湯恩君，胡海兵，湯欣喜

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210096)

0 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展與不斷更新，工業(yè)領(lǐng)域中對高壓大功率變流器裝置的應(yīng)用要求越來越高，前端整流器作為高壓大功率變流器裝置的核心部件，其性能將直接影響變流器裝置整體控制效果。1980年日本學(xué)者率先提出基于二極管箝位式的三電平整流器，并給出了三電平整流器獨特的拓撲結(jié)構(gòu)方案。經(jīng)驗證，此類整流器裝置具有功率因素靈活可調(diào)、正弦度理想以及電流諧波干擾少等諸多優(yōu)勢，具有廣泛應(yīng)用價值。但從成本上來看，該三電平整流器內(nèi)部共有12個開關(guān)器件，除控制復(fù)雜，整流控制缺乏可靠性以外，元器件成本也比較高。近年來，為了克服三電平整流器裝置在實際應(yīng)用中存在的諸多問題與局限，有關(guān)學(xué)者以能量無需雙向流動為研究背景，通過減少開關(guān)器件的方式解決上述問題，提出了一種基于三相六開關(guān)器件的VIENNA整流器[1-3]。相較于傳統(tǒng)兩電平PWM整流器裝置而言，VIENNA整流器所采用開關(guān)器件完全相同，但單個開關(guān)器件所承受電壓水平僅為50%直流母線電壓左右。且相較于常規(guī)三電平整流器而言，VIENNA整流器所需功率開關(guān)器件數(shù)量降低為原數(shù)量的50%，控制簡單，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調(diào)制模式，并引入了小矢量調(diào)節(jié)因子f，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)控制方法，提高了整流器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

1 VIENNA整流器工作原理分析

圖1所示為典型VIENNA整流器的基本結(jié)構(gòu)。可以看出，VIENNA整流器是由3個相同的橋臂構(gòu)成，每1個橋臂均可以看做是1個Boost PFC電路。雖然采用三相三線制系統(tǒng)，3個橋臂之間相互耦合，但是對于工頻而言，電網(wǎng)中點N和直流側(cè)中點O是等電位的。因此，可以單獨對1個橋臂進行模態(tài)分析。

圖1 典型VIENNA整流器的基本結(jié)構(gòu)

以A相橋臂為例，在圖1中開關(guān)管Sa處于開通狀態(tài)時，VIENNA整流器輸入端電壓被鉗位于直流母線中點，當(dāng)開關(guān)管Sa處于斷開狀態(tài)時，橋臂中點電壓則表現(xiàn)為±Vdc/2，并且VIENNA整流器中A相電流極性會直接決定橋臂中點電壓極性[6-7]。對于VIENNA整流器A相橋臂而言，實際運行中共涉及到1、0、-1三個開關(guān)狀態(tài)，橋臂中點分別對應(yīng)被鉗位于+Vdc/2，0，-Vdc/2。但在3個橋臂的各種組合分析中，無(1,1,1)以及(-1，-1，-1)兩種開關(guān)狀態(tài)，因此VIENNA整流器實際能用的開關(guān)狀態(tài)總共有25個，與之相對應(yīng)的電壓矢量共19個，電路中所有可能發(fā)生的開關(guān)狀態(tài)以及對應(yīng)的電壓矢量關(guān)系如圖2所示。

圖2 VIENNA整流器開關(guān)狀態(tài)及對應(yīng)電壓矢量關(guān)系

2 SVPWM在VIENNA整流器中的實現(xiàn)

考慮到VIENNA整流器中二極管的單向?qū)щ娦裕陔妷赫{(diào)制過程中必須最大限度實現(xiàn)電流矢量與電壓矢量的同極性[8]?？紤]VIENNA整流器裝置電流矢量極性特點，可以將VIENNA整流器裝置內(nèi)部三電平平面劃分為6個扇區(qū)，按照如圖2所示方法進行扇區(qū)劃分，并用St表示電流矢量所對應(yīng)扇區(qū)，對應(yīng)扇區(qū)編號分別為I、II、III、IV、V、VI；用Sv表示電壓矢量在小兩電平平面中所在的小扇區(qū)，對應(yīng)扇區(qū)編號分別為1、2、3、4、5、6。

由圖2可見，對于電流矢量I而言，當(dāng)該電流矢量位于第I扇區(qū)時，陰影部分即為此狀態(tài)下可以用于電壓空間矢量調(diào)制的操作范圍，此時Sv=1(即第1個小兩電平)。對于電壓矢量U而言，可以通過在陰影范圍內(nèi)選擇盡可能與電壓矢量U相接近的3個矢量(000、011、010)合成，達到同極性目標。同樣的，對于第x扇區(qū)而言，位于第x個小兩電平平面范圍內(nèi)的電壓矢量可按照前述方法進行調(diào)制處理[9]。

在電壓矢量U位于圖2所示VIENNA整流器內(nèi)部第I個兩電平平面第1個扇區(qū)時，可以參考空間脈寬調(diào)制中常使用的7段法對開關(guān)順序進行選擇，具體開關(guān)狀態(tài)依次011-010-000-100-100-000-010-011，與之相對應(yīng)的VIENNA整流器三相開關(guān)管裝置PWM波形圖如圖3所示。

圖3 VIENNA整流器三相開關(guān)管裝置PWM波形圖

將如圖2所示扇區(qū)進行劃分及對應(yīng)的小矢量如表1所示。

表1 小矢量表

假定VIENNA整流器僅在整流狀態(tài)下工作，則tp所使用時間與小矢量向上母線電容充電時間相等，tn所使用時間與小矢量向下母線電容充電時間相等，故可定義調(diào)節(jié)因子f(取值區(qū)間-1～1)滿足式(1)：

(1)

根據(jù)式(1)，在VIENNA整流器中，對調(diào)節(jié)因子f的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對直流母線中點電位的控制。

3 VIENNA整流器控制單元及其實現(xiàn)

SVPWM即電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制，該控制模式下能夠方便數(shù)字化調(diào)制的實現(xiàn)，且有較高的直流側(cè)電壓利用率，動態(tài)響應(yīng)速度快，因此本文采用SVPWM調(diào)制方式。以下對一種以電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制為基礎(chǔ)的VIENNA整流器控制策略實現(xiàn)方法進行分析與介紹。

圖4為VIENNA整流器在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下對應(yīng)的等效電路圖，d軸、q軸對應(yīng)的電流分量分別為id、iq，兩者之間呈交互式耦合關(guān)系，因此對電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計存在不利影響。針對這一局限性，需通過引入id以及iq電流前饋解耦控制，使用PI調(diào)節(jié)器對電流進行調(diào)節(jié)，以方便對電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計。在SVPWM調(diào)制方式下，dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系所對應(yīng)三相VSR電流控制方程如式(2)所示。

圖4 VIENNA整流器輸入側(cè)所對應(yīng)等效電路示意圖

(2)

消除式(2)的耦合項，可得：

(3)

為確保VIENNA整流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定運行，同時滿足電網(wǎng)側(cè)單位功率因素的要求，由直流電壓外環(huán)構(gòu)成控制電路，控制輸出直流電壓，利用dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流內(nèi)環(huán)控制和SVPWM調(diào)制方式，實現(xiàn)單位功率因素，抑制電流諧波含量。所形成矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 VIENNA整流器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 實驗驗證

為了驗證VIENNA整流器控制方法的可行性，搭建了實驗平臺，進行實驗驗證，樣機如圖6和圖7所示。

圖6 樣機外觀圖

圖7 樣機內(nèi)部構(gòu)造圖

實驗參數(shù)為：輸入電壓480 V/AC，輸出電壓750 V/DC，額定輸出功率15 kW，得到其穩(wěn)態(tài)實驗波形，如圖8所示。圖中Vg為電網(wǎng)輸入電壓；Ig為電網(wǎng)輸入電流；Vo為電網(wǎng)輸出電壓。

圖8 480 V/AC輸入,750 V/DC 15 kW輸出實驗波形

對電網(wǎng)突然加負載，測試波形，從空載加到1 kW，再加到2 kW，最后加到15 kW，測試波形如圖9所示。前兩次加載，直流電壓變化小，最后突加到15 kW負載時，電壓跌落40 V，動態(tài)響應(yīng)時間50 ms，控制效果較好。圖中Vg為電網(wǎng)輸入電壓；Ig為電網(wǎng)輸入電流；Vo為電網(wǎng)輸出電壓；Vgs為電網(wǎng)驅(qū)動電壓。

圖9 加負載實驗波形

滿載15 kW切換到空載的實驗波形如圖10所示。卸載瞬間，電壓升高40 V，最后逐漸降低到750 V。由于空載時只有輔助源消耗能量，因此直流電壓恢復(fù)到750 V時間較長，約0.4 s。圖中Vg為電網(wǎng)輸入電壓；Ig為電網(wǎng)輸入電流；Vo為電網(wǎng)輸出電壓；Igl為電網(wǎng)電感電流。

圖10 從15 kW切換到空載的實驗波形

5 結(jié)語

本文對VIENNA整流器的基本工作原理與性能特點進行分析，并對VIENNA整流器結(jié)構(gòu)下SVPWM脈寬調(diào)制控制的實現(xiàn)方法進行分析，提出以SVPWM電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制為基礎(chǔ)的矢量控制方法，通過電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的閉環(huán)控制能夠確保VIENNA整流器的工作性能。