带双负载运行的VIENNA整流器中点电压平衡控制

农业装备与车辆工程

AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING

2019年4月April 2019

doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.04.015

带双负载运行的VIENNA整流器中点电压平衡控制

武汉林1, 朱强2

（1. 200093 上海市 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院；2. 200031 上海市 上海电动工具研究所（集团）有限公司）

[摘要]针对VIENNA整流器结构固有的中点电压波动问题，可以通过双负载结构中调整负载的大小来观察。文章分析了三相VIENNA整流器的工作原理，采用一种电压电流双环结构，空间矢量调制(SVPWM)方式控制运行。针对三电平结构固有中点电压波动问题，通过调节正负小矢量的作用时间，能够达到双负载在大小不同的情况下，直流电压稳定，中点电压平衡的效果，最后使用MATLAB/Simulink仿真证明了此方案的可行性。

[关键词] VIENNA整流器；中点电压平衡；双负载；空间矢量调制

[中图分类号] TM 46 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)04-0055-04

Neutral-point Voltage Balancing Control of a Double-Load VIENNA Rectifier

Wu Hanlin1, Zhu Qiang2

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;

2. Shanghai Electric Tool Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200031, China )

[Abstract] Neutral-point voltage fluctuation is a problem of VIENNA rectifier structure, which can be observed by adjusting the size of the load in the double-load structure. In this paper, the principle of three-phase VIENNA rectifier is analyzed, a voltage and current double-loop structure and Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) are used to control the operation. In views of neutral-point voltage fluctuation of three-level structure, stable DC voltage and balanced neutral-point voltage can be achieved by adjusting the time of positive and negative small vectors. Finally, the method proposed in this paper is verified in MATLAB/Simulink.

[Key words] VIENNA rectifier; neutral-point voltage balance; double-load structure; space vector pulse width modulation (SVPWM)

0 引言

电力电子技术是现代电工工作中所运用到的最广泛的技术，在电力系统中也得到了广泛的运用。电力电子通过运用“变流”的方式来改变电能质量，从而能够很好地满足人们的需求。但是，如果电力电子不加控制地扩大运用，将会带来副作用，造成电网的“污染”，例如总功率因数低，网侧电流含有大量谐波等[1]。

1994年Johann W Kolar教授提出了三相六开关VIENNA整流器的设计理念。相比于传统的2电平整流器而言，由于电平增加降低了功率开关器件的应力，每个器件所承受的电压仅为直流侧电压的一半，输入电流THD低。而与四象限三电平整流器相比较，VIENNA整流器所需要的功率器件少，结构较为简单，成本降低。

国内外大多数学者都是从控制策略着手，研究对象是以单负载在运行，而在现实工程中需要以双负载的形式工作，例如，电路多重化输入，

收稿日期: 2018-03-31 修回日期: 2018-04-11

但固有的中点点位不平衡一直是需要研究的问题。本文将采用双环控制策略，SVPWM矢量算法，针对中点电位不平衡，实现VIENNA整流器在带双负载运行下，不仅能够实现较好的稳压效果和较好的输入电流，还能在负载大小变化的情况下达到中点电压的平衡的目的。

1 VIENNA整流器的拓扑及数学建模

VIENNA整流器电路拓扑中（见图1），ea、eb、ec为电网侧的三相交流电源；L为升压电感，可以用于抑制网侧电流的高次谐波，其次电桥和电网电平能够得到平衡；R为升压电感等效阻值； ia、ib、ic为三相输入电流；VD1、VD2、VD3 分别为整流器a、b、c相正向续流二极管，VD4、VD5、VD6 分别为三相负向续流二极管，Sa、Sb、Sc 表示3个双向开关管（由两个IGBT反向串联）的工作状态，0为断开，1为闭合；ip、in分别为输出直流母线正负相电流；C1、C2分别为直流侧的滤波电容；R1、R2为双负载。

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农业装备与车辆工程 2019年

eaL RiVa

D1 VD2 VD3Sip

aea

CUdc11R1M

bL Rib

SbeO

L Ri

b

cc

VcSc

C2D4 VD5 VD6in

UR2dc2图 1 带双负载的VIENNA整流拓扑图

Fig.1 Main circuit structure of double-load VIENNA rectifier

由图1可得Z]VIENNA交流测电压平衡方程为

]]]dia]L]]dt=ea-iaR-UaO-UOM[]]Ldditb=eb-ibR-UbO-UOM (1)]]]]]Ldditc=ec-icR-UcO-UOM式中：UaO、UbO\\

、UcO——VIENNA整流器的输入相电压；UOM——电容中性点与电网中性点之间的电压。

可以推断出开关管所在相的电流方向决定了所能实现的点位，因此可定义复合开关函数为

Z]]]][Sn1=1]2]6sgn]ing+1@]1-Sng (2)]]Sn2=126sgn]ing-1式中：S@]1-Sn\\

gn（n=a，b，c）——功率开关管的关断状态（1为导通，0为关断）。

从而可以推断出在三相对称电源电压下整流器在三相Z]abc坐标系下的数学模型为[2]

]]]]Lddita+Ria+]Sa1Udc1+Sa2Udc2]]]g-UMO=ea]]]Ldditb+Rib+]Sb1Udc1+Sb2Udc2]]g-UMO=eb[]]]Ld]ditc+Ric+]]Sc1Udc1+Sc2Udc2g-UMO=ec (3)]]]]CdU]dtdc1+URdc11-Sa1ia-Sb1ib-Sc1ic=0]]]CdUdtdc2+URdc22-Sa2ia-Sb2ib-Sc2ic=0式中：\\

UMO——电源中性点M和电容中性点O之间的电压。

经过Z]dq变换可得dq坐标系下的数学模型]]]]Ldditd-~Liq+Rid+Sd1Udc1+Sd2Udc2=ed]]]]]][Ldiqdt-~Lid+Riq+Sq1Udc1+Sq2Udc2=eq]]]]]2]3CdU (4)dtdc1+23URdc11-Sd1id-Sq1iq=0]]]]]23CdUdtdc2+23URdc22-Sd2id-Sq2iq=0式中：\\

id、iq——三相电网电流在dq轴的分量； Sd1、Sd2、Sq1、Sq2为控制输入。

2 SVPWM控制策略

2.1 简化两电平算法

当a相电流为正向流通，b、c相为反向流通，电路电流在开关管不同状态下的流动情况如表1。

表 1 电流随开关变化流动过程Tab.1 The flow of current with switch

SaSbSc电流流动过程

000eea→L、R→VD1→C1→C2→VD5→L、R→e001e→L、R→V→CbaD11→C2→VD6→L、R→ecea→L、R→VD1→C1→C2→VD5→L、R→ebea→L、R→VD1→C1→Sc→L、R→ec010ea→L、R→VD1→C1→Sb→L、R→eb011ea→L、R→VD1→C1→C2→VD6→L、R→ecea→L、R→VD1→C1→Sb→L、R→eb100ea→L、R→VD1→C1→Sc→L、R→ecea→L、R→Sa→C2→VD5→L、R→e101e、R→S→Vba→La→C2D6→L、R→ecea→L、R→Sa→C2→VD5→L、R→e110e→L、R→SR→ebaa→Sc→L、cea→L、R→Sa→Sb→L、R→eb1

1

1

ea→L、R→Sa→C2→VD6→L、R→ecea→L、R→Sa→Sb→L、R→eba→L、R→Sa→Sc→L、R→ecVIENNA整流器由三相不控整流和3个双向开关管合成，每个桥壁上有分别不同的3种开关状态“0”、“n”（低）、“p”（高），形成27种开关状态。因为三相电源电流对称的缘故，所以三相电流的极性不能同为正或负，因此开关总是为25种[3]。VIENNA整流器的开关状态如图2所示。

[n p n]B[0 p n][p p n][n p 0][0 p 0][n 0 n][p p 0][0 0 n][p 0 n][n p p][0 p p][n 0 0][0 0 0][p 0 0][p n n][0 n n]A[n 0 p][0 0 p][p 0 p][n n 0][0 n 0][p n 0][n n p]C[0 n p][p n p]图2 整流器开关状态Fig.2 Rectifier switch status

VIENNA整流器的结构拥有局限性，在进行电压调制时，电压与电流的极性应该相同[4]。根据电流的极性，可以把整个三电平大六边形的平

面划分为6个区间，记为 S（ ii=Ⅰ、

Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ）。同理，Su（u=1、2、3、4、5、6）表示为电压矢量在两电平小六边形平面中的小扇区。

以第Ⅰ扇区为例，当电流矢量iαβ处于第Ⅰ扇区（即Si=1），电压空间矢量可被调制的区域为图3阴影部分。

当Si=1、Su=1时，利用常用的7段式调制

第57卷第4期

武汉林 等：带双负载运行的VIENNA整流器中点电压平衡控制

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法，选择开关顺序011-010-000-100-000-010-011，可以得出VIENNA整流器在输出端发出的PWM波，以及各矢量相应的作用时间如图4所示。由图T4可见，各种大小矢量的作用时间为a=tp+tz+tc， Tb=tp+tz，Tc=tp。

[2,100][3,001]B Ⅲ[3,100][2,000]Ⅱ[3,001][4,001][3,010] [3,101] [2,110] [2,001][2,101] [2,110][2,010][4,101] [1,110]2iαβ[1,010]Ⅳ[4,000][4,011] [4,100][3,011]3[2,011]1uαβ[5,001]4[1,100] [1,011][1,000][6,011]A Ⅰ[4,010][4,110] [1,101]5

6

[5,010][5,001][5,110] [6,101][6.010][6,110] [5,101][1,001][6,001][5,000]Ⅴ C[5,100][6,100][6,000]Ⅵ图3 电压矢量图

Fig.3 Voltage vector diagram

011 010 000 100 100 000 010 011SaSb

Sctp tz tc tn tn tc tz tp

图4 PWM输出脉冲波形

Fig.4 PWM output pulse waveform

2.2 中点电压平衡策略

中点电压不平衡是VIENNA整流器甚至是三电平结构固有的问题，直流电流分量和低频交流分量引起偶次谐波，从而增大了电容以及功率开关器件的电压应力，对于整流器安全运行有潜在危害[5]。

在SVPWM控制策略调制下，可以通过选择P、N小矢量的作用时间来达到VIENNA整流器中点电位的相对平衡（大矢量对中点电位的波动无影响，中矢量对中点电位的波动不可控）。

由于P、N小矢量成对作用且作用相反，所以采取闭环调节，增加PI控制器的方式来分配小矢量的时间，可以达到中点电位的平衡。

令中点电压波动值ΔUco=Udc1-Udc2，小矢量作用时间为tp、tn两部分，表达式为：tp=t(1-Δt），tn=t(1+Δt)，将波动值与期望值对比形成反馈Δt=KmΔUco/Uref，Uref为直流侧两电容电压差的期望值，Km为中点平衡调节系数。Km越大，中点电位的控制效果越好。但是Km越大也面临一个问题，即tp、tn不断地重新更迭导致输出电压的谐波增大，因此只能在满足较小谐波含量前提下尽可能增大Km。

3 双环控制策略

VIENNA整流器采用双环控制策略，电压外

环控制直流侧母线电压值的稳定。在控制时采样到的直流侧总电压Udc与目标电压Udc*反馈相比较，再把两者相差值经过PI调节之后才可以得到d轴目标电流的参考值[6]。内环电流 Id、Iq分别与给定电流Id*、0作比较，通过用2个PI调节器实现网侧电流跟随电压实现正弦化，但是在dq坐标系下的分量相互耦合，调整其中一个分量会影响另一个分量的变化。因此，引入解耦控制，最终得到dq坐标系的电压指令[7]。图5为系统控制框图。

ePLL0

aebecabcdqiq*=0PIeqiaiidωLbiabccdquidc*qiωLSd*abcudcPIPIVIENNAUSVPWMVαak1Uak2udc1uVαβdqVdedβVqdc2图5 系统控制框图

Fig.5 System control block diagram

4 仿真研究

用MATLAB/Simulink软件对系统进行仿真，参数设置如表2所示。

表2 仿真参数

Tab.2 Simulation parameters参数数值参数数值输出电压Udc /V400输入电感L /mH3.5输出侧电容C1C2 /μF1 000输入电阻R/Ω0.1进线电压有效值VAB /V110/2

输出平衡负载R1R2 /Ω40输入电压频率 f/Hz50输出不平衡负载R1/Ω80开关频率fs /kHz

10

输出不平衡负载R2 /Ω

40

4.1 不加中点平衡且带平衡负载运行

采用平衡电阻，R1，

R2均为40 Ω。由图6可见，a相电流呈正弦波，能跟随电网电压，而直流侧2个电容电压Udc1和Udc2都为200 V，是直流总电压Udc的一半，并且未出现中点波动的状况。由图 7输入电流的eTHD分析，基波电流峰值为

A

iA

图6 输入电压电流和输出电压波形Fig.6 Waveform of input voltage, input current and output voltage

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农业装备与车辆工程 2019年

12.77 A，THD为1.52%，电流质量较好[8]。

Fundamental(50 Hz)=13.03, THD=1.52%0.90.80.70.60.50.40.30.20.100 5 10 15 20 25 30 35 40图7 输入电流FFT分析Fig.7 Input current FFT analysis

4.2 不加中点平衡且带不平衡负载运行

当采用不平衡负载R1为80 Ω，

R2为40 Ω时，理论上根据分压原则可得， Udc1为266.6 V， Udc2为U133.4 V。从图8可知，实际上Udc1为257.5 V， dc2为 142.5 V，中点电压并不处于平衡状态，并且输入电流的波形谐波很大。根据图9中a相输入电流的FFT分析能够得出来结果，THD为22.92%，远大于e5%，并不能顺利接入网侧。

AiA

图8 输入电压电流和输出电压波形Fig.8 Waveform of input voltage, input current and output voltage

Fundamental(50 Hz)=8,883, THD=22.92%%/比20分15百波10基5与00 5 10 15 20 25 30 35 40图9 输入电流FFT分析Fig.9 Input current FFT analysis

4.3 加中点平衡且带不平衡负载运行

为了将得到的电流更好地接入电网，采取中点电压平衡的策略。由图e10可知，a相输入电流

A

iA

图10 输入电压电流和输出电压波形Fig.10 Waveform of input voltage, input current and output voltage

是正弦波，能够很好地跟随电网电压，电容测电容电压Udc1和Udc2相等均为200 V，是输出电压的一半，并且中点电压处于平衡状态。相比于图9，图11所示，THD大大减小，减少至2.30% 。因此中点电压平衡策略在带双负载运行的VIENNA整流器上得到了良好的验证。

Fundamental(50 Hz)=9.774, THD=2.30%0.6%/0.5比分0.4百0.3波基0.2与0.100 5 10 15 20 25 30 35 40图11 输入电流FFT分析Fig.11 Input current FFT analysis

5 结论

本文分析了带双负载运行的VIENNA整流器的工作原理，能够通过SVPWM的方法很好地抑制住中点间电压的波动，正、负时间小矢量的改变可以调节不平衡电压，最后仿真实验的结果证明此平衡策略的有效性。实验证明，当VIENNA整流器接不同负载时，所加入中点电压平衡策略能够有效平衡两电容侧电压，且抑制了输入电流的谐波。

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制的Vienna整流器中点电压均衡控制[J].电源学报,2017,15(5):80-86,107.作者简介 武汉林，男，硕士研究生，研究方向：三电平整流技术。E-mail：460701934@qq.com

朱强，男，高级工程师，研究方向:电力电子。