ａ叶技２０１３年第２６卷第１期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｊａｎ．１５．２０１３ Ｖｉｅｎｎａ整流器单周控制技术研究 李少林，刘 宏，李志斌 （桂林电子科技大学研究生学院，广西桂林摘要５４１００４） 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 ＴＭ９１１ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１３）０１—１１５—０３ 中图分类号Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ＶＩＥＮＮＡ Ｒｅｃｔｉｉｅｒ ｗｉｆｔｈ Ｏｎｅ Ｃｙｃｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＩ Ｓｈａｏｌｉｎ，ＬＩＵ Ｈｏｎｇ，ＬＩ Ｚｈｉｂｉｎ （Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｔｈｒｅｅ ｓｗｉｔｃｈ ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ（Ｖｉｅｎｎａ）ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｏｎｅ—ｃｙｃｌｅ ｃｏｎ－ ｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｅｒ ｉｎｎｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ， ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｉｅｎｎａ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ Ｖｉｅｎ— ｎａ ｒｅｃｔｉｉｅｒ ｓｉｆｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ８ ｋＷ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ＰＦＣ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｅ－ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａ— ｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ａ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ３％ａｎｄ ａ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｕｐ ｔｏ ９９％． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｖｉｅｎｎａ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｏｎｅ ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＲＳ ｆｌｉｐ—ｆｌｏｐ；ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ 。 二极管整流器在电力电子行业中得到了广泛应 器控制结构，并通过采用电压外环和电流内环的双闭 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１３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 Ｊ。 Ｖｉｅｎｎａ整流器是由Ｋｏｌａｒ教授于１９９４年提出的一 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 为等值平波电感，ｃ 、ｃ 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（Ｊｓ ，ｓ 和Ｓ ）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 。 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问，无输出电压桥臂直 通问题等特点 Ｊ。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Ｖｉ— ｅｎｎａ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 其运行原理如下：以桥臂１为例，当开关 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Ｓ 关断时，整流器的输人端电压为＋ ／２或 一Ｉ，ｄｃ／／２，电压极性由０相电流的极性决定。因此，桥 臂１有３个开关状态“１”“０”“一１”，整流器的输入 收稿日期：２０１２．０７—１２ 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 ｒ｜， 作者简介：李少林（１９６４一），男，副教授，硕士生导师。研 究方向：电力电子技术，电能变换技术，真空电子束装备高电 压及控制技术。Ｅ．ｍａｉｌ：ａ３７６２２６７６１＠１６３．ｔｏｍ ——Ｅ＝Ｌ ＋ 彻＋￡， （１） ｔ，ＮＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．０ｒｇ 李少林，等：Ｖｉｅｎｎａ整流器单周控制技术研究 式中，Ｅ为输人电压Ｅ＝［ｕ ｕ ｕ ］ ；Ｊ为电感电流向量 Ｉ＝［ｉ。 ｉ ］ ； 输入升压电感 ０， 导通 ＵＸＭ＝ 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 为电容中点到电网中性点电压向量； 为整流桥臂电压向量；ＵｘＭ＝ｌ Ａ Ｍ删ＵｃＣＭ ； 为 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 一告 ， 关断且 ＞０ （２） 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 吉 ， 关断且 ＞０ 化，ＰＦＣ得以实现。当负载突卸时输出电压 上升， 一个输入 一ＶｍｄＴ，／（Ｒｉ Ｃ。 ），其中取Ｒｉ Ｃｉ ＝ｒｓ。 电容中点流过电流等于３个开关管电流之和，即 ，Ｍ＝ｉａｓ。＋ｉｂｓ６＋ｉｔｓ （３） ＰＩ调节器输出 下降。 图２ Ｖｉｅｎｎａ整流器单周控制（Ａ相）示意图 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Ｐ。：８ ｋＷ；相电压有效值Ｕ ＝２２０ Ｖ；直流母线 电压 ｄｃ为＋５００ Ｖ和一５００ Ｖ；输入滤波电感Ｌ ＝ （ｂ） ２．２ ｍＨ；直流母线电容Ｃ ＝Ｃ２＝１ ２００ 。控制原理 如图３所示。 图１ Ｖｉｅｎｎａ整流器结构图 通过仿真实验，对Ａ相输入电压电流进行检测，其 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和Ｓｌｏｂｏｄａｎ Ｃｕｋ提出。其基本 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 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 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Ｖｉｅｎｎａ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。 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 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Ｈ “］。 ， （１一ｄ。）＝ 。ｌ ｉ。｝ ｛ （１一ｄ ）＝Ｒ ｛ｉ ｌ 【 （１一ｄ ）＝Ｒ ｌ ｉ ｌ １１６——ｗｗｗ（４） ．ｄｉａｎｚｉｋ叫ｉ．ｏｒｏ 李少林，等：Ｖｉｅｎｎａ整流器单周控制技术研究 图３ 系统控制示意图 ４ ［３］ 刘秀种，张化光，褚恩辉．三相电压型ＰＷＭ整流器功率 言 控制方法［Ｊ］．电机与控制学报，２００９，１３（１）：４７—５１． ２ ［４］ 孟祥萍，冯国杰，魏本艳．基于瞬时无功理论及数字锁相 －４ 环路的动态电压恢复器控制策略研究［Ｊ］．电测与仪表， ／、） ２０１０，４７（１０）：４６—４９． ［５］ 姬凯．三电平ＰＷＭ整流控制策略实时半实物仿真研究 蚕［Ｄ］．武汉：中国舰船研究院武汉船用电力推进装置研究 所．２００９． 一 一 ａ ７５ Ｏ．８０ Ｏ＿８５ ０．９０ ０．９５ ［６］ ＢＹ０ＵＮＧ Ｋ Ｌ．ＭＥＨＲＤＡＤ Ｅ．Ａ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｓｉｍｕ． ／Ａ／Ａ １ａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ——ｐｈａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ——ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｎｃｅｐｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＩＥ，２００１，４８ 图４不可控仿真Ａ相输入电压电流波形 （２）：８９—９５． ４００ ［７］ ＨＡＤＩ Ｋ．Ｓｍａｌｌ—ｓｉｇｎａｌ ａｖｅｒａｇｅｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ 幽之２００ ａ ｈｉｇｈ—－ｐｏｗｅｒ——ｆａｃｔｏｒ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅｌｅｖｅｌ ｆｉｘｅｄ—．ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ０ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ『Ｃ］．ＩＮ— ＂￣－２００ ＴＥＬＥＣ．Ｔｈｅ ２５ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００３：３０２—３ｏ９． —４００ Ｏ．８２ Ｏ＿８６ ０．９０ Ｏ．９４ Ｏ．９８ ［８］ ＱＩＡＯ Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ，ＳＭＥＤＬＥＹ Ｋ Ｍ．Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｕｎｉｔｙ— Ｕ ｝ ｐｏｗｅｒ—ｆａｃｔｏｒ ｓｔａｒ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｗｉｔｃｈ（Ｖｉｅｎｎａ）ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｗｉｔｈ ｕｎｉｉｆｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ『Ｊ］． 谴 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００３，ｌ８（４）：９５２—９５７． 一Ｔ ｌ ［９］ ＱＩＡＯ Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ，ＳＭＥＤＬＥＹ Ｋ Ｍ．Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｕｎｉｔｙ— —０．８２ ０Ｉ８６ ０．９０ ０．９４ ０．９８ ｐｏｗｅｒ—－ｆａｃｔｏｒ Ｖｉｅｎｎａ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｗｉｔｈ ｕｎｉｉｆｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ．．ｆｒｅｑｕｅｎ． ＩＪＡ ｃｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］．ＩＥＥＥ ＣＩＥＰ，２０００（１０）：１２５—１３０． 图５ 单周控制ｖｉｅｎｎａ整流器Ａ相输入电压电流波形 ［１Ｏ］ ＺＨ０Ｕ Ｌｕｏｗｅｉ．ＳＭＥＤＬＥＹ Ｋ Ｍ．Ｕｎｉｉｆｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒｓ ｌ Ｃ １．Ｎｅｗ Ｏｄｅａｎｓ． 参考文献 ＵＳＡ：ＡＰＥＣ．２０００． ［１１］ ＣＯＲＺＩＮＥ Ｋ Ａ，ＢＡＫＥＲ Ｅ Ｊ Ｒ，ＹＵＥＮ Ｊ．Ｒｅｄｕｃｅｄ ｐａｒｔｓ— ［１］王兆安，刘进军．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 ｃｏｕｎｔ ｍｕｌｔｉ一１ｅｖｅｌ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒｓ ｆ Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 社，２００９． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００１（６）：５８９—５９６． ［２］ 赵慧杰，钱照明，李俊．载波ＰＷＭ方法三电平逆变器中点 ［１２］ ＳＭＥＤＬＥＹ Ｋ Ｍ．Ｏｎｅ—ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ 电位控制研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（１）：２８—３１． ［ｃ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ ＰＥ，１９９５，１０（１１）：６２５—６３３． ｗ ｗ ｗ．ｄｉａｎｚｉｋｅＪｉ．ｏｒｇ １１７