一種基于電流滯環控制的Vienna型PFC整流器

楊世凱，劉小娟，程俊翔，程鵬，章晉

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002; 2.甘肅省電力公司檢修公司酒泉分部，甘肅　酒泉　735000)

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一種基于電流滯環控制的Vienna型PFC整流器

楊世凱1，劉小娟1，程俊翔1，程鵬1，章晉2

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌443002; 2.甘肅省電力公司檢修公司酒泉分部，甘肅酒泉735000)

大型工業設備需要的穩壓器和大型變壓器具有體積大，控制復雜等特點。分析Vienna整流電路的原理，提出了一種基于電流滯環控制的Vienna型PFC整流電路。在MatlabSimulink上搭建平臺進行仿真，結果表明基于電流滯環控制的Vienna整流電路控制簡單，穩定性好，功率因數校正效果好。在此基礎上，搭建了一臺 Vienna 整流器樣機，實驗結果驗證了該方案是可行的。

Vienna整流電路；電流滯環控制；功率因數校正

1　引言

隨著電力電子技術的發展，特別是功率半導體器件以及控制技術的飛速發展，電力電子裝置越來越多地應用于工礦企業，其在提高生產效率和產品質量等方面起著重要作用。但是由于其強非線性的特點對電網注入大量的諧波和無功功率，造成嚴重的電網“污染”。因此研究具有高功率因數PWM整流裝置成為電力電子應用領域的一個重大研究課題[1-2]。而在三相整流器的拓撲結構中，Vienna整流器作為一種典型的三電平拓撲[3-5]，適合用于高電壓，大功率的領域，與傳統的兩電平結構相比降低了開關管的電壓應力和交流側的諧波含量，避免上下橋臂直通，簡化控制環節等特點，因此對Vienna整流器控制技術進行研究具有很大價值。而電流滯環控制因其控制簡單、響應快廣泛用于 PWM 整流器等功率因數校正電路中[6-7]。本文研究了一種基于電流滯環控制的Vienna型PFC整流電路，MatlabSimulink仿真和實驗結果證明了該控制策略的有效性。

2　Vienna型PFC整流電路的工作原理

2.1單相Vienna整流器的工作原理

如圖1為單相Vienna型PFC整流器的電路拓撲結構圖。圖中ua為單相交流電源；La為輸入升壓電感；Dax(x=1、2、3、4、5、6)為快恢復二極管；在圖1所示的結構圖中，開關器件Sa為絕緣柵雙極晶體管，輸出側的穩壓濾波電容用C1、C2表示，R代表的是直流側負載。如圖所示，當全控型開關管Sa關斷，如果ia的方向為正方向，那么ia流經的路線為圖2(a)所示，如果ia的方向為反方向，那么電流ia流經的路線為圖2(b)所示。

圖1　單相Vienna型整流電路的拓撲結構

圖2　開關Sa關斷時的電流流經路線

當全控型開關管Sa導通時，如果ia的方向為正方向，那么ia流經的路線如圖3(a)所示；如果ia的方向為反方向，那么電流ia流經的路線如圖3(b)所示。

根據上面的分析，全控型開關器件Sa和Dax(x=1、2、3、4)等快恢復二極管一起構成了一個可以實現電流雙方向流動的可控開關[8]，這個雙向交流開關連接A點和M點。根據電路的工作狀態，可以把單相Vienna整流電路等效如圖4電路，簡化后的單相Vienna整流電路的等效電路拓撲可以看作是正Boost電路和負Boost電路的并聯而成的雙極性Boost電路。

圖3　開關Sa處于導通狀態時的電流流經路線

圖4　單相Vienna整流電路的等效電路圖

2.2三相Vienna整流器的工作原理

把三個單相Vienna整流電路連接起來，就構成了圖5所示教授J.W.Kolar 提出的三相Vienna電路。

圖5　三相Vienna 整流電路拓撲圖

如圖5所示的三相Vienna整流電路，該整流電路的每一相開關都采用4個快恢復二極管和一個全控型的開關管組成。根據單相Vienna的等效原則，把上述三相Vienna整流電路拓撲等效為圖6。

圖6　三相Vienna電路等效原理圖

分析三相電路進行開關狀態和電路工作原理[9]，有方程(1)：

(1)

其中，Si(i=a，b，c)為雙向開關，Uc1，Uc2為電容C1，C2電壓，Uc1=Uc2=Udc/2，Udc為直流母線電壓；uio=(1-si)sign(ii)Udc/2；Si開通時，Si=1,Si關斷時，Si=0；ii>0時，sign(ii)i=1，ii<0時，sign(ii)i=-1。具體工作過程如下：

(1)ia為正(電流方向從左到右)時的工作狀態：

當全控型開關管Sa處于導通狀態時，F點的電位被并聯的二極管Da1、Da5強行鉗位至電容中點M，輸入側電流ia流經的途徑如圖7(a)所示，該過程中ia>0,并且不斷地增大,電感存儲電能,此時uLa=ua，F點相對電容中點電位為0；當全控型開關管Sa處于關斷狀態時，輸入側電流ia的流經的途徑如圖7(b)所示，對電容C1進行充電，此時F點相對電容中點電位為Udc/2。

圖7　相電流為正時，a相工作原理圖

(2)ia為負(電流方向由右向左)時的工作狀態：

當全控型主功率開關管Sa處于導通狀態時，F點的電位同樣被鉗位至電容中點O，輸入側電流ia流經的途徑如圖8(a)所示，該過程中ia<0,并且不斷地增大,電感存儲電能,此時uLa=ua<0，F點相對電容中點電位為0；當全控型開關管Sa處于關斷狀態時，輸入側電流ia的流經的途徑如圖8(b)所示，對電容C2進行放電，F點相對電容中點電位為-Ud/2。

圖8　相電流為負時，a相工作原理圖

在電路中，每相橋臂功率開關器件都有關斷和開通兩種模式[9]，三相Vienna整流器共有23=8 種開關模式。在一個周期中任選其中的某一時刻進行分析電路的工作狀態(以0≤ωt≤π/6為例)，如圖9(a)～(h)所示，分別介紹這8種開關模式所對應的電路工作狀態[10]。

可以看出線電壓VAB的電勢有4種：V0，Vdc/2，-Vdc/2，0，其絕對值有Vdc，Vdc/2，0三種，構成了三電平輸出。

3　Vienna整流器電流滯環控制策略

電流滯環控制是一種使得整流器輸入電流跟隨輸入電壓的波形變化，實現功率因數單位化的方式。它比較交流電流和輸入側的交流電壓波形，改變整流器中主開關管的狀態，把輸入電流和電壓的相位偏差控制在一定范圍內，從而達到實現功率因數校正的目的[11]。

圖9　10Vienna電路的八種工作狀態圖

圖10　電流滯環控制的原理圖

電流滯環控制的原理圖如圖10所示，設定最大電流偏差為Δimax，2Δimax代表滯環比較器的環寬。參考電流的下限為is-Δimax，參考電流的上限為is+Δimax。當系統運行穩定時，實際輸入相電流經過霍爾元件或者電流采集電路采集之后和參考電流相比較，如果超過參考電流iref，并且差值達到或者是超過Δimax時，滯環比較器的輸出改變原來的觸發信號使該相上對應的開關管關斷，實際相電流開始減小，實現對參考信號的跟蹤；同理，當實際檢測到的輸入相電流is比參考電流iref小，并且差值達到或者是超過Δimax時，滯環比較器的輸出改變原來的觸發信號使該相對應的開關管開通，電流再逐漸增大，實現對參考電流信號的跟蹤。

3.1電流滯環控制算法

式(2)～(4)所示為滯環控制方法的數學表達式：

指令電流：i*=Imsin(ωt)

(2)

滯環上限：iup=i*+Δimax

(3)

滯環下限：ilow=i*-Δimax

(4)

其中Im為電流參考值的最大值，Δimax為滯環半寬。

滯環控制的頻率最大值計算根據公式(5)：

(5)

滯環控制的平均開關頻率值計算根據公式(6)：

(6)

3.2電流滯環控制實現

圖11為系統滯環電流控制的電路原理圖。電流滯環控制同時兼有兩種功能：(1)作為電流調節器；(2)作為PWM調節器。電流滯環控制檢測的是三相電感的電流，它不需要外加調制信號，在控制部分電路中設一個滯環邏輯控制器控制LD，電流環的滯環環寬取與瞬時平均電流成比例的值。

圖11　三相Vienna型PFC整流器的閉環電流滯環控制圖

4　Vienna型PFC整流器的仿真和實驗

4.1閉環控制仿真

查閱文獻，采用式(7)、(8)來確定三相Vienna整流器的三相升壓電感的電感和電容范圍：

(7)

(8)

式中uac取最大值220V，uo取400V，fωt取最小值20kHz，Po取40kW，η取0.95，求得L=0.48mH。

Idc為額定輸出電流，f取50Hz，Vo取20V，求得C=1666μF。

基于上述理論，在MatlabSimulink上搭建仿真平臺，并對其進行仿真。系統仿真模型如圖12所示，仿真模型的參數設置交流相電壓幅值311V，輸入側電感La=Lb=Lc=0.5mH，直流側母線最大參考電壓為4000V，直流側負載R=400Ω，直流側電容C1=C2=2200μF，開關頻率取20kHz。圖13為滯環控制電路仿真模型。

圖12　Vienna整流器系統仿真模型

圖13　滯環控制電路仿真模型

圖14　給定輸出電壓值4000V時調控相電壓、相電流、輸出電壓波形圖

圖15　給定4000V輸出電壓時開關管的電壓應力波形圖

如圖14、15所示，從圖中可以看出相輸入電流是和輸入電壓同相位的正弦波，電壓電流間相位角差值較小，交流諧波含量較少，功率因數校正效果較好。三相中的絕緣柵雙極晶體管電壓應力為輸出電壓的一半，大大降低了開關管的損耗，電流諧波總含量THD為4.5%。

4.2實驗驗證

為驗證方案的可行性，搭建了Vienna 整流器實驗電路對提出的方案進行驗證。設定三相輸入電壓為311V，輸入側濾波電容為型號為MPX275～X2的2.2μF電容，電感為0.5mH，整流橋快恢復二極管型號為FR307，開關管型號為FF200R33KF2C的絕緣柵雙極晶體管，直流側電容為2200μF，負載電阻為400Ω電爐絲。

圖16所示為三相Vienna整流器樣機的電壓電流實驗波形對比圖，其中紅色代表的是其中一相相電壓的波形，黃色代表的是對應相電感的電流波形。從圖中可以看到電流和電壓在相位上幾乎沒有相位差，并且電流波形也沒有大的尖峰出現，電流諧波也比較少，和系統仿真結果一致。圖17所示為給定4000V穩壓輸出時的輸出側直流電壓波形，可以看出直流側的實際輸出電壓的穩定運行性很好。

圖16　相電壓及相電流的實驗波形

圖17　直流電壓跟隨波形

5　結論

通過對Vienna 電路的原理和電流滯環控制策略的分析，給出了基于電流滯環控制的Vienna型PFC整流電路。通過仿真和實驗驗證了方案的可行性，電流動態跟蹤響應速度較快、無超調發生，電路功率因數校正效果好。

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A PFC Rectifier of Vienna Based on Hysteresis Current Control

YANGShi-kai1,LIUXiao-juan1,CHENGJun-xiang1,CHENGPeng1,ZHANGJin2

(1.College of Electrical Engineering and New Energy China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Jiuquan Branch,Maintenance Company,Gansu Electric Power Company,Jiuquan 735000,China)

Large industrial equipment required voltage regulators and large transformers，they have the features of large volume and complex control.Analysis of principle of Vienna rectifier circuit,a Vienna-type PFC rectifier circuit based on the current hysteresis control was proposed.A platform for simulation in MatlabSimulink was built,the results show that rectifier circuit of Vienna based on hysteresis current controlis simple,good stability,good power factor correction.On this basis,a prototype of Vienna rectifier isconstructed,and experimental results show that the proposedprogram is feasible.

Vienna rectifier circuit;hysteresis current control;power factor correction

1004-289X(2016)02-0019-07

新能源微電網湖北省協同創新中心(三峽大學)

TM461

B

2015-06-04

楊世凱(1989-)男，碩士研究生。研究方向為新能源發電技術。