王正，譚國俊，曾維俊，柳萌

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.江蘇天奇物流系統(tǒng)工程股份有限公司，江蘇 無錫 214187）

基于SVPWM的VIENNA整流器研究

王正1，譚國俊1，曾維俊2，柳萌1

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.江蘇天奇物流系統(tǒng)工程股份有限公司，江蘇 無錫 214187）

分析了三相三開關(guān)三電平（VIENNA）整流器的工作原理，研究了其空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的實現(xiàn)方法，提出了此整流器的矢量控制策略。采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)了VIENNA整流器的高性能特性。基于Matlab仿真平臺，搭建了VIENNA整流器的仿真模型，仿真結(jié)果表明，該整流器能實現(xiàn)良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

VIENNA整流器；矢量控制；空間矢量脈寬調(diào)制；中點電位平衡

1 引言

二極管和晶閘管整流器在電力電子行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但由于其功率因數(shù)低并向電網(wǎng)注入了較高的電流諧波，所以對電網(wǎng)污染嚴重。隨著對用電設(shè)備中電流諧波含量的嚴格限制，以及對變換器工作在寬范圍輸入電壓的需求，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了許多電流畸變低和單位功率因數(shù)的三相PWM整流器，其中包括VIENNA整流器。VIENNA整流器（三電平三開關(guān)BOOST整流器）是由Kolar教授1997年在文獻［1］中提出的一種兩象限中點鉗位式三電平PWM整流器拓撲，與傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)相比，由于電平數(shù)的增加，降低了功率器件的電壓應(yīng)力和電流的諧波畸變率（THD）。與4象限運行的三電平相比，該三電平結(jié)構(gòu)的拓撲所需開關(guān)器件少，成本和開關(guān)損耗相對較低，此外，當開關(guān)器件開通時，連接于直流母線的二極管可以阻斷直通電流，無輸出電壓橋臂直通問題，不需要設(shè)置驅(qū)動死區(qū)時間，提高了整流器的可靠性［2］。由于其具有上述優(yōu)點，而引起國內(nèi)外學(xué)者對其拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略和方法的廣泛關(guān)注與深入研究。

本文分析了VIENNA整流器的基本工作原理，通過采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，整流器得到了較高的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。針對三電平拓撲所固有的直流側(cè)電容中點電位波動問題，引入小矢量調(diào)節(jié)因子f，實現(xiàn)了直流母線中點電位平衡的控制，解決了三電平中點平衡問題。最后在負載突變的工況下，對VIENNA整流器進行了仿真研究與分析。

2 VIENNA整流器的工作原理

VIENNA整流器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該三電平Boost整流器由3個橋臂組成，其中每個橋臂包含6個功率二極管和一個可控關(guān)斷電力電子器件。

圖1 VIENNA整流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure chart of VIENNA rectifier

其運行原理如下：就橋臂Ⅰ而言，當開關(guān)Sa開通時，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點；當開關(guān)Sa關(guān)斷時，整流器的輸入端電壓為＋Vdc／2或-Vdc／2，電壓極性由a相電流的極性決定，因此，橋臂Ⅰ有3個開關(guān)狀態(tài)“1”，“0”，“-1”，整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點和負極，依次類推，可以對b，c相進行相應(yīng)分析。整流器由3個橋臂組成，但沒有開關(guān)狀態(tài)111和-1-1-1，因此開關(guān)狀態(tài)的總數(shù)為33-2＝25，可以產(chǎn)生19個不同的電壓矢量，電路中所有的開關(guān)模式和電壓矢量如圖2所示。

圖2 VIENNA整流器的開關(guān)狀態(tài)和電壓矢量圖Fig.2 The switch states and voltage vector diagram of VIENNA rectifier

3 VIENNA整流器SVPWM脈沖調(diào)制的實現(xiàn)

該結(jié)構(gòu)有其固有的局限性，在實現(xiàn)電壓調(diào)制時，必須滿足電壓和電流矢量同極性。根據(jù)電流矢量的極性，可將整個三電平平面劃分成6個扇區(qū)，用標號SI表示電流矢量所在扇區(qū)，其劃分方法如圖2所示，電流矢量扇區(qū)號SI依次為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ。用標號SV表示電壓矢量在小兩電平平面中所在的小扇區(qū)，電壓矢量的扇區(qū)號SV依次為1，2，3，4，5，6。

如圖2所示，當電流矢量iαβ位于第Ⅰ扇區(qū)時（SI＝Ⅰ），電壓空間矢量可調(diào)制的范圍為陰影部分，即第1個小兩電平（SV＝1），當電壓矢量uαβ超出了這個范圍，可以采用文獻［3-4］提出的過調(diào)制方法，即在陰影區(qū)域內(nèi)選取盡可能接近于uαβ的電壓矢量進行調(diào)制，同理可知，當電流矢量位于第X（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ）扇區(qū)時，處在第X個小兩電平平面內(nèi)的電壓矢量可調(diào)制。

當電壓矢量uαβ位于第1個兩電平平面的第Ⅰ扇區(qū)，根據(jù)空間脈寬調(diào)制中常用的7段法，選擇的開關(guān)順序為011-010-000-100-100-000-010-011（這里選擇使中點電位降低的矢量為初始小矢量），對應(yīng)三相開關(guān)管的PWM波形如圖3a所示。

圖3 三相開關(guān)的PWM脈沖波形（SI＝Ⅰ，SV＝1）Fig.3 The PWM pulse shape of three phase switch（SI＝Ⅰ，SV＝1）

取Px（x＝a，b，c）為開關(guān)管Sx的標志位，采用7段法時，如果Sx（x＝a，b，c）的值由0變?yōu)?，則Px＝0，反之Px＝1，當Px＝0時，須將Sx的開關(guān)狀態(tài)取反，反之，則不變。當SI＝1，2，6時，Pa＝0，反之Pa＝1；當SI＝2，3，4時，Pb＝0；反之Pb＝1；當SI＝4，5，6時，Pc＝0；反之Pc＝1。例如圖3a所示，SI＝Ⅰ，SV＝1，開關(guān)Sa的狀態(tài)由0變?yōu)?，那么將Sa的開關(guān)狀態(tài)取反可以得到新的開關(guān)順序111-110-100-000-000-100-110-111，新的三相開關(guān)管PWM波形如圖3b所示。tp為小矢量作用時間的1／4，tz為主矢量作用時間的1／2，tc為次矢量作用時間的1／2，令Ta＝tp＋tz＋tc，Tb＝tp＋tz，Tc＝tp，將Ta，Tb，Tc的值與三角載波相比較得到開關(guān)脈沖輸出，如果Px＝0，那么x相的脈沖信號經(jīng)取反后控制開關(guān)Sx，反之，則不變。

采用011，001，101，100，110，010分別作為Ⅰ-Ⅵ扇區(qū)的起始小矢量。VIENNA整流器僅工作在整流狀態(tài)，tp所作用的時間為小矢量向上母線電容充電的時間，tn為小矢量向下母線電容充電的時間，可設(shè)立調(diào)節(jié)因子f（-1≤f≤1），使

根據(jù)中點電位波動的情況相應(yīng)改變控制因子的大小，便可改變正負小矢量的作用時間，從而控制直流母線的中點電位［5］。

4 VIENNA整流器的控制單元

VIENNA整流器輸入電路在d，q坐標系下的等效框圖如圖4所示，d，q軸電流分量id，iq相互耦合，給電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計造成了不便。為此，引入id，iq的前饋解耦控制［6］，且id，iq電流環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)控制。由此，可得三相同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標系下三相VSR電流控制時的電壓指令：

為實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1和直流側(cè)電壓穩(wěn)定運行，整個控制電路主要由直流電壓外環(huán)，d，q電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)及空間矢量調(diào)制環(huán)節(jié)組成。整流器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中電壓反饋控制PI調(diào)節(jié)器的輸出作為d軸電流的給定；電流反饋和電流控制器構(gòu)成內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)器的輸出，再加上電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓擾動的前饋補償，組成整流器輸入側(cè)的控制電壓，并經(jīng)過SVPWM調(diào)制后產(chǎn)生開關(guān)信號送到整流器主電路。

圖4 整流器輸入側(cè)的等效電路圖Fig.4 The equivalent circuit diagram of rectifier on input side

圖5 VIENNA整流器矢量控制框圖Fig.5 The vector control diagram of VIENNA rectifier

5 仿真結(jié)果

為證明VIENNA整流器控制方法的可行性，通過Matlab／Simulink仿真環(huán)境建立了VIENNA整流器的電力電子模型，并對其進行了數(shù)字化仿真。其仿真參數(shù)為：電源線電壓Un＝690V，直流母線電壓Udc＝1 500V，輸入側(cè)Rs＝0.01Ω，Ls＝0.5mH，直流母線電容C1＝C2＝6 000μF，載波頻率fPWM＝2kHz，最大輸出功率Pmax＝600 kW。

圖6為VIENNA整流器矢量控制仿真波形。

圖6 VIENNA整流器矢量控制仿真波形Fig.6 The vector control simulation waves of VIENNA rectifier

圖6a為整流器網(wǎng)側(cè)的a相電壓和電流波形，其中電壓與電流同相位實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行；圖6b為網(wǎng)側(cè)三相電流的波形圖，其中0.3～0.5s時，負載減半；圖6c為直流母線電壓的波形，由圖6c可知，直流母線電壓在突減、突加負載時，電壓波動幅度小，動態(tài)響應(yīng)速度快；由圖6d、圖6e可知，直流母線電容C1和C2的電壓基本保持一致，中點電位波動??；圖6f為整流器的輸入端電壓波形；圖6g為整流器最大負載時網(wǎng)側(cè)電流諧波的頻譜分析，總的電流諧波為0.73%。

6 結(jié)論

本文分析了VIENNA整流器拓撲的基本工作原理，詳細分析了該結(jié)構(gòu)的SVPWM脈寬調(diào)制器的實現(xiàn)方法，提出了基于電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制的矢量控制策略。采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制實現(xiàn)了VIENNA整流器的高性能特性。通過Matlab仿真平臺搭建了VIENNA整流器的仿真模型，仿真結(jié)果表明，該整流器具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行的目標，網(wǎng)側(cè)諧波含量少，直流母線紋波小，負載突變時，動態(tài)響應(yīng)快。

［1］ Kolar J，Zach F.A Novel Three-phase Utility Interface Minimizing Line Current Harmonics of High-power Telecommunications Rectifier Modules［J］.IEEE Trans.on Ind.Elec.，1997，44（4）：456-467.

［2］ Round S，Karutz P，Heldwein M L，etal.Towards a 30 kW／liter Three-phase Unity Power Factor Rectifier［C］∥Proc.Power Conversion Conf.，2007：1251-1259.

［3］ Burgos R，Lai R，Pei Y，etal.Space Vector Modulation for Vienna-type Rectifiers Based on the Equivalence Between Two-and Three-level Converters：a Carrier-based Implementation［C］∥Conf.IEEE PESC，2007：2861-2867.

［4］ Burgos R，Lai R，Pei Y，etal.Space Vector Modulator for Vienna-type Rectifiers Based on the Equivalence Between Two-and Three-level Converters：a Carrier-based Implementation［J］.IEEE Trans.Power Electron.，2008，23（4）：1888-1898.

［5］ 鄧先明，王冬冬，葉宗彬，等.基于簡化三電平SVPWM 算法的整流器研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（5）：3-9.

［6］ 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

修改稿日期：2010-11-25

Study on the VIENNA Rectifier Based on Space Vector Pulse Width Modulation

WANG Zheng1，TAN Guo-jun1，ZENG Wei-jun2，LIU Meng1

（1.SchoolofInformationandElectricalEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221006，Jiangsu，China；2.JiangsuMiracleLogisticsSystem EngineeringCo.Ltd，Wuxi214187，Jiangsu，China）

The working principle of three-phase three-switch three-level（VIENNA）rectifier was analyzed，and its implement method of space vector pulse width modulation（SVPWM）was researched.On that basis，the vector control strategy of VIENNA was proposed.It achieved the high performance characteristics of VIENNA rectifier by using dual closed loop with voltage outer loop and current inner loop.Furthermore，based on the platform of Matlab simulation，the simulation model of VIENNA rectifier was built.The simulation results show that the rectifier can achieve both good dynamic performance and good static performance.

VIENNA rectifier；vector control；space vector pulse width modulation；neutral-point potential balance

TM461

A

王正（1986-），男，碩士，Email：wangzheng96998＠163.com

2010-09-14