單周期控制VIENNA整流器中點平衡研究

高 燃，張維戈，牛利勇，姜久春

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

單周期控制VIENNA整流器中點平衡研究

高 燃，張維戈，牛利勇，姜久春

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

VIENNA整流器是一種新型的三電平整流器拓?fù)洌陙硪驗槠湫阅軆?yōu)良得到了廣泛關(guān)注。作為一種優(yōu)良的新興控制技術(shù)，單周期控制下的VIENNA整流器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、諧波含量低、開關(guān)頻率恒定等優(yōu)點。針對VIENNA整流器的三電平特性，分析了在單周期控制下其輸出電容的中點平衡問題，并使用Mat l ab仿真給出驗證。

VIENNA整流器；單周期控制；中點平衡；功率因數(shù)校正

VIENNA整流器是一種新型的三電平拓?fù)鋄1]，由于其優(yōu)異的性能近年來廣受關(guān)注，適用于大部分AC-DC供電領(lǐng)域。單周期控制作為一種新型技術(shù)因為其優(yōu)秀的控制特性近年來在PFC領(lǐng)域上也逐漸得到應(yīng)用。

一直以來中點電壓平衡控制是三電平變換器的研究熱點。對于單周期控制的VIENNA整流器，在只采集輸出總電壓的情況下，文獻[2]和文獻[3]分別論證了在串聯(lián)雙Boost解耦模式下[4]的VIENNA整流器和單相VIENNA整流器均能實現(xiàn)輸出中點電壓的自動均衡，其中文獻[3]的論證同樣適用于三相四線制模式的VIENNA整流器[5]。

本文針對文獻[6]提出的三相三線制單周期控制VIENNA整流器的中點平衡問題做出研究，通過數(shù)學(xué)建模和中點電流分析，結(jié)合Matlab仿真，論證了在單周期控制下的VIENNA整流器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出中點的自動平衡控制。

1 單周期控制VIENNA整流器工作原理

圖1是VIENNA拓?fù)浜唸D，其中開關(guān)管均為雙向開關(guān)，僅以單相工作過程為例說明其工作原理。

（1）a相電壓正半周：開關(guān)Sa導(dǎo)通時，電感La與輸出零電位中點連接，電感儲能，電流流向為Va→La→Sa→M；Sa關(guān)斷時，電感通過二極管Dap對電容C1充電，電流減小，電流流向為Va→La→Dap→C1；

圖1 VIENNA整流器電路拓?fù)?/p>

（2）a相電壓負(fù)半周：開關(guān)Sa導(dǎo)通時，電感反向儲能，電流流向為M→Sa→La→Va，Sa關(guān)斷時，電感通過二極管Dan對電容C2反向充電，電流流向為C2負(fù)端→Dan→La→Va。其它兩相工作與此類似。

由工作原理可知，輸出電容電壓均衡時，中點M平均電壓為 0；故在各相電壓正半周期間，其電感末端電壓 VA,B,C在+VO/2和0間跳變；電壓負(fù)半周時，VA,B,C在－VO/2和0間跳變；拓?fù)渚哂腥娖教匦浴?/p>

文獻[6]中提出了單周期控制該拓?fù)洌谳敵鲭娙蓦妷壕鈼l件下做了詳細(xì)分析；此種模式下的三相互相耦合，其基于單周期控制的核心方程[6]為：

2 輸出中點平衡分析

壓差構(gòu)成負(fù)反饋。即VC1＞VC2，ΔU＞0時，iM＞0，中點電流正向流入，給C2充電，使VC2上升，VC1下降，直到VC1=VC2；從而實現(xiàn)中點電壓平衡。可以證明，當(dāng)ΔU＜0時，iM＜0也能實現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

由于電壓區(qū)間劃分具有對稱性，此關(guān)系在0°～360°區(qū)間均成立，即在全電壓區(qū)間內(nèi)，中點電流均可實現(xiàn)中點平衡控制，將式（12）代入電容方程，通過近似數(shù)值分析可證明電容電壓偏差將以指數(shù)方式衰減。

3 系統(tǒng)仿真驗證

由上文分析，使用Matlab/Simulink進行電路仿真。參數(shù)如下：輸入電壓為三相220 V/50 Hz；輸出電壓為700 V；開關(guān)頻率50 kHz；輸出功率為10 kW；輸入電感為300μH。

初始時刻，設(shè)定VC1=400 V，VC2=300 V，使中點不平衡。輸出電容各取2 000μF。

圖4可知，電容初始VC1＞VC2時，中點電流對C2充電，電路可完成電容電壓的自動均衡，該過程中輸出總電壓不變。

圖4 初始電容電壓不均衡

改變不平衡條件，現(xiàn)設(shè)定正負(fù)母線電容值不一致，電容電壓初始值為0；分別為C1=3 000μF，C2=1 000μF。

圖5可知，在C1＞C2，時，起初電容電壓嚴(yán)重不均衡，中點電流對C1充電，電路實現(xiàn)了電容電壓的自動均衡，且該過程中輸出總電壓保持在設(shè)定值。

圖5 電容值不一致

解除不平衡條件，保持輸出電容一致以及初始電壓值為0，在正常條件下進行仿真。圖6為輸入電流、電壓。

可見，使用單周期控制的VIENNA整流器可以很好地保證三相輸入電流的正弦化。

如圖7所示，使用傅里葉分析可得THD=2.43%，繼而可計算出功率因數(shù)值，可見該策略下的三電平整流器可實現(xiàn)單位功率因數(shù)。

圖6 輸入電流、電壓

圖7 傅里葉諧波分析

圖8 雙向開關(guān)管電壓應(yīng)力

從圖8中可以看出，不考慮尖峰電壓，雙向開關(guān)管的電壓應(yīng)力僅為輸出電壓的一半，大大降低了對開關(guān)器件的要求。

4 結(jié)論

本文針對三電平整流器普遍存在的中點電壓平衡問題，研究了在單周期控制下一種新型三電平VIENNA整流器的中點平衡特性；通過數(shù)學(xué)建模和中點電流的理論分析，證明了單周期控制下的VIENNA整流器可以在只采集輸出全電壓的條件下實現(xiàn)輸出中點的自動平衡；并通過仿真驗證表明，該模式下的VIENNA整流器具有中點電壓自動均衡能力，同時具有低諧波、功率器件應(yīng)力小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] KOLAR JW.A novel three-phase utility interfaceminimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifiermodules[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44(4): 456-466.

[2] 雷濤,張曉斌.單周期控制串聯(lián)雙Boost高功率因數(shù)整流器研究[J].電力電子技術(shù),2006,40(5):35-37.

[3] 江濤,毛鵬.基于簡單模擬控制的單相VIENNA整流器研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(11):66-67.

[4] 張厚升,胡振營.基于單周控制的通用三相PFC控制器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報2004,19(9):73-76.

[5] 張先進,徐堅.單周控制三相4線制VIENNA整流器研究[J].電氣傳動，2009,39(1):31-33.

[6] QIAO C M,SMEDLEY K M.Three-phase unity-power factor star-connected sw itch(VIENNA)rectifier with unified con stant frequency integration control[J].IEEE Trans on Power Electronics, 2003,18(4):952-957.

Neutralpointbalanced research of VIENNA rectifierbased on OCC-control

GAO Ran,ZHANGWei-ge,NIU LI-yong,JIANG Jiu-chun
(School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

VIENNA rectifier is a new topology of three-level family which has been concerned widely due to its excellent performance.As a burgeoning control method,one cycle control(OCC-Control)can be used in VEINNA rectifier for simple structure,fast response,low harmonic and constant switching frequency.Aiming at the three-level characteristic of VIENNA rectifier,the neutral point balanced of the rectifier was studied under OCC-Control.At last, a simulation model was built in Matlab.The simulation results validate the validity of theoretical analysis and control algorithm.

VIENNA rectifier;one cycle control;neutral point balanced;PFC

TM 461

A

1002-087 X(2013)11-2040-04

2013-04-23

北京市科技計劃（Z111100054111007）

高燃(1988—),男,安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電力傳動。