VIENNA整流器的指令電壓輔助區間判斷SVPWM控制

牛利勇，　高瑞雪，　王曉強

(1.北京交通大學 國家能源主動配電網技術研發中心，北京100044；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100044；3.華為終端有限公司，廣東 深圳 518129)

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VIENNA整流器的指令電壓輔助區間判斷SVPWM控制

牛利勇1,2，高瑞雪1,2，王曉強3

(1.北京交通大學 國家能源主動配電網技術研發中心，北京100044；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100044；3.華為終端有限公司，廣東 深圳 518129)

摘要:針對三相三開關三電平整流器(VIENNA整流器)的空間矢量脈寬調制(SVPWM)控制問題，提出了一種指令電壓輔助區間判斷的SVPWM控制方法。依據VIENNA整流器的拓撲結構和數學模型，研究了傳統SVPWM控制方法的實現流程。分析了單位功率因數工況下的交流側相量關系，給出了電流矢量和電壓矢量的固定關系。通過對電壓空間矢量平面進行扇區劃分，給出了指令電壓輔助區間判斷SVPWM控制方法的實現流程。實驗結果驗證了該方法的正確性和有效性。該方法不需要進行電流區間判斷，簡化了控制算法實現過程，并且該方法提高了電壓空間矢量平面扇區的劃分數量，提高了電流控制分辨率。該方法可廣泛應用于開關電源的輸入整流模塊中。

關鍵詞:整流器；功率因數校正；空間矢量脈寬調制；區間判斷；開關電源

0引言

三電平脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)整流器與兩電平PWM整流器相比，具有功率器件電壓應力小、輸入電流畸變率低、功率因數高等優點[1-4]，因此在高電壓等級場合下的應用愈加廣泛。VIENNA整流器是一種獨特的三電平升壓型中點箝位結構整流器，與二極管箝位型、飛跨電容箝位型等傳統三電平整流器相比，其拓撲結構更簡單，所需功率器件較少，無橋臂直通風險因而無需設置死區時間[5-7]，因此吸引國內外很多學者對其進行了大量研究?？臻g矢量脈沖寬度調制(space vector pulse width modulation，SVPWM)控制技術已經廣泛應用于各類型PWM整流器的控制[8-10]，因此也是VIENNA整流器控制方法的理想選擇。

然而，VIENNA整流器具有與傳統三電平PWM整流器不同的拓撲結構特點[11-13]，其輸入端的電位在開關斷開時要由交流側電流的極性來決定，所以VIENNA整流器工作時的電壓空間矢量平面與傳統三電平PWM整流器有很大不同。因此，傳統三電平PWM整流器應用的SVPWM控制方法無法直接用于VIENNA整流器[14-15]，而需要依據交流側電流的矢量位置來重新進行區間劃分，再進行指令電壓位置判斷、矢量合成以及矢量作用時間調制等。由于引入了電流矢量的區間判斷，使得該控制方法對于電流采樣精度及控制器運算速度等都有了更高的要求。同時，由于必須在小扇區內進行矢量調制，雖然可以通過坐標變換等效為兩電平控制，但仍不可避免的使指令電壓區間判斷復雜化。

針對上面的問題，本文首先從VIENNA整流器輸入端相量關系入手，分析了整流器工作在單位功率因數狀態時網側電壓、交流側電壓以及交流側電流之間的位置關系，研究了指令電壓輔助區間判斷的SVPWM控制方法，以簡化VIENNA整流器的控制。同時，研究了VIENNA整流器電壓空間矢量平面的進一步細分問題，以提高交流側電流的控制分辨率。

1VIENNA 整流器拓撲和模型

VIENNA整流器拓撲結構如圖1所示。

圖1　VIENNA整流器拓撲結構圖Fig.1　Topology of VIENNA rectifier

VIENNA整流器的主電路主要由3個工作在升壓模式下的電感、3個功率橋臂以及直流側兩個輸出電容組成。VIENNA整流器的每一相功率橋臂均由一個雙向開關來實現電流的雙向流動。雙向開關整體記為Si(i=a,b,c)，整流器輸出直流電壓記為udc。以A相為例，在Sa關斷時，當電流為正時，整流器輸入端電壓被箝位于+udc/2，而電流為負時，輸入端電壓被箝位于-udc/2；在Sa開通時，無論電流為正或為負，輸入端電壓都將箝位于中點即0電位。因此，VIENNA整流器的輸入端電壓可以描述為

(1)

式中，sign(ii)為電流方向函數，且

(2)

由于

(3)

由式(1)～式(3)可得

(4)

進而得到

(5)

根據VIENNA整流器交流側電流矢量位置的不同可以將整個電壓空間矢量平面劃分為Ⅰ～Ⅵ6個區域，如圖2中虛線所示。由于VIENNA整流器輸入端任意時刻的電平狀態受電流極性限制，故所能形成的基本矢量只有7個。圖2中深色區域為電流區間位于Ⅰ區域時，整流器輸入端電壓基本矢量所構成的六邊形區域。該區域包括一個大矢量[1,000]、兩個中矢量[1,010]和[1,001]、兩個獨立小矢量[1,110]和[1,101]、零矢量[111]以及一個冗余小矢量[1,100]和[1,011]。

圖2　VIENNA整流器電壓空間矢量平面Fig.2　Voltage space vector plane of VIENNA rectifier

傳統的三電平整流器在進行SVPWM控制時，一般通過3條規則的組合判斷將矢量平面劃分為6個扇區即6個大三角形區域，再在大三角形區域內進行小扇區判斷并進行矢量調制。傳統方法顯然無法直接應用于VIENNA整流器的控制，而是需要先判斷電流矢量的位置從而進行電流區間判斷，再在由電流區間確定的小六邊形區域內進行矢量調制。矢量調制最直接的方法是按照矢量位置將小六邊形劃分為6個三角形區域，再根據邊界條件判斷指令電壓所處的位置并進行調制，控制流程如圖3(a)所示。該方法雖然原理簡單直接，但由于調制區域為六邊形，其邊界判斷條件較為繁雜。另外一種常見的方法是文獻[6]中論述的將三電平等效為兩電平的控制方法，通過坐標變換將指令電壓變換至小兩電平平面，并利用兩電平的調制算法進行控制，控制流程如圖3(b)所示。該方法雖然避免了復雜的區域劃分和邊界判斷，但在必須進行電流區間判斷的同時，還需要進行額外的坐標變換。

圖3　VIENNA整流器的傳統SVPWM控制流程圖Fig.3　　　　Flowchart of traditional SVPWM control 　　　for VIENNA rectifier

從圖3中的調制過程可以明顯看出，這兩種方法在進行調制時都不可避免的需要進行電流矢量的區間判斷，增加了控制方法的復雜性。

2單位功率因數下的交流側相量關系

當VIENNA整流器工作時，其交流電網電動勢、交流側電壓、交流側電感電壓以及交流側電流等存在著固定的關系，其在單位功率因數工況時的交流側關系如圖4所示。

VIENNA整流器工作在單位功率因數工況下時，電網電動勢E與交流側電流I同相位，圖4中的VL為交流側電感電壓，VR為電感及開關管等效電阻電壓，θ為電網電動勢E與整流器輸入端電壓V的夾角。通過圖4所示的幾何關系，可以得出θ的計算公式為

(6)

進一步得到

(7)

式中：Um為電網電動勢幅值；Im為交流側電流幅值；ω為電網電動勢的角頻率；L為交流側電感值；R為交流側等效電阻值。

圖4　VIENNA整流器交流側關系Fig.4　Relations of VIENNA rectifier AC side phasors

圖5　θ取值隨主電路參數變化圖Fig.5　　　　θ values change map with the main circuit　　　 parameters

將式P=1.5UmIm代入式(7)得

(8)

式中，P為整流器輸入功率。

分別取參數R=0.3 Ω和R=2 Ω，ω=100π rad/s，Um=311 V，L=100～1 500 μH，P=500～20 000 W，根據式(8)繪制θ的函數圖像如圖5所示。

從圖5中可以看出，主電路參數變化時θ始終在一個很小的角度范圍內波動。整流器交流側電壓V即為 SVPWM控制中的指令電壓，所以基于整流器交流側電流I與電壓V之間的固定關系，可以利用指令電壓在電壓空間矢量平面上的位置推斷出電流矢量I的位置。

3指令電壓輔助區間判斷的SVPWM控制方法

當VIENNA整流器穩定運行時，圖4中各個相量對應的矢量均以2πf rad/s的角速度在圖2中的電壓空間矢量平面上旋轉。按照常規的三電平SVPWM控制方法，將圖2中的電壓矢量空間平面劃分“一～六”共6個扇區，每個扇區又被劃分為A1、A2、B、C1、C2和D六個小扇區，則將扇區數從24增加到36。其中扇區一的區域劃分如圖6所示。

圖6　扇區一的小區域劃分Fig.6　Small regional division of sector one

圖6中的扇區一包含區間Ⅰ和Ⅱ兩種電流矢量狀態，兩種狀態下3個開關管開關狀態對應的矢量情況有所不同，如電流矢量在區間Ⅰ時的開關狀態[1,100]、[1,011]與區間Ⅱ的[2,011]對應的都是同一個小矢量。因此當電流矢量旋轉越過圖6中虛線即電流從區間Ⅰ變化為區間Ⅱ時，控制器輸出的脈沖序列需要進行調整。當VIENNA整流器工作在單位功率因數狀態時，交流側電流矢量I與整流器交流側電壓矢量V以夾角θ的位置關系同步旋轉，而通過前面的計算證明θ的數值相對較小。因此以圖6中的扇區一為例，當矢量V處于區間Ⅰ時的大部分時間中矢量I同樣處于區間Ⅰ，而矢量V與矢量I所處電流區間不同的情況只可能發生在矢量V處于A1、C1以及B三個小扇區的情況下。當矢量V位于小扇區B而矢量I處于區間Ⅱ時的臨界狀態如圖6所示，由幾何關系及式(5)中的相電壓幅值我們可以得出此時交流側電壓幅值的計算公式為

(9)

同樣采用圖5中所使用的主電路參數，輸出電壓Vdc=700 V，根據式(9)繪制得到的V*函數圖像如圖7所示。

圖7　V*幅值隨主電路參數變化圖Fig.7　　　　V* values change map with the main 　　　circuit parameters

從圖4中各相量之間的關系同樣可以得到交流側電壓幅值的計算公式為

(10)

定義通用電壓矢量為

(11)

可以進一步得到交流側電壓幅值的計算公式為

(12)

采用圖5中所使用的主電路參數，根據式(12)繪制得到的V函數圖像如圖8所示。

圖8　V幅值隨主電路參數變化圖Fig.8　　　　V values change map with the main 　　　circuit parameters

通過圖8與圖7的對比可知，相同條件下V*的幅值明顯要比V的幅值大，因此在正常的主電路參數下，當VIENNA整流器工作在單位功率因數工況下時，矢量V與矢量I所處電流區間不同的情況只可能發生在矢量V處于A1、C1兩個小扇區的時候。

綜上所述，在進行基于SVPWM的VIENNA整流器控制系統設計時，無需進行交流側電流矢量I的區間判斷。以扇區一為例：當輸入端電壓矢量V位于小扇區B時，矢量I位于區間Ⅰ；矢量V位于小扇區A2、C2和D時，矢量I位于區間Ⅱ；矢量V位于小扇區A1和C1時，只需判斷某一相輸入電流的極性即可獲得矢量I所處的區間，各扇區進行補充判斷的具體關系如表1所示。

VIENNA整流器SVPWM控制流程如圖9(a)所示，脈沖序列判斷邏輯以扇區一為例如圖9(b)所示。

表1　補充判斷關系

圖9　　　　指令電壓輔助區間判斷VIENNA整流器SVPWM　　　控制流程圖及扇區一脈沖序列判斷邏輯Fig.9　　　　Flowchart of VIENNA rectifier control with　　　 reference voltage assisted sector judgment　　　 based SVPWM and pulse sequence judgment　　　 logic of sector one

將圖9與圖3中的控制流程進行對比，可以看出圖9中的方法減少了電流矢量的區間判斷過程，同時由于對矢量平面進行了進一步細分，所以對交流側電流的控制分辨率更高。

對于直流側電壓以及電容中點電位平衡的控制，本方法與常規三電平SVPWM控制方法相同，不再贅述。

4系統實驗驗證

為了驗證本文論述的指令電壓輔助區間判斷的VIENNA整流器SVPWM控制方法的正確性，搭建了一套三相三線制、基于DSP28335的數字控制實驗平臺，其主電路參數如表2所示。

表2　主電路參數

實驗平臺的輸入為本地電網，系統實驗結果及輸入電流諧波分析如圖11所示。

圖11中的實驗結果表明，本文所論述的控制方法能夠很好的實現VIENNA整流器的單位功率因數控制。

從圖11(a)中可以看出，電流波形整體平滑，說明進行SVPWM調制過程中，在電流區間進行切換時輸入電流和輸出電壓依然保持穩定，驗證了本文提出的區間判斷方法。在直接接入本地電網的輸入條件下，各相輸入電流都實現了正弦化，并且跟蹤各相輸入電壓，良好的實現了VIENNA整流器的功能。由于輸入電壓三相之間存在一定的不平衡度，因此三相電流的諧波性能相互之間有所差異。

5結論

本文提出了一種適用于VIENNA整流器的指令電壓輔助區間判斷SVPWM控制方法，具有以下優點：

1)無需進行輸入端電流矢量的區間判斷，在進行指令電壓區間判斷的過程中利用其與電流矢量的位置關系完成電流區間的判斷，避免了復雜的區間判斷過程，控制系統結構簡單。

2)將電壓空間矢量平面的扇區劃分從24個提升至36個，使得電流控制分辨率更高。

圖11　實驗結果Fig.11　Experimental results

但是本文所提出的控制方法僅適用于單位功率因數的整流工況，在其他特殊工況下，如使用VIENNA整流器進行無功功率補償，則仍需采用傳統SVPWM控制。

本文所提出的控制方法可廣泛應用于各類開關電源中的輸入整流模塊，如通信電源、電動汽車充電機等。

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(編輯：劉琳琳)

Control of VIENNA rectifier with reference voltage assisted sector judgment based SVPWM

NIU Li-yong1,2，GAO Rui-xue1,2，WANG Xiao-qiang3

(1. National Active Distribution Network Technology Research Center,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing,Beijing 100044,China; 3. Huawei Terminal Co.,Ltd,Shenzhen 518129,China)

Abstract:Focused on control of three-phase three-switch three-level rectifier (VIENNA rectifier) with space vector pulse width modulation (SVPWM),a reference voltage assisted sector judgment based SVPWM method was presented. According to the VIENNA rectifier topology and mathematical model,the realization process of conventional SVPWM control method was studied. The relationship of AC side phasor under unity power factor was analyzed and the fixed relationship between current vector and voltage vector was presented. The reference voltage assisted sector judgment based SVPWM control method and its realization process were presented,following the sector division of the voltage space vector plane. Experimental results verified the presented method’s validity and effectiveness. The presented method doesn’t need current sector judgment and simplifies realization process of the control method. Also,the presented method increases the sector numbers of the voltage space vector plane,which improves the current control resolution. This method can be widely used in the input rectifier modules in switch power supplies.

Keywords:rectifier；power factor correction；space vector pulse width modulation； sector judgment; switch power supply

收稿日期:2014-04-11

基金項目：國家能源應用技術研究項目(NY20150303)

作者簡介：牛利勇(1978—)，男，副教授，碩士生導師，研究方向為電力電子技術、電動汽車充電技術等；高瑞雪(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為電力電子技術；王曉強(1988—)，男，碩士，研究方向為電力電子技術。

通訊作者:牛利勇

DOI:10.15938/j.emc.2016.05.007

中圖分類號:TM 461.3

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)05-0045-08