VIENNA整流器控制策略綜述

（北方工業大學北京市變頻技術工程技術研究中心，北京 100144）

隨著負載設備對電網的諧波污染越來越大，以及三相大功率裝置在電網中的應用比例越來越高，VIENNA整流器功率校正技術成為國內外電力電子研究領域的熱點問題[1]。與其它三電平整流器相比，VIENNA整流器具有開關器件少、功率器件承受電壓應力小和無橋臂直通問題等優點，目前在UPS、充電樁等不需要能量雙向流動的行業中，其產品設計已經采用VIENNA整流技術進行功率因數校正[2]。

然而VIENNA整流器是一個多輸入、多輸出、強耦合的時變系統，使得控制系統的設計相對復雜，控制策略的好壞影響著系統的功率密度和效率。本文以VIENNA整流器為主要研究對象，基于國內外多年研究成果，對VIENNA整流器控制策略進行分類、歸納和總結。

1 VIENNA拓撲結構及控制策略分類

1.1 VIENNA拓撲結構及工作原理

VIENNA整流器主要由3個濾波電感、3個四端開關組合和2個直流均壓電容等器件組成，如圖1所示。根據VIENNA整流器四端開關中有源功率開關管的數量不同，可將其拓撲結構主要分為2類：單管四端開關類和雙管四端開關類。但對于VIENNA整流器的不同拓撲結構，其基本控制原理均是相同的，且雙管四端開關類的每個雙向開關具有2個控制端子[3]，控制起來更加靈活，為此本文主要針對圖2所示的雙管四端開關實現的三電平VIENNA整流器控制策略展開分析。

圖1 VIENNA整流器拓撲結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of VIENNA rectifier topology structure

圖2 三相三開關VIENNA整流器拓撲結構Fig.2 Topology of three-phase three-switch VIENNA rectifier

圖2中，usa，usb，usc為三相輸入電網電壓；Ls為三相濾波電感，作用是濾除電流諧波；C1，C2為直流濾波電容，用于穩定直流側輸出電壓，減小輸出電壓紋波[4]；每相橋臂由2個功率器件反向串聯來等效為一個雙向開關，則每個功率器件承受直流母線電壓的50%，通過控制雙向開關的導通與關斷，從而達到輸入電流、直流輸出電壓和直流側2個電容均壓的控制。

1.2 VIENNA整流器控制策略分類

VIENNA整流器常用的控制系統如圖3所示。通過鎖相環得到電網電壓相位角以實現電網電壓定向控制，直流外環以輸出電壓為反饋量，與直流電壓設定值的誤差經過控制器得到電流內環給定值，電流內環以交流側電感電流為反饋量實現控制，其輸出量疊加中點電位平衡控制策略得到三相調制波，經調制得到開關管的驅動信號。VIENNA整流器主要包含以下幾個控制目標[5]：1）保證交流電流為單位功率因數運行且實現正弦化；2）使直流側輸出電壓穩定；3）達到中點電位平衡。對于鎖相環技術，常采用傳統的單同步坐標系軟件鎖相環，該鎖相環技術可有效并準確地檢測三相平衡時電網電壓的頻率、幅值和相位，在此不再贅述。

圖3 VIENNA整流器控制系統框圖Fig.3 Schematic diagram of VIENNA rectifier control system

根據控制目標，VIENNA整流器控制策略分為電流控制、直流電壓控制、中點電位平衡控制3大部分，控制策略分類如圖4所示。

圖4 VIENNA整流器控制策略分類圖Fig.4 Schematic diagram of VIENNA rectifier control strategy classification

2 電流控制

電力電子裝置的廣泛應用對電網造成了諧波污染，因此如何提升VIENNA整流器的功率因數、降低電流諧波畸變率、進而改善電能質量是保障系統運行性能的關鍵，因此需要對其交流電流進行控制[6]。

2.1 基于PI控制器的電流解耦控制策略

基于PI控制器的電流解耦控制策略應用廣泛，技術成熟。首先對交流側輸入電壓和電流進行采樣，其次經過坐標變換得到其在d-q同步旋轉坐標系下的直流量，并加入前饋解耦控制使d，q兩軸相互獨立，從而分別控制VIENNA整流器的有功分量和無功分量?；赑I控制器的解耦控制方程表達式為

文獻[7]采用該控制策略，電流前饋解耦控制如圖5所示，在該控制策略下，VIENNA整流器可實現單位功率因數運行，但計算量較大，且PI控制器無法實現零誤差跟蹤正弦信號，存在受系統參數變化影響大和控制延遲等問題，從而導致直流側動態響應較差。

圖5 基于PI控制器的電流解耦控制框圖Fig.5 Current decoupling control based on PI controller

2.2 基于PR控制器的電流控制策略

比例諧振（proportional resonant，PR）控制器由比例環節和諧振環節組成，可實現對正弦量的無靜差跟蹤。文獻[8]采用基于PR控制器的控制策略，該控制策略基于α-β兩相靜止坐標系，采樣值與給定值的誤差經過PR控制器，從而可實現系統對給定信號無穩態誤差的跟蹤，基于PR控制器的電流控制框圖如圖6所示。

圖6 基于PR控制器的電流控制框圖Fig.6 Current control block diagram based on PR controller

該控制策略計算量較小，可實現系統對直流量的無靜差跟蹤，但PR控制器易導致系統臨近頻率發生串擾并引起諧振問題，且發生負載突變時，傳統的PR控制算法存在控制延遲的問題，在電動汽車充電模塊等對動態性能要求較高的場合，傳統的PR控制無法滿足需求。

為解決傳統直流側單一閉環動態性能差的問題，文獻[9]將負載電流前饋環節引入到VIENNA整流器控制系統中，原理是檢測負載電流idc的變化，根據瞬時功率理論，當直流側負載變大時，負載電流idc變大，電壓隨之跌落，從而前饋環節的作用使得d軸給定電流增大，電容電流增大，則直流側電壓回升。因此通過對前饋系數的合理設計，從而提升VIENNA整流器抗負載擾動的能力。為減少源側電流THD，文獻[10]將用于VIENNA整流器的PR控制器進行改進，傳統的PR控制器在很大程度上不能降低低次諧波，因此通過額外加入并聯補償器來消除低次諧波。該控制策略在abc三相靜止坐標系下進行，避免使用坐標系變換和鎖相環，計算量減少，可選擇性地從源側電流中消除不同的低次諧波，該控制策略適用于大范圍的電網電壓不平衡、電網諧波污染等情況下的電流控制。

2.3 滯環電流控制策略

滯環控制是將誤差信號輸送到滯環比較器從而產生控制信號。文獻[11]采用傳統滯環電流控制（conventional hysteresis current control，CHCC）策略，其電流控制結構采用一個非線性滯環比較器來代替傳統電流控制器，電壓外環輸出作為電流給定值，與采樣三相電流值的偏差經過滯環比較器，控制框圖如圖7所示。從開關頻率、電流畸變等方面考慮來選取合適的環寬h，當電流偏差Δi超越+h或-h時，開關管通過相應的邏輯切換來減小與給定電流的偏差，以a相為例，開關管工作狀態為

該控制策略結構簡單，魯棒性強，在負載突變情況下仍具備良好動態響應性能，但其存在的不足之處是開關頻率不固定，導致網側濾波電感的濾波效果下降，進而影響到網側電流質量。

針對傳統滯環控制策略開關頻率波動大的問題，文獻[12-13]采用基于空間矢量的滯環電流控制策略，原理是某相電流在一個方向穿越滯環帶時，通過選擇合適的電壓矢量使其向反方向變化，控制框圖如圖8所示。該控制策略基于α-β兩相靜止坐標系，α軸和β軸輸出的電流誤差分別經過4階和3階滯環比較器，利用輸出量Dα和Dβ去查表，從而選擇合適的電壓矢量，獲得驅動脈沖。該控制策略有效解決了開關頻率波動問題，同時也具備動態響應速度快的特點。基于空間矢量的變環寬控制策略可推廣到其它三相三電平變換器電流控制中，但實現過程較為繁瑣，且扇區判斷誤差造成電流低次諧波變大問題有待進一步解決。

圖7 傳統滯環電流控制框圖Fig.7 Traditional hysteresis current control block diagram

圖8 基于空間矢量的滯環電流控制框圖Fig.8 Hysteresis current control block diagram based on space vector

2.4 模型預測控制

模型預測控制實際是求解最優控制問題。文獻[14]采用有限控制集-模型預測控制（finite control set model predictive control，FCS-MPC）策略，該控制策略將傳統的PI控制器和PWM模塊替換成了MPC控制器，采集VIENNA整流器當前狀態變量，經預測模型計算得到下一時刻預測電流值；通過電壓外環和電網電壓相角，得到參考電流值，最后根據以電流誤差最小為目標的價值函數，在1個開關周期內對多個電壓矢量遍歷尋優，從而輸出滿足目標的最優電壓矢量，控制框圖如圖9所示。

圖9 模型預測控制框圖Fig.9 Block diagram of model predictive control

該控制策略具有動態響應快、可同時對多個目標進行約束等優點，應用廣泛，但開關頻率不固定，輸入電流對采樣頻率依賴較高。

文獻[15]提出一種基于離散空間矢量調制（discrete space vector modulation，DSVM）的VIENNA整流器模型預測控制（DSVM-MPC）策略，通過引入虛擬矢量，構成更多數量的有限控制集來減少預測電壓誤差，從而提高電流預測控制精度，每個開關周期內可輸出多個實矢量，開關頻率波動減小。相較于傳統模型預測控制，該控制策略降低了電流低頻諧波含量，但其依賴于系統模型，對系統參數變化較為敏感。

針對傳統FCS-MPC具有開關頻率可變、電流紋波大、計算量大等特點，文獻[16]提出了一種基于成本函數調制（cost function-based modulation，CFM）的模型預測控制（CFM-MPC）策略。根據無差拍控制原理，給出系統數學模型和電壓矢量，然后根據電壓矢量參考點的位置選取不同電壓矢量，通過與所選電壓矢量的代價函數值成反比來計算其開關動作時間。在不增加計算量的情況下，傳統的模型預測控制和空間矢量脈寬調制方案都有跟蹤最佳電壓矢量的優點。與文獻[14]采用傳統模型預測方法相比，該控制策略具有較低的功率脈動、固定的開關頻率和較低的總諧波失真等優點。

2.5 單周期控制策略

單周期控制（one cycle control，OCC）是一種非線性控制策略，通過控制每個開關周期內開關管的占空比d來跟蹤控制參考量，從而實現電流控制。單周期控制策略在VIENNA整流器中的應用主要分為3種[17]，分類如圖10所示。

圖10 單周期控制策略分類圖Fig.10 Classification diagram of single cycle control strategy

第1種控制策略是對三相電流分別采用單周期控制，相當于控制三路單相VIENNA電路；第2種控制策略是將三相電源的中性點與直流側電容中點相連接，把電路物理解耦成3路Boost進行并聯控制；這2種控制策略與第3種相比，開關損耗較大，實際工程中很少采用，因此下面將對第3種控制策略進行分析。

文獻[18]采用第3種控制策略，即串聯雙Boost解耦模式下的單周期控制，控制框圖如圖11所示。在開關周期開始階段，觸發器置位，根據三相電網電壓的區間劃分，將三相電流解耦成電流ip和in，再經過全波整流電路后連接到比較器，同時輸出電壓相對于參考電壓的偏移量經過誤差放大器，得到的電壓誤差信號Um和其通過積分器輸出的Uint疊加到加法器，從而輸出基準值信號Uc。每個開關周期的開始階段，開關管被觸發導通，這時電感儲存能量，經過電感的電流上升，采樣值達到基準值時，比較器進行翻轉，開關管被控制關斷，則流經電感的電流下降，從而控制電流。該控制策略在VIENNA整流器中的應用無需電流基準，實現簡單，魯棒性強，但該控制策略基于模擬方式實現，參數設計復雜，靈活性較低，應用場合受限。

圖11 串聯雙Boost解耦模式下VIENNA整流器的單周期控制原理圖Fig.11 Single cycle control principle diagram of VIENNA rectifier in series dual Boost decoupling mode

2.6 無源控制策略

無源控制（passivity-based control，PBC）是一種非線性控制策略[19]，是基于系統與外部能量進行儲存、供給、耗散的控制理論。文獻[20]采用無源控制策略，通過建立歐拉-拉格朗日（EL）模型和端口受控哈密頓（PCHD）模型，并設計PBC控制器，來實現交流側電流對期望值的跟蹤。該控制策略可實現系統全局穩定性，對參數變化及外部擾動均有較強抗干擾性，但PBC控制器的設計過程較為繁瑣，計算量大。

除以上控制策略外，還有許多其它控制策略應用于電流控制中。文獻[21]將模糊比例諧振控制策略應用到VIENNA整流器中，模糊控制器的自調整結構使得PR控制器參數可實時調整修改，從而可實現對電流的無靜差跟蹤。文獻[22]在VIENNA整流器中采用精確線性化方法，并推導VIENNA整流器基于反饋線性化理論的狀態方程。該控制策略使得電流波動小，但反饋線性化控制策略的數學模型建立過程和控制器設計過程較為復雜。文獻[23]基于數學模型和瞬時功率理論，推導出輸入有功、無功和空間矢量關系，將直接功率控制（DPC）策略用于三電平PWM整流器中。該控制策略可直接控制系統的有功、無功，并且可有效控制中點電位平衡。這些控制策略也均取得了良好控制效果，表1列出了各種電流控制策略的優缺點，以便對比。

表1 各種電流控制策略對比表Tab.1 Comparative table of current control strategies

3 直流電壓控制

在多級系統中，VIENNA整流器一般作為前級AC/DC環節，因此VIENNA整流器直流側輸出電壓的穩定性與抗干擾性是保障系統性能的基礎。VIENNA整流器電壓外環設計的關鍵是保證負載電壓udc跟蹤指定電壓u*dc，且不受負載電流變化的影響，為電流內環提供指令電流值。

3.1 基于PI控制器的電壓外環控制策略

文獻[24]采用傳統PI控制器作為電壓外環，但裝置進行啟動或者負載發生突變時，PI控制器的參數就會受到直流電壓和電流變化率的影響，因此傳統固定參數的PI控制器難以滿足動態響應要求。針對以上問題，文獻[25]對外環控制器零點和環路增益進行優化，保證系統在負載波動下保持輸出電壓穩定的特性。

3.2 滑模變結構控制策略

針對PI控制器動態響應差的問題，文獻[26-27]將滑模變結構控制應用于VIENNA整流器電壓外環的設計中，滑模控制器的設計主要包括：首先選取合適的滑動面，滿足系統動態響應要求；設計控制率，使滑動模態達到穩定。滑模變結構控制相對于其它非線性控制策略最大的特點是當系統處于滑模狀態時，原定參數變化或外部變控量改變不會對系統狀態造成影響，魯棒性較強。

3.3 基于單神經元PID控制器電壓外環控制策略

傳統PID控制器實現簡單，魯棒性好，但應對工況變化時動態性能較差，而單神經元具備自適應調整能力，將單神經元與傳統PID控制器相結合，形成的單神經元PID控制器在應對非線性問題時有很大的優勢[28]。文獻[29]采用單神經元PID控制器來控制直流側電壓，當負載受到擾動時，權系數根據模糊規則進行自適應調整，直流側電壓可迅速恢復到穩態。該控制策略使得直流側輸出電壓具有較好的穩定性，控制簡單，魯棒性強，同時可擺脫傳統神經網絡控制算法帶來的大量編碼。

4 中點電位平衡控制

中點電位平衡問題是三電平VIENNA整流器控制的一個重點，本質原因是流過直流側電容中點電流對兩均壓電容充放電時間不同，造成兩電容電壓不等，而中點電位不平衡會造成器件損壞，電流質量下降，影響VIENNA整流器系統性能，因此研究中點電位平衡控制對VIENNA整流器的工程應用有重要意義。國內外學者們做了大量的研究來抑制中點電位的不平衡，包括硬件方法和軟件方法。對于硬件方法，大多數通過增加電容容值來補償中點電流，從而達到中點電位平衡控制，在工程應用中，該方法會增加成本，靈活性較差，局限性強，實際中很少采用[30]；目前中點電位平衡控制主要采用軟件方法進行控制，包括基于SPWM零序電壓注入控制、調整正負小矢量作用時間控制、中點電位滯環平衡控制策略和中點電位平衡模型預測控制策略。

中點電位平衡控制對VIENNA整流器性能有至關重要的作用，表2列出了上述幾種采用軟件方法的中點電位平衡控制策略的優缺點，以便對比。

表2 各種中點電位平衡控制策略對比表Tab.2 Comparative table of midpoint potential balance control strategies

4.1 基于SPWM零序電壓注入控制策略

基于SPWM零序電壓注入控制策略的基本原理是通過直流側兩電容電壓差值計算出零序電壓分量，再作用到三相調制波，從而控制中點電位平衡。根據文獻[31]可知有3種不同算法得到零序電壓分量，分別為：利用PI控制器計算零序電壓分量、根據交流電流方向計算零序電壓分量和根據交流電流和直流電壓及電容值計算零序電壓分量。

第1種方法是采用PI控制器計算零序電壓分量，其原理是將兩電容電壓差值作用到PI控制器[32]，將其輸出的零序電壓分量作用到三相調制波來達到中點電位平衡控制，該控制策略動態調節能力強，但PI控制器參數是針對于系統某一狀態而設定，因此當系統運行狀態發生變化時，對于固定參數的PI控制器來說難以達到最優中點電位平衡控制效果。

第2種方法是根據交流電流方向計算零序電壓分量，如下式：

式中：Δudc為兩電容電壓差值。

第3種方法是根據交流電流值、直流母線電壓值及電容值計算零序電壓分量，如下式：

式中：C為電容量。

以上3種零序電壓分量注入法均能達到中點電位平衡控制的效果，針對于不同應用場景下的需求，選取不同的中點電位平衡控制策略。

4.2 調整正、負小矢量作用時間控制策略

4.2.1 傳統調整正、負小矢量作用時間控制策略

文獻[33-34]采用調整正、負小矢量作用時間的控制策略，根據三電平空間電壓矢量分布可知，正、負小矢量對中點電位影響相反，忽略中矢量對中點電位的影響，引入調整系數重新分配正、負小矢量作用時間，從而達到中點電位平衡控制。該控制策略有較強的中點電位平衡控制能力，但根據中點電位偏移情況來頻繁調整正、負小矢量分別作用時間，這使得直流電壓諧波含量變大，并且當調制度較大時，中矢量對中點電位的影響不容忽視。

4.2.2 調整正、負虛擬小矢量作用時間控制策略

針對傳統調整正、負小矢量作用時間控制策略無法完全調節至中點電位平衡的問題，文獻[35]采用一種基于空間虛擬矢量調制的控制策略，通過調整正、負虛擬小矢量作用時間來調節中點電位偏差，理論上能完全達到中點電位平衡，但該控制策略存在開關損耗大的問題。

4.3 中點電位滯環平衡控制策略

文獻[36]采用中點電位滯環平衡控制策略，其原理是在中點電位設定一個滯環寬度，當中點電位偏差超越該寬度時，根據中點電位偏離方向來相應選擇使趨于平衡點的小矢量作用，從而達到中點電位平衡控制的目的。該控制策略實現簡單，魯棒性強，但VIENNA整流器運行在低功率因數時，中點電位平衡控制效果較差，且存在控制盲區。針對此問題，該文獻又提出一種將準確補償控制與滯環控制相結合的控制策略，中點電位平衡控制效果較好。

4.4 中點電位平衡模型預測控制策略

文獻[37]將一種基于離散空間矢量調制的中點電位平衡模型預測控制策略用于VIENNA整流器中，在可行的預測電壓矢量中加入虛擬電壓矢量，可選擇更多冗余的小矢量來平衡輸出電壓，與常規FCS-MPC平衡法計算預測電壓的方法相比，該控制策略計算量少，實現簡單，具有良好的輸出中點電位平衡和輸入電流性能。文獻[38]將基于離散空間矢量調制的模型預測控制方法用于連接風力發電系統永磁同步發電機（PMSG）的VIENNA整流電路中。中點電壓通過VIENNA整流器中點電壓模型計算得到的偏置電壓作為平衡控制，可實現低電流紋波和快速動態響應的高性能，為VIENNA整流器在永磁同步電動機中的應用提供了指導作用。

5 結論

本文對現有的VIENNA整流器控制策略進行了全面介紹與總結，根據VIENNA整流器應用現狀及場景需求可從以下方面進行深入研究：

1）實際工程應用中，電網中負荷分布不均衡會導致電網電壓不平衡，從而造成VIENNA整流器交流側電流不平衡，則電流幅值較大的一相會出現過流損壞；另外負序電流的存在會導致直流電壓出現二倍工頻波動，對后續充電系統產生不良影響。基于理想電網的控制策略，無法解決上述問題，因此亟需研究電網電壓不平衡情況下的控制策略。

2）基于寬禁帶材料的碳化硅（SiC）等新器件具有導通壓降小、耐高溫高壓、開關頻率高等優點，目前英飛凌工業半導體公司將1 200 V第5代SiC肖特基二極管代替傳統硅材料應用于VIENNA整流器中，設計方案效率高達98%。因此VIENNA整流器可通過SiC等新型器件來滿足高壓大功率場合應用需求。