Vienna整流器单周控制技术研究

摘要 通过分析三相三开关三电平(Vienna)整流器的工作原理，研究了该整流器的单周控制策略，并采用电压外环和电流内环的双闭环控制，实现了Vienna整流器的可靠稳定、低谐波畸变特性。基于Matlab仿真平台，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真结果表明，基于单周控制方法的8 kW三相PFC整流器，控制结构简单，系统可靠稳定，谐波畸变率<3％，功率因数可达99％。
关键词 Vienna整流；单周控制；RS触发器；功率因数

    二极管整流器在电力电子行业中得到了广泛应用，但由于其存在功率因数低并向电网注入了较高的电流谐波等因素，对电网污染严重，难以满足(GB／T14549—93、IEC61000—3—2)等相关标准的要求。随着对用电设备谐波污染问题的日益重视，以及三相大功率装置在电网中的应用越来越广泛，三相大功率因数校正技术已经成为国际国内电力电子及研究领域的热点问题。
    Vienna整流器是由Kolar教授于1994年提出的一个优秀的三电平PWM整流器拓扑，其具有所需的开关器件少，单个功率器件所承受的最大电压为输出电压的一半，无需设置驱动死区时间，无输出电压桥臂直通问题等特点。因而引起国内外学者对其拓扑结构及控制策略和方法的广泛关注。文中通过分析Vienna整流器的基本工作原理，并针对三相大功率PFC的特点，以及直流母线中点电位平衡的控制、解决了三电平中点平衡问题的需要。设计了单周控制技术整流器控制结构，并通过采用电压外环和电流内环的双闭环控制，进一步提高了动态和稳态性能。最后搭建仿真模型，对单周控制的Vienna整流器进行了仿真研究与分析。

1 WIENNA整流器工作原理
    Vienna整流器结构如图1所示，其中交流侧的Li为等值平波电感，C1、C2为输出滤波电容，为高次谐波电流提供低阻抗通路，减少直流电压纹波。三相中每相都由全控开关管(Sa，Sb和Sc)和4个二级管组成双向开关管。通过控制3个双向开关管完成输入电流和母线电压的调节、以及母线侧两个电容的电压平衡。

    其运行原理如下：以桥臂1为例，当开关Sa开通时，整流器的输入端电压被钳位于直流母线中点；当开关Sa关断时，整流器的输入端电压为+Vdc／2或-Vdc／2，电压极性由a相电流的极性决定。因此，桥臂1有3个开关状态“1”“0”“-1”，整流器的输入端被分别钳位于直流母线的正极、中点和负极。其电路方程为
   
    式中，E为输入电压E=[ua ub uc]T；I为电感电流向量I=[ia ib ic]T；UMD为电容中点到电网电性点电压向量；UXM为整流桥臂电压向量；UXM=[uAM uBM uCM]T；L为输入升压电感
   

2 WIENNA整流器单周控制技术的实现
    单周控制法作为一种非线性控制法，最早由美国学者Keyue M．Smedley利Slobodan Cuk提出。其基本思想是在每个开关周期内控制开关管的占空比d，使开关变量的稳态平均值或瞬态平均值等于参考量或与参考量成比例，从而消除稳态和瞬态误差。单周控制开关频率恒定，电路结构简单，响应速度快。
    Vienna整流器的单周期核心控制函数如式(4)所示，其中电流的绝对值可以通过使用3个全波整流电路来实现。控制规则就是Vm与各相占空比的表达式的乘积与采样电阻上的电压的绝对值进行比较，通过比较的结果改变占空比大小，进而对主电路进行控制。
   
    Vienna整流器的单周期控制框图如图2所示，由控制框图可以看出，单周期控制的电路简单，比较容易实现。其闭环工作过程为：每个开关周期开始时，由时钟信号给3个触发器置位，各相电流采样信号通过全波整流电路接至各自比较器的输入端，3个比较器另一个输入Vm-VmdTs／(RintCint)，其中取RintCint=Ts。当比较器翻转时，将其对应的触发器复位，对应的开关管关断。当三相输入呈纯阻性阻抗时，输入电流正弦化，PFC得以实现。当负载突卸时输出电压Uo上升，PI调节器输出Vm下降。

3 仿真分析
    为证明Vienna整流器控制方法的可行性，搭建了该整流器单周控制的仿真模型。其实验参数为：输出功率Po=8 kW；相电压有效值Urms= 220V；直流母线电压Udc为+500 V和-500 V；输入滤波电感Ls=2．2 mH；直流母线电容C1=C2=1 200μF。控制原理如图3所示。

    通过仿真实验，对A相输入电压电流进行检测，其仿真结果如图5所示。传统不可控整流器输入电流受滤波电容影响，已经产生严重畸变，系统功率因数低至70％以下，结果如图4所示。

    从仿真结果中可以清晰地看出，单周控制下的Vienna整流器输入电流能良好地跟随输入电压正弦化，输入电流连续且稳定。系统谐波畸变率<3％，功率因数可达99％。

4 结束语
    文中分析了Vienna整流器拓扑的基本工作原理和该结构的单周控制的实现方法，并采用电压外环和电流内环的双闭环控制，实现了Vien na整流器的可靠稳定，低谐波畸变率的特性。通过Matlab仿真平台，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真结果表明，采用单周控制方式对Vienna整流器进行控制，具有良好的动态性能和稳态性能，控制结构简单，实现了单位功率因数运行的目标。