Vienna整流器電流畸變補償策略研究

張小海 王珊珊 阮宜菁

摘 要：Vienna整流器存在電流過零點畸變問題，鑒于此，分析了其產生電流畸變的原因，提出可以在畸變區域更換參考矢量合成路徑，并且計算出畸變區域的偏差角，最后采用零序分量注入法解決電流畸變問題，并基于實驗驗證了控制方法的可行性和有效性。

關鍵詞：Vienna整流器;電流畸變;零序分量注入;空間矢量脈沖寬度調制

中圖分類號：TM461? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0072-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.020

0? ? 引言

Vienna整流器具有諧波特性好、電壓應力小、無開關死區問題等優點[1-2]，比較適用于能量單向流動的大功率場合，因此廣泛應用于通信電源、電動汽車充電樁等領域[3-4]。

Vienna整流器中存在電流過零點畸變問題[5]，會增加并網電流諧波含量，從而造成額外的電磁干擾問題。文獻[6]提出了兩種改進的SVPWM策略，通過分析abc坐標系下電流和參考矢量的分布，從而對畸變區域內的矢量進行控制;文獻[7]轉換到dq坐標系下，將電流畸變轉換為擾動量，并且提出了兩種消除誤差的閉環控制方法;文獻[8]提出了一種變區間過零鉗位調制方法，在SVPWM空間矢量圖每次電流過零前后都進行鉗位。但上述方法均存在實現較為復雜的問題。

為解決Vienna整流器中的電流過零點畸變問題，本文提出采用零序分量注入的補償策略。首先分析了電流畸變的產生原因，然后在畸變區域注入合適的零序分量對并網電流波形進行補償，最后通過實驗驗證了該方法能夠較好地抑制電流畸變。

1? ? Vienna整流器電流畸變問題分析

Vienna整流器拓撲如圖1所示，其中Sa、Sb、Sc為雙向開關，ea、eb、ec為電網電壓，ia、ib、ic為并網電流，Uc1、Uc2分別為電容電壓。三相電網分別連接3個雙向開關管并引至直流側中點處，通過控制雙向開關管的通斷來調節電流大小。

Vienna整流器在運行時會出現電流畸變問題，這是拓撲中二極管的強制換流特性導致的，由于電感上的電壓降，參考矢量和實際電網矢量之間會出現偏差角，而開關管只能起到導通和斷開的作用，即開關管只能保證基本矢量組合中0和非0的存在，至于非0的狀態到底是1（i>0）還是-1（i<0）都是由該相的電流流向決定的，是無法控制的，這將導致在電流過零換向時矢量合成錯誤，從而引起電流畸變問題。

由于Vienna整流器一般工作在單位功率因數狀態，因此以單位功率運行工況進行分析，其矢量圖如圖2所示。

由矢量圖可以發現，在單位功率運行時，電流is和參考矢量vref之間會存在偏差角，令該偏角差為θ，同樣θ也為參考矢量與電網電壓的偏差角。

通過三電平空間矢量圖進行分析，當中矢量處于電流換向交界處，在一個周期內三相電流將經過6次換向。如圖3所示，以第一扇區為例，當電流矢量is經過中矢量10-1后，b相電流由原先的ib<0變為ib>0，而此時vref所處的三角形區域內的基本矢量為0-1-1、00-1、10-1、100，合成路徑為七段式的0-1-1→00-1→10-1→100→10-1→00-1→0-1-1，那么b相電流變化之后將無法正確輸出0-1-1，轉而替代它的是01-1，因此合成出現錯誤，電流畸變就產生了，一個周期內就會產生6次電流畸變。

2? ? Vienna整流器電流畸變抑制方法

基于上述分析可以得知，只需要在第一扇區畸變的區域重新設置基本矢量，也就是說，在b相電流過零發生換向時保持它一直導通，即可避免參考矢量合成錯誤。因此，可以在紅色畸變區域選擇采用五段式SVPWM，路徑為000→100→10-1→100→000，可以發現，b相開關狀態在此路徑中始終為0，意味著開關一直導通，那么在剩余5個扇區中，每次電流換相時都可以使用這樣的五段式SVPWM來避免電流畸變。因此，本文提出采用零序分量注入的方法來抑制電流畸變，整體控制框圖如圖4所示。其中，Vabc為傳統控制產生的三相調制波[9]，Va′、Vb′、Vc′為經過注入零序分量V0后的三相調制波。

因此，首先需要計算畸變區域內的偏角差θ，如圖5所示。

其中L是輸入電感，r為輸入電感的內阻，則θ角計算如下：

=ik∠0°（1）

代入阻抗表達式化簡：

vk，ref∠θ=（ek-r·ik）-jωL·ik（2）

繼續求解可得：

θ=tan-1

（3）

而內阻r通常可忽略不計，因此可以簡寫為：

θ=tan-1

（4）

同時，為了避免三電平SVPWM的復雜性，將五段式SVPWM等效為零序分量注入，所需注入的值與范圍如表1所示。

3? ? 實驗驗證

根據上述電流畸變抑制方法，搭建了Vienna整流器電路，并針對該控制方法進行實驗驗證，實驗電路參數如表2所示。

圖6和圖7分別為不注入零序分量和注入零序分量下Vienna整流器并網電流波形及THD分析。

從圖6和圖7的對比中可以發現，在未加入V0時電流會在過零點處畸變，并網電流THD為3.12%，電流中存在較大的低次諧波;加入V0后電流明顯改善，并網電流THD降為1.31%，低次諧波電流得到了較好抑制。對比實驗驗證了控制方法的有效性。

4? ? 結語

本文針對Vienna整流器的電流過零畸變問題展開研究，提出采用一種零序分量注入的補償策略，根據不同的畸變區域選擇不同的注入零序分量。實驗結果表明，該方法能夠很好地解決電流過零點畸變問題，且實現簡單，易于工程化應用。

[參考文獻]

[1] 馬輝，危偉，鄢圣陽，等.三相Vienna整流器無差拍預測直接功率控制策略研究[J].電機與控制學報，2020，24（1）：95-103.

[2] 劉森森，李賓，杭麗君，等.一種新型電網三相不平衡時VIENNA整流器的控制方法[J].中國電機工程學報，2012，32（21）：54-62.

[3] LEE J S，LEE K B，BLAABJERG F.Predictive control with discrete space-vector modulation of vienna rectifier for driving PMSG of wind turbine systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34（12）：12368-12383.

[4] LEE J S，LEE K B.Predictive control of vienna rectifiers for PMSG systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64（4）：2580-2591.

[5] LEE J S，LEE K B.A novel carrier-based PWM method for vienna rectifier with a variable power factor[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63（1）：3-12.

[6] XU H J，YAO W X，SHAO S.Improved SVPWM schemes for vienna rectifiers without current distortion[C]//2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE），2017：3410-3414.

[7] MIAO Z Y，TONG H，JIN X G，et al.DQ-Frame zero-

crossing effect modeling and current distortion compensation method for vienna rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2020，35（7）：7612-7623.

[8] 朱文杰.三相三電平VIENNA整流器的控制策略研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[9] 丁文龍.低成本充電系統高性能多端口Vienna整流器關鍵控制策略研究[D].濟南：山東大學，2019.

收稿日期：2022-02-14

作者簡介：張小海（1981—），男，浙江臺州人，博士，工程師，研究方向：艦船機電工程。