單周期控制三相VIENNA整流器

馮鑫振，高 捷

（1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢430074；2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064）

0 引 言

隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題引起了很大的關(guān)注。傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流，對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。應(yīng)用于功率因數(shù)校正的三相整流器，在拓?fù)浜涂刂品矫嬉呀?jīng)進(jìn)行了很多研究［1－3］，其中包括一些基于串聯(lián)雙升壓電路拓?fù)溲葑兌鴣淼恼麟娐罚?］。實現(xiàn)單位功率因數(shù)，減少電流的畸變是PFC電路的主要目標(biāo)。相比三相PWM整流器，VIENNA整流器具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高，交流側(cè)濾波器尺寸小，成本低等優(yōu)點［5］。傳統(tǒng)的直接電流控制需要檢測電網(wǎng)電壓，通過乘法器產(chǎn)生輸入電流給定信號，這樣就會使系統(tǒng)變得比較復(fù)雜，乘法器的非線性失真也會造成輸入電流的諧波畸變。鑒于此，美國學(xué)者Keyue M Smedley首次提出了單周期控制技術(shù)，它是一種不需要乘法器的非線性控制技術(shù)，利用復(fù)位積分器使被控量在一個開關(guān)周期內(nèi)跟蹤給定量。這種方案具有開關(guān)頻率恒定，動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、易于實現(xiàn)等優(yōu)點［6］。

本文對基于單周期控制的VIENNA整流器進(jìn)行研究，推導(dǎo)單周期控制的VIENNA整流器的新型控制規(guī)律，控制電路僅使用一個積分器，不需要乘法器和電壓檢測。在電網(wǎng)相電壓周期每60°區(qū)間內(nèi)，僅有兩個開關(guān)管工作于高頻通斷狀態(tài)，因此，開關(guān)損耗大為減少。系統(tǒng)成本也可以得到適度控制，有利于在工程實踐中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

為簡化推導(dǎo)過程，特作如下假設(shè)：①電網(wǎng)電壓三相對稱，內(nèi)阻為零；②各相電感相等，即La＝Lb＝Lc＝L；③開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率；④忽略功率器件的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗，忽略分布參數(shù)的影響。

圖1給出了三相VIENNA整流器的電路原理圖。一個周期內(nèi)三相電網(wǎng)電壓的波形如圖2所示。通過虛線將其分為六個區(qū)間，依據(jù)六階段PWM控制技術(shù)原理，三相整流器可通過在每60°區(qū)間內(nèi)控制兩個開關(guān)管的通斷來實現(xiàn)單位功率因數(shù)［7］。在圖2中的（－30°～30°）區(qū)間內(nèi)，雙向開關(guān)管Sa一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，通過對開關(guān)管Sb和Sc高頻通斷控制，就能夠使相電流iLb和iLc跟蹤相電壓Ub和Uc。由三相電路對稱可得Ua＋Ub＋Uc＝0，ia＋ib＋ic＝0，因此相電流ia就可以跟蹤相電壓Ua，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)。對于其它區(qū)間也可進(jìn)行類似的分析。三相VIENNA整流器在相電壓的每60°區(qū)間可解耦成圖3所示的串聯(lián)雙升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［8］。圖中Tp和Tn為不同區(qū)間對應(yīng)的開關(guān)，Up和Un為不同區(qū)間對應(yīng)的等效電壓。對于圖3所示電路Tp和Tn有四種開關(guān)組合，分別為：①Tp導(dǎo)通，Tn導(dǎo)通；②Tp導(dǎo)通，Tp關(guān)斷；③Tp關(guān)斷，Tn導(dǎo)通；④Tp關(guān)斷，Tn關(guān)斷。對應(yīng)如圖4所示的等效電路。

在固定開關(guān)頻率的控制電路中，每個開關(guān)周期都會有兩種可能的開關(guān)序列，比如狀態(tài)1，2，4（dp＜dn）或者是1，3，4（dp＞dn），其中dp和dn分別為開關(guān)Tp和Tn的占空比。由假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率，從而串聯(lián)雙升壓電路拓?fù)淇梢钥闯梢粋€dc－dc變換器，由電壓伏秒平衡原理知電感電壓平均值為零。可以推出：

對于平衡的三相系統(tǒng)，公式（2）成立：

從而公式（1）可以簡化為：

同樣可以證明，對于另一種開關(guān)序列1，3，4，公式（3）依然成立。公式（3）給出了當(dāng)串聯(lián)型雙升壓拓?fù)溥\行于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時，占空比和輸入、輸出電壓之間的關(guān)系。

2 三相PFC控制器實現(xiàn)

為了實現(xiàn)三相VIENNA整流器的單位功率因數(shù)，需要達(dá)到在一個開關(guān)周期內(nèi)每相電流跟隨輸入相電壓的控制目標(biāo)［7］。表示為：

式中，Re代表反應(yīng)負(fù)載電流的等效電阻。基于以上理論分析，由公式（3）可以將控制目標(biāo)簡化為：

把公式（5）代入公式（3）可以解出實現(xiàn)三相VIENNA整流器單位功率因數(shù)校正的關(guān)鍵函數(shù)。

圖1 三相VIENNA整流器

圖2 標(biāo)準(zhǔn)三相電網(wǎng)電壓波形

圖3 串聯(lián)雙升壓電路拓?fù)?/p>

圖4 串聯(lián)雙升壓電路在四種開關(guān)狀態(tài)時等效電路

式中，Rs代表等效的電流檢測電阻，代表反饋電壓環(huán)的輸出。使用帶復(fù)位開關(guān)的實時積分器和一些線性網(wǎng)絡(luò)（例如時鐘、比較器、加法器、觸發(fā)器［8］）就能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)的控制目標(biāo)。在電網(wǎng)周期的每60°區(qū)間，都需要改變輸入電流檢測對象和控制不同的開關(guān)通斷，因此還需要多路開關(guān)轉(zhuǎn)換電路、區(qū)間選擇電路和輸出邏輯電路。圖5為實現(xiàn)式（6）給出的PFC函數(shù)的單周期控制模塊。

圖5 實現(xiàn)三相PFC函數(shù)的單周期控制框圖

3 系統(tǒng)的仿真分析

本文通過 MATLAB/Simulink仿真軟件對三相VIENNA整流器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗證了控制方案的可行性。仿真參數(shù)設(shè)置如下：電網(wǎng)相電壓為180 V，輸入濾波電感為L＝4 mH，直流側(cè)電容C1＝C2＝1000μF，負(fù)載電阻為R＝100Ω，三相交流電壓頻率為50 Hz。

圖6為A相輸入電壓和電流的波形，由FFT分析可得電流的THD為3.96%，功率因數(shù)可以控制在0.99左右。由圖可以看出相電流能很好地跟蹤輸入相電壓，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)。從圖6能夠看出，輸入電流存在一定的畸變，原因在于每個60°區(qū)間，線電流從一相切換到另一相切換過程中出現(xiàn)的瞬態(tài)響應(yīng)。圖7為輸出直流側(cè)電壓波形。

圖6 A相電壓和電流波形

圖7 負(fù)載側(cè)電壓波形

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了單周期控制三相VIENNA整流器的工作原理與控制規(guī)律，將三相VIENNA整流器解耦為串聯(lián)升壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制電路通過一個積分器和一些邏輯電路就能夠解決推導(dǎo)的線性函數(shù)，從而可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和產(chǎn)生較低電流畸變。該控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)頻率恒定，不需要乘法器等優(yōu)點。在一個開關(guān)周期的每60°區(qū)間內(nèi)，僅有兩個開關(guān)工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗明顯減少。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

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