張小海 王珊珊 阮宜菁

摘 要：Vienna整流器存在電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題，鑒于此，分析了其產(chǎn)生電流畸變的原因，提出可以在畸變區(qū)域更換參考矢量合成路徑，并且計(jì)算出畸變區(qū)域的偏差角，最后采用零序分量注入法解決電流畸變問(wèn)題，并基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：Vienna整流器;電流畸變;零序分量注入;空間矢量脈沖寬度調(diào)制

中圖分類號(hào)：TM461? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）07-0072-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.020

0? ? 引言

Vienna整流器具有諧波特性好、電壓應(yīng)力小、無(wú)開(kāi)關(guān)死區(qū)問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，比較適用于能量單向流動(dòng)的大功率場(chǎng)合，因此廣泛應(yīng)用于通信電源、電動(dòng)汽車充電樁等領(lǐng)域[3-4]。

Vienna整流器中存在電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題[5]，會(huì)增加并網(wǎng)電流諧波含量，從而造成額外的電磁干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出了兩種改進(jìn)的SVPWM策略，通過(guò)分析abc坐標(biāo)系下電流和參考矢量的分布，從而對(duì)畸變區(qū)域內(nèi)的矢量進(jìn)行控制;文獻(xiàn)[7]轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，將電流畸變轉(zhuǎn)換為擾動(dòng)量，并且提出了兩種消除誤差的閉環(huán)控制方法;文獻(xiàn)[8]提出了一種變區(qū)間過(guò)零鉗位調(diào)制方法，在SVPWM空間矢量圖每次電流過(guò)零前后都進(jìn)行鉗位。但上述方法均存在實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的問(wèn)題。

為解決Vienna整流器中的電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題，本文提出采用零序分量注入的補(bǔ)償策略。首先分析了電流畸變的產(chǎn)生原因，然后在畸變區(qū)域注入合適的零序分量對(duì)并網(wǎng)電流波形進(jìn)行補(bǔ)償，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能夠較好地抑制電流畸變。

1? ? Vienna整流器電流畸變問(wèn)題分析

Vienna整流器拓?fù)淙鐖D1所示，其中Sa、Sb、Sc為雙向開(kāi)關(guān)，ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic為并網(wǎng)電流，Uc1、Uc2分別為電容電壓。三相電網(wǎng)分別連接3個(gè)雙向開(kāi)關(guān)管并引至直流側(cè)中點(diǎn)處，通過(guò)控制雙向開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)調(diào)節(jié)電流大小。

Vienna整流器在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流畸變問(wèn)題，這是拓?fù)渲卸O管的強(qiáng)制換流特性導(dǎo)致的，由于電感上的電壓降，參考矢量和實(shí)際電網(wǎng)矢量之間會(huì)出現(xiàn)偏差角，而開(kāi)關(guān)管只能起到導(dǎo)通和斷開(kāi)的作用，即開(kāi)關(guān)管只能保證基本矢量組合中0和非0的存在，至于非0的狀態(tài)到底是1（i>0）還是-1（i<0）都是由該相的電流流向決定的，是無(wú)法控制的，這將導(dǎo)致在電流過(guò)零換向時(shí)矢量合成錯(cuò)誤，從而引起電流畸變問(wèn)題。

由于Vienna整流器一般工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)，因此以單位功率運(yùn)行工況進(jìn)行分析，其矢量圖如圖2所示。

由矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，在單位功率運(yùn)行時(shí)，電流is和參考矢量vref之間會(huì)存在偏差角，令該偏角差為θ，同樣θ也為參考矢量與電網(wǎng)電壓的偏差角。

通過(guò)三電平空間矢量圖進(jìn)行分析，當(dāng)中矢量處于電流換向交界處，在一個(gè)周期內(nèi)三相電流將經(jīng)過(guò)6次換向。如圖3所示，以第一扇區(qū)為例，當(dāng)電流矢量is經(jīng)過(guò)中矢量10-1后，b相電流由原先的ib<0變?yōu)閕b>0，而此時(shí)vref所處的三角形區(qū)域內(nèi)的基本矢量為0-1-1、00-1、10-1、100，合成路徑為七段式的0-1-1→00-1→10-1→100→10-1→00-1→0-1-1，那么b相電流變化之后將無(wú)法正確輸出0-1-1，轉(zhuǎn)而替代它的是01-1，因此合成出現(xiàn)錯(cuò)誤，電流畸變就產(chǎn)生了，一個(gè)周期內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生6次電流畸變。

2? ? Vienna整流器電流畸變抑制方法

基于上述分析可以得知，只需要在第一扇區(qū)畸變的區(qū)域重新設(shè)置基本矢量，也就是說(shuō)，在b相電流過(guò)零發(fā)生換向時(shí)保持它一直導(dǎo)通，即可避免參考矢量合成錯(cuò)誤。因此，可以在紅色畸變區(qū)域選擇采用五段式SVPWM，路徑為000→100→10-1→100→000，可以發(fā)現(xiàn)，b相開(kāi)關(guān)狀態(tài)在此路徑中始終為0，意味著開(kāi)關(guān)一直導(dǎo)通，那么在剩余5個(gè)扇區(qū)中，每次電流換相時(shí)都可以使用這樣的五段式SVPWM來(lái)避免電流畸變。因此，本文提出采用零序分量注入的方法來(lái)抑制電流畸變，整體控制框圖如圖4所示。其中，Vabc為傳統(tǒng)控制產(chǎn)生的三相調(diào)制波[9]，Va′、Vb′、Vc′為經(jīng)過(guò)注入零序分量V0后的三相調(diào)制波。

因此，首先需要計(jì)算畸變區(qū)域內(nèi)的偏角差θ，如圖5所示。

其中L是輸入電感，r為輸入電感的內(nèi)阻，則θ角計(jì)算如下：

=ik∠0°（1）

代入阻抗表達(dá)式化簡(jiǎn)：

vk，ref∠θ=（ek-r·ik）-jωL·ik（2）

繼續(xù)求解可得：

θ=tan-1

（3）

而內(nèi)阻r通?？珊雎圆挥?jì)，因此可以簡(jiǎn)寫(xiě)為：

θ=tan-1

（4）

同時(shí)，為了避免三電平SVPWM的復(fù)雜性，將五段式SVPWM等效為零序分量注入，所需注入的值與范圍如表1所示。

3? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述電流畸變抑制方法，搭建了Vienna整流器電路，并針對(duì)該控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如表2所示。

圖6和圖7分別為不注入零序分量和注入零序分量下Vienna整流器并網(wǎng)電流波形及THD分析。

從圖6和圖7的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，在未加入V0時(shí)電流會(huì)在過(guò)零點(diǎn)處畸變，并網(wǎng)電流THD為3.12%，電流中存在較大的低次諧波;加入V0后電流明顯改善，并網(wǎng)電流THD降為1.31%，低次諧波電流得到了較好抑制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的有效性。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)Vienna整流器的電流過(guò)零畸變問(wèn)題展開(kāi)研究，提出采用一種零序分量注入的補(bǔ)償策略，根據(jù)不同的畸變區(qū)域選擇不同的注入零序分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠很好地解決電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于工程化應(yīng)用。

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收稿日期：2022-02-14

作者簡(jiǎn)介：張小海（1981—），男，浙江臺(tái)州人，博士，工程師，研究方向：艦船機(jī)電工程。