范 輝, 孫麗丹, 湯天浩

(1. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306； 2. 上海海事大學(xué)，上海 201306)

多VIENNA級聯(lián)型整流電路的協(xié)調(diào)控制

范 輝1, 孫麗丹2, 湯天浩2

(1. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306； 2. 上海海事大學(xué)，上海 201306)

針對級聯(lián)式高壓整流電路的控制問題，采用多個VIENNA整流器級聯(lián)構(gòu)成高壓直流系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了主電路拓?fù)渑c雙閉環(huán)控制器，并提出一種多VIENNA整流器電壓平衡的協(xié)調(diào)控制策略。通過仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙閉環(huán)級聯(lián)型VIENNA高壓整流電路的穩(wěn)定性及其協(xié)調(diào)控制的正確性。

VIENNA整流器; 級聯(lián)系統(tǒng); 協(xié)調(diào)控制

0 引 言

近年來，隨著高壓變流技術(shù)的應(yīng)用，各種多電平電路的研究也隨之開始興起[1]。一種較典型的適用于高壓直流輸電的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)VIENNA整流器得到了廣泛關(guān)注[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對VIENNA整流器做了大量研究[3-6]，特別是在控制策略方面，使得VIENNA整流器輸入電流跟蹤輸入電壓正弦變化，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)、直流母線電壓恒定、直流側(cè)中點(diǎn)電壓平衡，且在工程應(yīng)用中具有較高的可靠性。但普通的VIENNA整流電路都無法滿足高壓大功率的需求，因此提出了級聯(lián)式整流電路。將兩個或多個VIENNA整流器級聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)提高輸出電壓及功率等級的目的[7]。

針對級聯(lián)型VIENNA高壓整流電路的穩(wěn)定性問題，采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)進(jìn)行控制，滿足了VIENNA整流電路的性能要求。但為了解決級聯(lián)型整流器的均壓問題，研究了多個VIENNA整流器的協(xié)調(diào)控制方法，提出了均壓和分級起動兩種工作方式，并通過仿真試驗(yàn)證明了其正確性。

1 級聯(lián)型VIENNA整流器的基本原理

圖1為三相四線制VIENNA整流電路拓?fù)鋱D。該拓?fù)錇樗木€制三相三開關(guān)三電平VIENNA整流器。該整流器不僅有三線制的優(yōu)點(diǎn)，并且由于中線的存在，其更是在實(shí)際應(yīng)用中具有更好的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性，以及良好的防雷和電磁兼容特性[2]。

圖1 三相四線制VIENNA整流電路拓?fù)?/p>

但是，單個VIENNA整流器的輸出電壓及功率等級有限，為滿足高壓直流輸電的需求，提出了多個VIENNA整流器輸出以級聯(lián)的方式連接起來的方案[8-9]，則可以將多個VIENNA整流器的輸出電壓累加，來實(shí)現(xiàn)提高輸出電壓及功率等級等目的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 級聯(lián)型VIENNA整流器結(jié)構(gòu)

該級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入端相互獨(dú)立，輸出端串聯(lián)，總的輸出電壓為每個電容電壓之和。每個模塊電容中點(diǎn)與電網(wǎng)中點(diǎn)相連，因此各模塊可以獨(dú)立控制并共同承擔(dān)總的輸出電壓。這種級聯(lián)結(jié)構(gòu)控制簡單、容錯性高、易于模塊化。設(shè)輸出端電容相同，每個電容電壓為E。因此功率單元與中點(diǎn)之間的電壓關(guān)系可以由等效開關(guān)函數(shù)來表示：

(1)

其中：i=1，2…n

每個模塊由基爾霍夫電壓定律可知：

(2)

將式(1)代入式(2)化簡可得

(3)

對級聯(lián)型VIENNA整流器的輸出端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用基爾霍夫電流定律，則第一個模塊和最后第n個模塊輸出方程為

(4)

(5)

中間的模塊輸出電壓方程為

(6)

式(4)、式(5)中的和與等效開關(guān)函數(shù)的關(guān)系為

(7)

其中:上標(biāo)′和″代表等效電流開關(guān)函數(shù)。當(dāng)有電流流入直流母線時(shí)，開關(guān)函數(shù)等于1，否則為0，如表1所示。

表1 級聯(lián)型VIENNA整流器的開關(guān)函數(shù)表

由式(5)～式(7)可得級聯(lián)型VIENNA整流器的數(shù)學(xué)模型：

(8)

其中，i=1,2,3…代表模塊的個數(shù)。相對于普通三相VIENNA整流器，級聯(lián)型VIENNA整流器拓?fù)涓鼮閺?fù)雜，但是通過對其數(shù)學(xué)模型的分析，方便了對其結(jié)構(gòu)的了解及控制器的設(shè)計(jì)。

2 單相級聯(lián)VIENNA整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相四線制的VIENNA拓?fù)湔髌饔捎谳斎胫芯€和輸出電容中點(diǎn)相連，三相物理解耦，故三相可單獨(dú)控制。基于三相獨(dú)立的特點(diǎn)，在具體分析時(shí)，可以聚焦于其中一相。因此以單相級聯(lián)VIENNA整流電路為例，如圖3所示。

圖3 單相級聯(lián)VIENNA整流電路拓?fù)?/p>

由圖3的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可見，它不僅交流輸入電源相互獨(dú)立，而且整流功率單元也相互獨(dú)立，因此可以分別對每個模塊進(jìn)行單獨(dú)控制，以便實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)及對每個模塊輸出電壓的調(diào)整。直流輸出端相當(dāng)于把4個直流輸出電容串聯(lián)，即：

(9)

則根據(jù)輸入輸出功率平衡關(guān)系可知：

(10)

簡化可得

(11)

式中：U1、U2——分別為兩模塊輸入交流電壓有效值；

I1、I2——分別為輸入電流的有效值；

Utol、Udc1、Udc2——總的負(fù)載、模塊1和模塊2的輸出直流電壓。

級聯(lián)型VIENNA整流器每模塊的換流模式與單相拓?fù)涞膿Q流模式相同，現(xiàn)以兩模塊輸入電壓均處于正半周期為例，每個開關(guān)器件有兩種開關(guān)狀態(tài)，那么兩模塊級聯(lián)VIENNA整流器拓?fù)湓谡胫芷趦?nèi)，即e1、e2均大于0時(shí)，開關(guān)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 單相級聯(lián)VIENNA整流電路換流模式

當(dāng)e≥0時(shí)，Idc-=0，Idc+=0，開關(guān)T閉合；Idc+>0，開關(guān)T斷開。當(dāng)e<0時(shí)，Idc+=0，Idc-=0，開關(guān)T閉合；Idc-<0，開關(guān)T斷開。根據(jù)MATLAB/Simulink仿真可以觀察其中一相VIENNA電路工作過程。單相級聯(lián)VIENNA整流電路的波形如圖5所示。其中，Idc+，Idc-分別為直流母線正負(fù)兩側(cè)的電流；Us為輸入電壓波形；Ir為輸出電流。

3 級聯(lián)型雙閉環(huán)VIENNA整流電路協(xié)調(diào)控制

為滿足對高壓直流輸電的要求，需要級聯(lián)多個整流電路來提高直流電壓。但多個整流器的均壓成為新的問題。為此，提出了一種協(xié)調(diào)控制策略，對每個獨(dú)立的整流模塊采用電壓和電流雙閉環(huán)控制方法，再引入?yún)f(xié)調(diào)控制進(jìn)行均壓控制和分級起動控制。

為簡單起見，現(xiàn)以2個VIENNA級聯(lián)型整流器為例，給出的協(xié)調(diào)控制如圖6所示。系統(tǒng)中協(xié)調(diào)控制器根據(jù)給定電壓值Uref，分配級聯(lián)模塊的電壓值Uref1和Uref2，每模塊根據(jù)分配的電壓值采用雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)來控制，其中電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)比較器。外環(huán)電壓環(huán)的作用是根據(jù)直流母線電壓與給定基準(zhǔn)電壓值比較的大小來判斷直流母線上能量的平衡狀況，并決定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)方向，進(jìn)而得到電流內(nèi)環(huán)給定值的極性與大小，最終實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)的主要作用是根據(jù)電壓外環(huán)輸出的電流指令實(shí)現(xiàn)電流控制，來使交流電相位跟隨電壓的相位，二者達(dá)到同步。雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的恒定和系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖5 單相級聯(lián)VIENNA整流電路的波形

圖6 級聯(lián)型VIENNA整流器的協(xié)調(diào)控制框圖

圖7 均壓式單相級聯(lián)型VIENNA仿真

圖8 分級式單相級聯(lián)型VIENNA仿真

對于級聯(lián)型整流器來說，每模塊電壓的分配方式主要有兩種：一種是分別產(chǎn)生所需直流電壓的一半，即均壓方式；一種是根據(jù)所需電壓值的大小來決定起動的模塊個數(shù)，即分級起動方式。以單相兩模塊級聯(lián)為例，通過仿真來驗(yàn)證以上兩種電壓分配方式。為了更好地觀測級聯(lián)電路交流側(cè)電流，使兩個模塊電壓相位相差60°。電感參數(shù)定為漏電阻為0.1 Ω、電感值為10 mH，母線側(cè)的兩個電容參數(shù)為2 200 μF，每模塊負(fù)載電阻為250 Ω，在0.01 s時(shí)輸入控制信號。當(dāng)所需直流輸出值Uref分別為900 V和1 200 V時(shí)，通過仿真來驗(yàn)證均壓和分級起動兩種方式，其結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7和圖8分別從均壓式和分級式對單相級聯(lián)型VIENNA進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了兩種控制方法的正確性。由圖7可知，當(dāng)Uref為900 V時(shí)，從圖7(a)中可見，兩系統(tǒng)的電感電流大小相同，相位差60°；從圖7(b)可見，兩系統(tǒng)輸出直流電壓大小相同且為Uref的一半，即均壓方式。同樣當(dāng)Uref為1 200 V時(shí)，從圖7(c)和圖7(d)中也可得到相同的結(jié)果。由圖8可知，當(dāng)Uref為900 V時(shí)，從圖8(b)可見兩級聯(lián)系統(tǒng)只起動了系統(tǒng)1，其輸出電壓值等于所需電壓；當(dāng)Uref較大為1 200 V時(shí)，從圖8(d)可知，兩系統(tǒng)皆起動，且兩系統(tǒng)輸出電壓值之和為所需電壓Uref，即分級起動方式。相對于均壓方式，分級起動方式由于可以做到所需電壓低時(shí)只起動一個系統(tǒng)，因而擁有更高的效率和更小的損耗。

4 硬件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

基于VIENNA整流器的雙閉環(huán)系統(tǒng)，本文構(gòu)建了VIENNA整流器的硬件平臺，如圖9所示。其中，包括了dSPACE1104實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、單相的可調(diào)變壓器、10 mH電感、2 200 μF、采樣調(diào)理電路及24 V直流驅(qū)動電源。除了控制部分由dSPACE控制外，試驗(yàn)的其他部分均由硬件組成。當(dāng)給硬件系統(tǒng)正常供電后，dSPACE1104接受到了實(shí)際電感電流和輸出直流電壓的信號，經(jīng)由采樣板輸入給Simulink控制，通過Simulink中的控制模塊，生成的代碼給出IGBT觸發(fā)信號，使系統(tǒng)正常工作。然后通過ControlDESK可實(shí)時(shí)觀察控制中的各信號的動態(tài)。

圖9 硬件試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)開關(guān)管沒有開始工作時(shí)，電路為二極管整流，網(wǎng)側(cè)電流如圖10(a)所示。當(dāng)開關(guān)管開始工作時(shí)，VIENNA整流電路開始工作，如圖10(b)所示，可見網(wǎng)側(cè)電流與電壓基本同相。

當(dāng)VIENNA整流電路開始工作，那么輸出直流電壓將穩(wěn)定在45 V，并且等于兩電容電壓之和，如圖11所示。

圖10 VIENNA整流器

圖11 輸出電壓波形

圖12 ControlDESK顯示的控制波形圖

在試驗(yàn)過程中，可以通過Control進(jìn)行電路的實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖12為當(dāng)給定開關(guān)信號時(shí)，各部分的波形圖。

5 結(jié) 語

研究了級聯(lián)型VIENNA整流電路的基本結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提出一種協(xié)調(diào)控制策略。詳細(xì)分析了級聯(lián)型VIENNA整流電路的換流模式與控制方法，并搭建了級聯(lián)型單相雙閉環(huán)VIENNA整流電路的仿真和試驗(yàn)系統(tǒng)；仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性和均壓、分級起動兩種協(xié)調(diào)控制方式的正確性。

[1] REED G, PAPE R, TAKEDA M. Advantages of voltage sourced converter (VSC) based design concepts for FACTS and HVDC-link applications[C]∥IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2003: 3.

[2] KOLAR J W, ERTL H, ZACH F C. Design and experimental investigation of a three-phase high power density high efficiency unity power factor PWM (VIENNA) rectifier employing a novel integrated power semiconductor module[J]. Applied Power Electronics Conference & Exposition, 1996, 2(2): 514-523.

[3] BURGOS R, LAI R, PEI Y, et al. Space vector modulator for vienna-type rectifier based on the equivalence between two and tress-level converters: a carrier-based implementation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(4): 1888-1898.

[4] LI B, HANG L J, TOLBERF L M, et al. Equivalence of SVM and Carrier-based PWM in three times new Roman phase/wire/level vienna rectifie for unbalanced load[J]. IEEE Journals & Magazines, 2014, 61(1): 20-28.

[5] RAJAEI A, VARJANI A Y, MOHAMADIAN M. Vienna-rectifier-based direct torque control of PMSG for wind energy application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(7): 2919- 2929.

[6] FLORICAU D, PANGRATIE V. New unidirectional five-level VIENNA rectifier for high-current applications[C]∥Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE, 2013: 10-13.

[7] HYN B, HADDAD K A, KANAAN H Y. Implementation of a new linear control technique based on experimentally validated small-signal model of three-phase three-level boost-type vienna rectifier[J]. IEEE Transactions onIndustrial Electronic, 2008, 55(4): 1666-1676.

[8] YANG J H, Han J G, Tang T H. A cascaded multi-level PWM AC/DC converter with VIENNA cell for HVDC[C]∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2014: 308-312.

[9] JIANG X B, YANG J H, HAN J G, et al. A survey of cascaded multi-level PWM rectifier with VIENNA modules for HVDC system[C]∥2014 International Electronics & Application Conferenceand & Exposition, 2014: 72-77.

Coordinated Control of Multiple VIENNA Cascade Rectifier Circuits

FANHui1,SUNLidan2,TANGTianhao2

(1. Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Focused on the cascade control problems of the VIENNA high-voltage rectifier system, based on the principle of improving system efficiency and reduce the loss, proposed a dual-loop cascade-type high-voltage rectifier circuit, established a dual-loop controller, and presented a single-phase cascade VIENNA rectifier circuit coordinated control strategy. Simulation results verified the stability and the correctness of coordination control for dual-loop cascade VIENNA high voltage rectifier circuit.

VIENNA rectifier; cascade system; coordinated control

國家自然科學(xué)基金(51007056)

范 輝(1973—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)05- 0038- 08

2016 -09 -25