蹤。

3.1電流滯環(huán)控制算法

式(2)～(4)所示為滯環(huán)控制方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

指令電流：i*=Imsin(ωt)

(2)

滯環(huán)上限：iup=i*+Δimax

(3)

滯環(huán)下限：ilow=i*-Δimax

(4)

其中Im為電流參考值的最大值，Δimax為滯環(huán)半寬。

滯環(huán)控制的頻率最大值計(jì)算根據(jù)公式(5)：

(5)

滯環(huán)控制的平均開關(guān)頻率值計(jì)算根據(jù)公式(6)：

(6)

3.2電流滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

圖11為系統(tǒng)滯環(huán)電流控制的電路原理圖。電流滯環(huán)控制同時(shí)兼有兩種功能：(1)作為電流調(diào)節(jié)器；(2)作為PWM調(diào)節(jié)器。電流滯環(huán)控制檢測(cè)的是三相電感的電流，它不需要外加調(diào)制信號(hào)，在控制部分電路中設(shè)一個(gè)滯環(huán)邏輯控制器控制LD，電流環(huán)的滯環(huán)環(huán)寬取與瞬時(shí)平均電流成比例的值。

圖11　三相Vienna型PFC整流器的閉環(huán)電流滯環(huán)控制圖

4　Vienna型PFC整流器的仿真和實(shí)驗(yàn)

4.1閉環(huán)控制仿真

查閱文獻(xiàn)，采用式(7)、(8)來(lái)確定三相Vienna整流器的三相升壓電感的電感和電容范圍：

(7)

(8)

式中uac取最大值220V，uo取400V，fωt取最小值20kHz，Po取40kW，η取0.95，求得L=0.48mH。

Idc為額定輸出電流，f取50Hz，Vo取20V，求得C=1666μF。

基于上述理論，在MatlabSimulink上搭建仿真平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行仿真。系統(tǒng)仿真模型如圖12所示，仿真模型的參數(shù)設(shè)置交流相電壓幅值311V，輸入側(cè)電感La=Lb=Lc=0.5mH，直流側(cè)母線最大參考電壓為4000V，直流側(cè)負(fù)載R=400Ω，直流側(cè)電容C1=C2=2200μF，開關(guān)頻率取20kHz。圖13為滯環(huán)控制電路仿真模型。

圖12　Vienna整流器系統(tǒng)仿真模型

圖13　滯環(huán)控制電路仿真模型

圖14　給定輸出電壓值4000V時(shí)調(diào)控相電壓、相電流、輸出電壓波形圖

圖15　給定4000V輸出電壓時(shí)開關(guān)管的電壓應(yīng)力波形圖

如圖14、15所示，從圖中可以看出相輸入電流是和輸入電壓同相位的正弦波，電壓電流間相位角差值較小，交流諧波含量較少，功率因數(shù)校正效果較好。三相中的絕緣柵雙極晶體管電壓應(yīng)力為輸出電壓的一半，大大降低了開關(guān)管的損耗，電流諧波總含量THD為4.5%。

4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案的可行性，搭建了Vienna 整流器實(shí)驗(yàn)電路對(duì)提出的方案進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)定三相輸入電壓為311V，輸入側(cè)濾波電容為型號(hào)為MPX275～X2的2.2μF電容，電感為0.5mH，整流橋快恢復(fù)二極管型號(hào)為FR307，開關(guān)管型號(hào)為FF200R33KF2C的絕緣柵雙極晶體管，直流側(cè)電容為2200μF，負(fù)載電阻為400Ω電爐絲。

圖16所示為三相Vienna整流器樣機(jī)的電壓電流實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比圖，其中紅色代表的是其中一相相電壓的波形，黃色代表的是對(duì)應(yīng)相電感的電流波形。從圖中可以看到電流和電壓在相位上幾乎沒(méi)有相位差，并且電流波形也沒(méi)有大的尖峰出現(xiàn)，電流諧波也比較少，和系統(tǒng)仿真結(jié)果一致。圖17所示為給定4000V穩(wěn)壓輸出時(shí)的輸出側(cè)直流電壓波形，可以看出直流側(cè)的實(shí)際輸出電壓的穩(wěn)定運(yùn)行性很好。

圖16　相電壓及相電流的實(shí)驗(yàn)波形

圖17　直流電壓跟隨波形

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)Vienna 電路的原理和電流滯環(huán)控制策略的分析，給出了基于電流滯環(huán)控制的Vienna型PFC整流電路。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，電流動(dòng)態(tài)跟蹤響應(yīng)速度較快、無(wú)超調(diào)發(fā)生，電路功率因數(shù)校正效果好。

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A PFC Rectifier of Vienna Based on Hysteresis Current Control

YANGShi-kai1,LIUXiao-juan1,CHENGJun-xiang1,CHENGPeng1,ZHANGJin2

(1.College of Electrical Engineering and New Energy China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Jiuquan Branch,Maintenance Company,Gansu Electric Power Company,Jiuquan 735000,China)

Large industrial equipment required voltage regulators and large transformers，they have the features of large volume and complex control.Analysis of principle of Vienna rectifier circuit,a Vienna-type PFC rectifier circuit based on the current hysteresis control was proposed.A platform for simulation in MatlabSimulink was built,the results show that rectifier circuit of Vienna based on hysteresis current controlis simple,good stability,good power factor correction.On this basis,a prototype of Vienna rectifier isconstructed,and experimental results show that the proposedprogram is feasible.

Vienna rectifier circuit;hysteresis current control;power factor correction

1004-289X(2016)02-0019-07

新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(三峽大學(xué))

TM461

B

2015-06-04

楊世凱(1989-)男，碩士研究生。研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)。