李志科，汪 宇，楊 洋

（中國船舶集團第七二二研究所，湖北 武漢 430205）

0 引 言

在特種電力系統(tǒng)中，整流器對于網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量有非常重要的影響。當(dāng)前，三相PWM整流器在航空航天、通信電源等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，在這些應(yīng)用領(lǐng)域，對整流器的輸入電流的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）有嚴(yán)格的要求，且以單位功率因數(shù)運行[1]。Vienna 整流器因為結(jié)構(gòu)簡單，控制方便同時能夠滿足在大功率應(yīng)用領(lǐng)域越來越高的使用需求，因而得到了廣泛應(yīng)用。Vienna 整流器也是一種三相Boost型三電平PWM整流器，國內(nèi)外學(xué)者將采用多種控制方法對其進(jìn)行控制，以實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓和輸入電流正弦的控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[2-5]使用了單周期控制（One Cycle Control，OCC）方案，可以保證功率因數(shù)，但是因為其參考信號采用瞬時電流，當(dāng)存在諧波干擾時將嚴(yán)重影響控制效果；文獻(xiàn)[6,7]中使用了滑?？刂?，滑模控制屬于非線性控制的一種，對于控制器參數(shù)設(shè)計和網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波不敏感，同時響應(yīng)速度較快，較容易實現(xiàn)。但是其在滑膜的臨界區(qū)域難以實現(xiàn)沿平衡點移動，具有一定的局限性。

為了保證可靠性，PI控制仍然是工程中最常使用的控制策略，但當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，直流電壓波動大且恢復(fù)速度相對較慢[8,9]。本文根據(jù)Vienna 整流器的電路拓?fù)湓敿?xì)分析了其工作原理，并建立了基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型；然后在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上設(shè)計了控制輸出電壓和輸入電流的雙閉環(huán)控制策略，根據(jù)仿真模型和實驗驗證著重分析在輸入電壓存在波動的情況下，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)對輸入電流的影響，并確定適應(yīng)實際需要的控制參數(shù)，以適應(yīng)特殊場景需要。

1 Vienna整流器原理及建模

1.1 三相Vienna整流器電路拓?fù)?/h3>

圖1為三相 Vienna 整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中ea、eb、ec為三相輸入電壓 L1、L2、L3是感值相同的3個電感，用于儲存能量和升壓電感值均為L，R1、R2、R3是電感內(nèi)阻，D1～D6為6只二極管組成三相不控整流橋，Q1～Q16為6個功率開關(guān)器件，兩兩分別組成雙向開關(guān)。

圖1 三相Vienna整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 三相Vienna整流器原理建模

假設(shè) Vienna 整流器工作在CCM模式，根據(jù)其電路特性，可以在三相靜止坐標(biāo)系對其進(jìn)行建模得：

式中，ea,b,c為電網(wǎng)輸入電壓；ia,b,c為三相輸入電流；Sjp，Sjn為三相開關(guān)管狀態(tài)（j=1,2,3）其取值為1，0，-1；udc為直流輸出電壓；uC1，uC2分別為母線電容電壓；u(A,B,C)N，uNO分別為三相電網(wǎng)端電壓和中點電壓。轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為：

式中，ed，eq，id，iq分別為三相輸入電壓輸入電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的分量；SP,d，SN,d為開關(guān)管狀態(tài)其取值為1，0，-1。根據(jù)Vienna整流器DQ坐標(biāo)系下模型，令d軸為有功分量，q軸為無功分量，從而實現(xiàn)對Vienna 整流器有功、無功分量的獨立控制。在對三相Vienna 整流器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，電壓外環(huán)是對直流側(cè)輸出電壓進(jìn)行控制，使其能夠穩(wěn)定輸出設(shè)定的電壓。電流內(nèi)環(huán)將電壓外環(huán)的輸出作為有功分量控制環(huán)的參考信號，同時將無功分量控制環(huán)參考信號設(shè)為0，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)功能?；谝陨峡刂撇呗?，Vienna整流器電雙環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2 Vienna整流器雙環(huán)控制框圖

通過圖2，Vienna整流器dq數(shù)學(xué)模型可以看出電流內(nèi)環(huán)存在耦合不能單獨控制，為了使輸入電流快速跟蹤輸入電壓變化，實現(xiàn)整流器PFC功能，需要對電流PI控制進(jìn)行解耦，如圖3所示。

圖3 電流環(huán)解耦框圖

通常設(shè)定無功給定電流iq=0。由于電流環(huán)速度比較快，因此考慮設(shè)計典型 Ⅰ 型環(huán)節(jié)，考慮到系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)和輸出延時環(huán)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖4 電壓環(huán)控制框圖

圖5 簡化電壓環(huán)控制框圖

2 電網(wǎng)電壓擾動造成沖擊的原因分析

由第一節(jié)分析可知，在系統(tǒng)運行過程中，電壓環(huán)先開始工作，電壓環(huán)在設(shè)計時主要是為了穩(wěn)定輸出電壓，并沒有以響應(yīng)速度為設(shè)計指標(biāo)。因此在電流環(huán)接收到來自外環(huán)的參考信號后，設(shè)定電壓與實際采樣電壓存在較大的差值，而且由于電容的存在，電壓不能發(fā)生突變，導(dǎo)致電壓環(huán)輸出飽和時間持續(xù)。為便于分析，忽略延遲的影響可得電流有功分量的的參考值為

式中，kvp,kvi分別為電壓環(huán)PI控制器的增益和積分系數(shù)；idref為電流參考值；Udref為電壓參考值；Udc為直流電壓。則在電壓給定值與實際采樣值偏差過大時，電壓環(huán)容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，且持續(xù)。由圖3電流環(huán)前饋解耦求解可得：

假設(shè)idref不變，求解id，iq得：

三相 Vienna 整流器在電網(wǎng)電壓波動時刻，電壓的設(shè)定值不變，采樣值突然發(fā)生變化，兩者存在較大偏差，經(jīng)過式電流內(nèi)環(huán)得到一個較大參考值，從而造成輸入電流瞬時沖擊。若此時伴隨負(fù)載擾動，沖擊電流將更加明顯。由式可知，輸入電流的有功分量和無功分量除電路器件參數(shù)外，還與PI控制環(huán)的系數(shù)有關(guān)。

由分析可知，產(chǎn)生沖擊電流的原因是電壓環(huán)輸出飽和，產(chǎn)生了電流內(nèi)環(huán)有功分量參考值。為抑制電流過沖，增加PFC動態(tài)變參策略，當(dāng)檢測到電壓環(huán)誤差大于125 V時，進(jìn)入PFC動態(tài)變參，將電壓環(huán)PI參數(shù)增大5倍；當(dāng)檢測到電壓環(huán)誤差小于設(shè)定電壓時電壓環(huán)PI參數(shù)恢復(fù)。如圖6，圖7所示。

圖6 原始PI參數(shù)Bode圖

圖7 5倍PI參數(shù)Bode圖

3 實驗驗證

3.1 仿真驗證

為了驗證以上原因分析的正確性和控制參數(shù)的有效性，在 PLECS中搭建了Vienna整流器仿真平臺。仿真模型分別在三相輸入電壓對稱且幅值穩(wěn)定和存在波動條件下進(jìn)行仿真測試，系統(tǒng)仿真模型參數(shù)如表 1所示。

表1 整流器仿真參數(shù)

為了更好地驗證電壓外環(huán) PI 控制的抗擾動性和快速性，對仿真模型的輸入電壓增加波動。圖8、圖9分別是在0.24 s輸入電壓突然增加15%，跌落15%時的輸出電壓波形及A相電流?？梢钥闯觯敵鲭妷涸陔娋W(wǎng)波動時刻，有一定的波動，隨后又進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；輸入電流無明顯超調(diào)。

圖8 輸入電壓增加15% 輸入電流與輸出電壓

圖9 輸入電流跌落15%輸入電流與輸出電壓

仿真結(jié)果表明：外環(huán) PI 控制，直流側(cè)電壓輸出無超調(diào)，且系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；加入輸入電壓波動，系統(tǒng)能快速反應(yīng)、恢復(fù)運行。

3.2 實驗驗證

為了進(jìn)一步驗證控制參數(shù)的在應(yīng)用場景下的適用性，搭建了一個10 kW的整流器樣機系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含 Vienna 整流器主功率及驅(qū)動電路、中電58所JDSPF28335 MCU芯片、電壓電流采樣板、輔助電源。其中主要功率器件參數(shù)使用與仿真模型參數(shù)保持一致，IGBT 驅(qū)動由多級高速光耦和驅(qū)動電源構(gòu)成，采樣的實現(xiàn)采用霍爾傳感器和采樣調(diào)理電路，24 V開關(guān)電源經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換模塊為控制電路和采樣電路提供輔助電源。分別對增加電壓環(huán)動態(tài)變參前后的控制策略進(jìn)行測試，突加10 kW電阻網(wǎng)側(cè)輸入電流波形如圖10所示。

圖10 策略更改前后輸入電流波形

由圖10可知突加10 kW負(fù)載，輸入電流最大瞬時值76.0 A，可能會觸發(fā)過流保護(hù)，增加電壓環(huán)動態(tài)變參后輸入電流最大瞬時值58.0 A；輸入電流瞬時值明顯減小，避免了因瞬時輸入電流過大造成IGBT，進(jìn)一步提升設(shè)備可靠性。

4 結(jié) 論

為了解決充電電源前級整流器在復(fù)雜電網(wǎng)場景下的輸入電流過沖、輸出電壓跌落的問題，對三相Vienna整流器進(jìn)行了理論建模分析、仿真計算和實驗驗證，采用電壓控制外環(huán)參數(shù)動態(tài)調(diào)整的策略，對控制參數(shù)和切換閾值進(jìn)行優(yōu)化測試，解決了整流器突加負(fù)載和輸入電壓波動情況下的過流問題，提高了整流器的可靠性，更好地適用于特殊應(yīng)用場景。