控制与应用技术I EMCA
三相
VIENNA整流器矢量控制策略的研究
陈达，张羽，陈息坤
(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)
摘要：针对三电平V到电压定向电流解耦的 建
IENNA整流器存在中点电位波动、控制复杂的问题，将直流侧中点电压偏差引人 控制中， 整 作 达到直流侧中点电压平衡控制，并探究了一种
平面的简化空间矢量脉宽调制算法。最后通过MATLAB/Srniulmk搭型，
三电平空间矢量平面简化到两电平
VIENNA整流器
能。关键词：
控制
了控制
简单可行，且具有良好的动态性能和
VIENNA整流器；空间矢量脉宽调制；中点电位平衡控制
文献标志码：A
文章编号：1673-6540
中图分类号：TM 301.2 (2018)02-0007-06
R
esearch
on V
ectorControlStrategyofThreeThreeLevelVIENNARectifier
#
Phae
s
CHEN DaZHANG YuCHEN Xikun
， ， (School of Mechanical Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China)
control and the DC-link midpoint voltage balance control was achieved by adapting vector action time. Based on the
platform of MATLAB/Simulink VIENNA rectifier vector control simulation was built. The simulation results proved that the control strategy was simple and feasible，and it had good dynamic performance and static performance.
Abstract: In order to solve the problems of midpoint voltage fluctuation，the complicated control problem of thetraditional tliree level VIENNA rectifier，the DC-link midpoint voltage error was introduced to the dual closed-loop
Key words: VIENNA rectifier; space vector pulse width modulation; midpoint potential balance control
器
，该整流器
电压下，
0引言
电力电子技术的发展，高压大功率变流
电平 ，在
的电压应力仅为两
电压的跳变，。 对
器已经 种 ，其侧的整流
性能直 了变流器的整体控制。传的控整流器( 整流器) 控整流器(整流器)在控制
中存在深控
侧功率因
、交流侧输人电流严重畸变等缺点， 电压 了大 波 [1_3]。三 VIENNA整流 器是一种
的三电平电
。与两电平整流
电平整流器的一半； 了
电流谐波畸变率（THD)
传统的三电平整流器，该整流器所需要的开关管 大大， 桥臂之 存在输出电压直现象，无需设置 驱动死区。基上述优点，VIENNA整流器的 结构及控制策略引起了国内外学者的大
注。
在所有的整流器控制策略中，电网电压定向
#基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）（2011
装备项目（-
AA11A247);上海市科委重点项目（14DZ1206300);上海市经信委重大技术
ZBZBYZ-02-14-0825)
作者简介：陈达（1993—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电气传动。
张羽（1994一），女，硕士研究生，研究方向为高压电源。
陈息坤（1962—），男，博士，副教授，研究方向为大功率电力电子变换与控制技术、新型储能及其变换控制技术、新能源 发电技术等。
7
控制与应用技术I EMCA
的直接电流控制最为常见。当三电平整流器使用 这种控制 ， 电流内 电压外环只关注于功率 电压的控制，会导致大量的3次波注入直流侧中点，引起中点电压周期性 波动，从 偶次谐波，增大了电容和功率器件力，不利系统安全稳定运行。文献[3-4]针 对VIENNA整流器， 空 脉 制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)与制波的等
系，
向制波中加入零序分
中点电位波动，但零序
等效冗余小
的计算复杂，且零序 系式冗余，容易造成零序 配错误，导致输入电流畸变及中点 电位不平衡。文献[5]针对VIENNA整流器电压 电流 控制及中点进行了 ，但采用的SVPWM 复杂，计 大。文献[6]研究了一种基于载波调制的等效空
制
，并结
滑模直接功率控制，探索了 中点电位平衡的等效空 制，但存在参数整定复杂，计算大的缺点。文献[7] 了三电平整流器与直流电机模型的相似性，将直流电机的 控制应三电平PWM整流器中，根据电压电流波动 方向 化调整冗余正负小 ，实现中点电压平衡，但 VIENNA整流器与常规三电平整流器在调制 的选择上 ，造成 在
VIENNA整流应用中 限制。
针对上面问题，本文在
VIENNA整流器工
作原理的基础上，探究了将期望电压 由三
电平矢量空间转换到两电平矢量空间进行SVPWM 制的方法，以简化VIENNA整流器
选择、作
计算等问题;并且针对三电平 固有的直流侧电容不平衡问题引入不平 节因子1,通过对调节因子的调整实现了对直流 中点电位的平衡控制， 了三电平中点平衡的问题。 ，
了 MATLAB/Simulink 型， 结：明了该控制策略的
。
1 VIENNA整流器的工作原理
VIENNA整流器的主拓扑结构如图1所示。
其3 作在Bos状 的电感、3 功率桥臂以及直流侧2个串联的 电容组成。其中
功率桥臂由2个快复 2 向串联的
全控型功率管组成。
一
8 —
違权控刹名阄2018,45 (2)
VIENNA 整流器在
的电 电压 电流 时刻，不同的 状态能 的控制
。由
三相三线制VIENNA整流器电路结构 对称，这里以A相为例进 ：当向
导通
，整流器A相输入 位在直流母线电容中点电压， 0 = 0,如图2(b)、图2(d)所示;当向
，整流器A相输入端的输入电压与输 入电流的
，当A.
入电流为正时，A相
输入端经过2a、％ap与直流母线正 如图2( a)
所示， ，A 入端电压为0a = 0/2;当A相输入电流为负时，A 入端经过2(、％an与直流
负 如图2(c)所示，此时，A. 入端电压为 0a = -0/2。
2 VIENNA整流器的SVPWM算法
2.1 VIENNA整流器的桥臂状态及电压矢量
通过以上分析可知，VIENNA整流器每相输 入电压可为0/2、〇、-0。/2， 以
如：
读机>乃；名闱2018,45 (2)
r 1 , 3a关断且-$ 0SA = { 0,
3(导
（1)
-1, 3a关断且-% 0
为了简化对VIENNA整流器分析，可以将
VIENNA整流器的拓扑结构简化为如图3所示。
r
+N 4
SA - j1
(SA +SB +SC)
0~Y
+bN 4SB - y(SA +SB +SC)
了
+ cN 4sc - y(SA +SB +SC)
由图3可知，VIE丽A整流器由3个桥臂组 成， 桥臂有3种 状态，即1，0，-1，总共有
27种状态，又为三相电流不能 为正 时为负，不存在“1 1 1”，“-1 - -1”两种状态，所以 总共存在25(27-2 = 25)种开关状态。由基尔霍 夫定律和节点电流定律可以 式（2)， 式(2) 19种 的电压 ，如图4所示。
在三电平整流器的SVPWM调制中，可以采 用将三电平转换成两电平的方 进行SVPWM
制，将电压
从复杂的三电平平面转换到传
控制与应用技术I EMCA
统的两电平平面中，从 照传 电平SVPWM的方式 区，计脉 ，产生控制脉冲。VIENNA整流器 其 结构的局限，电压和电流 ，所以需要根据电流的 将三电平大 平面转换成6小的 区 I、n、ffl、$、V、&。VIENNA整流器的电压
区图如图5所示。
图
5 VIENNA整流器的电压
区图
一时刻，电流可分为正、负种状态，三
相电流共可组合成\"种状态，又 一时刻不可能出现三相电流同时为正或为负的 ，所以可以根据电流状态将电压
为6
区。为了方
将三电平电压矢量转换 电平电压，需为
区选定一个基础电压矢量，如表1所示。
表
1
扇区及基础矢量表
扇区
电流
基础
I
->0-<0-<0(100) (0-1-1)->0->0-<0(0 0 -1)或（+ 1 +1 0)#-<0 ib>〇 -<〇(0 +1 0)或（-1 0 -1)$
-<0->0->0(0 +1 +1)或（-1 -1 0)%-<0-<0->0(0 0 +1)或（-1 -1 0)&
->0 ib<〇 ->〇
(+ 1 0 +1)或（0 -1 0)
2. 2
三电平SVPWM简化算法的实现
根据以上所提的扇区分区及基础电压矢量的 确定，以实现简化的svpwm算法。
三电平平面变换 平面控制方法如图6所示。首先根据电流
在大的
电压矢量中选择出一个小的
一个基本电压矢
， 根据这个基础电压 将该小 区
内的\" 选 转换成两电平平面内的6个
一 9 一
控制与应用技术I EMCA
等
一个零 ，将期望 根据基础
转换 电平平面。三电平 电平 平如图*所示， 传统区
计 作用
作
。
与三角波进
生
成PWM波。
图
6
三电平平面变换到两平面控制方法
在此，以参考矢量位于第一扇区为例进行分 析。参 位于其
区与 似， 述。
如图*所示，当0二位于第一扇区时，选基 础
为（1&&)，
据基础 在
坐标系中！\"轴上分量（0! X 1/3 0C，0 = 0 )，采用 式（2)将三电平平面
转换
电平平面中。
l0； ^ 0
原矢量0#需由三电平平面0〇、01(0%的3 成， 基础矢量变换后，原 基本
0#、0〇、01、0% 变成了 0”、0〇、01、
—10 —
違权控刹名阄2018,45 (2)
0%两电平平面的矢量。采用传统算法即可算出 0#'在两电平平面中由0'。、0'1、0%矢量合成的时 间，从 计
了 0#在三电平平面中由00、01、0%
成的时间，如式（3)所示。[
l1
30!_槡0〜
S
人 4 : 5 91 5 9%
计算9i、9%
能出现9[%>:s的情况，当9+9>:s,
式(4)将 9i、9% 化：
这样就得到了当电压矢量0ref在第一扇区 ，基础 的作 ，同理 在其他
区的作 。
2. 3直流侧中点电压平衡控制
电容中点的不对 常由直流电流和低频交流 构成的。电压的不对称会产生偶次谐波，电容和功率器件的电压应力，不利整流器 的安全运行。 需要采用中点电位平衡控制消除中点波动带来的不利影响[8.0]。
VIENNA整流器SVPWM调制策略下大矢量 零
对中点电位的波动无
；中
会导
致中点波动，且对中 的
控的，而成对的小 对中点电位的
正
，负小矢
使直流侧！i放电、！％充电，中点电位上升，正 小 使直流侧！充电，！放电，使中点电位下
，所以可以 节合理分配不同类型小的作 ，来控制中点电压。以第一扇区为 ，当电流矢量位于第一扇区，参电压 位一 区时，如图7所示，采空 的 示方法，对的 状态为 100、000、010、011、011、010、000、100, VIENNA整流器的PWM波形如图8所示。
由图8 ，在一个周期中小 作用的时
间为9 x〇 [〇+，因此可以引入式(0)所示的控制因
子1， 根据式（6) 节重新分配正、负小矢量的作
制中点电位波动。
老机>乃拉刹名2018,45 (2)
2' 2'2'2* 2 ' 2 ' 2
图
8 VIENNA整流器的PWM波形
m
1
⑶
m
2
1 - m
(6)
2
式(6)，以
在一个控制周期内，小
作用总 变，而正负小 作 ‘
会根据上下电容的偏差值迸行一个负 控制， 对'+的设置 达到对波动大小的直控制。
2. 4带中点电压平衡控制的电压定向电流解耦 闭环控制
本文设计的VIENNA整流器 控制系统如
图9所示。VIENNA整流器采
控制策
[11]，其中电压外环控制直流母线电压稳定。电压 外环将采 的 电压0。与 电压0#比，偏差值送入P调节器
> 轴电流
-。
为了提高功率因数，将无功电流
-设为0。
VIENNA
控制与应用技术I EMCA
内环电流的控制引入-、-的 控制，电流 采用PI调节控制，以 使电网电流正化。为了使直流侧上下电容电压 ，在 SVPWM环节 引入上下电容电压差 配合调节产生VIENNA整流器的触发脉冲)10]。
3仿真分析
为了验证上述控制 的正 与可行性，基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了 VIENNA
整流器的 型。 参：交流线电压
380 V、输入 4 m(、输入波电感0.5 mH、直流母线电压\"00 V、直流侧电容2 mF、开关频率 10 KHz。仿真结果如图10〜图13所示。
0.05 0.10 0.15
0.20 0.25
t/s图
10 A相电压和相电流波形
160
1•14120•00Fundamental (50 Hz)=14.95, THD=5.4%
08%060•/04_ 20舡•0澎•绺
0•0•0.
0 5 10 15
20 25 30 35 40
谐波次数
图
11交流侧输入电流FFT分析
) V7>o06Ao0
/5bo0 4m #3o02
o0
1o0
0o0 0.1 0.2 0.3
0.4 0.5 0.6
t/s图
12
直流母线电压波形
通过图10、图11可以看出网侧电流具有良 的正 ，且能与电网电压 位，交流侧的电流总畸变率THD为5.4，波 ，基本
一
11 一
控制与应用技术I EMCA
图
13
直流母线中点电位波形8oo
A7----------------------- oor6
oob5oo4m.i}3oo痗
侧
2oo1oooo
. . . .
图
14
突加负载时直流母线电压波形
^
痗/
3o 0#2 o0, 0田
1o
0
.
r- 0
1o-v-
0 2 o-0-l
l :-3o
-0
•04o
-o图
突加负载时A相电压与电流波形图
A8oo7oos'
6
oom#5oo激4：i3oof痗
2oo侧
1oooo
0 0.1 0.2
t/s
0.3 0.4
图
16
突减负载直流母线电压波形
现单位功率因数整流。从图12 以发现，直流电压在0.02 s内达到稳态， 800 V变，由图12 系 的稳 快速
。图13为直流 中点电位脉动波形，电压脉动在±1内波动，从图13中可以看出本文提到的 上下电容均压 能 上下电容电压能达好的 。图14、图15为在0.18日 50%
—12 —
違权控刹名阄2018,45 (2)
图
17突减负载时A相电压与电流波形图
负载，直流 电压和交流侧电压电流波形图，从图14 以 ， 50%负载后，电压 大约50 V，并在0.04 〇重新达到稳态。图16、图17为 在0.18 s日 25%负载，直流 A相网侧电压电流波形图，由图16 以
25%负
直流 电压升高约25 V后在0.03 s内重
新达到稳态。
负载
负载直流侧电
侧电压电流波形，可以 采用本文所提系 的动态性和稳定性。4
结语
本文在对VIENNA整流器拓扑结构和工作原 理
的基础上，研究了将VINENA三电平
电压 转换 电平 平面，从而采用传统两电平的调制 进 制，以简化VIENNA整流器的SVPWM控制 0 ，针对三电平整
流器固有的中点电位波动问题，本文在所提的
制 中引入了调节 1， 对i的控制现了中点电位的平衡控制。J
MATLAB/Simulink搭建了 VIENNA整流器电压外 、电流内环的
控制
图。
结
：
明，系 侧电流波形正 高，功率 高，中点电位波动小，且系 的动 稳
。 了 VIENNA整流器简化SVPWM调制方法的合理性与 ，为
系统的设计
；
了
的理
据。
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收稿日期：2017 -06 -02
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一 24 —
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