胥 良， 張 碩， 彭根德

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

三電平整流器具備輸入電流諧波小，輸出電壓紋波小的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在大功率場(chǎng)合[1-2]。與傳統(tǒng)的三電平整流拓?fù)湎啾?，VIENNA整流具備開(kāi)關(guān)器件承受電壓應(yīng)力小、無(wú)橋臂直通、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為了眾多學(xué)者研究的拓?fù)渲?。三電平式VIENNA整流由于存在系統(tǒng)內(nèi)部耦合和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，母線電容充放電存在差異，導(dǎo)致中點(diǎn)電位不平衡，會(huì)引起母線電壓的振蕩。中點(diǎn)電位不平衡使母線電容承受不同的電壓應(yīng)力，降低電容壽命，因此，采取相應(yīng)控制策略使整流側(cè)中點(diǎn)電位平衡是設(shè)計(jì)VIENNA整流器的重要環(huán)節(jié)。王倩等[3]提出一種基于QPR控制器的直流側(cè)電壓中點(diǎn)平衡控制策略，改善了網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量及整機(jī)效率。王歸新等[4]設(shè)計(jì)了針對(duì)三電平VIENNA變換器的雙閉環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)了電壓環(huán)和電流環(huán)的環(huán)路PI，使變換器滿足動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。黨超亮等[5]分析給出了抑制中點(diǎn)電路波動(dòng)的簡(jiǎn)單可靠的控制策略，進(jìn)一步給出了中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)的理論最佳比例系數(shù)。筆者在詳細(xì)分析三相三電平VIENNA整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)VIENNA整流器直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題，通過(guò)SVPWM調(diào)制方式，在g-h坐標(biāo)系下分析VIENNA整流器中矢量作用時(shí)間對(duì)中點(diǎn)電荷的影響，提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量作用時(shí)間的中點(diǎn)電位平衡控制策略，以降低正負(fù)母線電壓之間的差值。

1 VIENNA整流結(jié)構(gòu)

三電平VIENNA整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。VIENNA整流由儲(chǔ)能電感(L1、L2、L3)、整流二極管(D1～D6)、IGBT(Sa1～Sc2)、儲(chǔ)能電容(C1，C2)組成，其中，M為母線中點(diǎn)。在三相VIENNA整流中，每個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)只有2種，即開(kāi)通和關(guān)斷?？梢詫⒚拷M的兩只IGBT等效成一個(gè)開(kāi)關(guān)，其共有8種工作狀態(tài)，即：000、001、010、011、100、101、110、111，如圖2 所示。選取一個(gè)周期內(nèi)0至π/6分析對(duì)應(yīng)的8種工作狀態(tài)。

圖1 三相VIENNA整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Three VIENNA rectifier topologies

圖2中，黑線為電流流經(jīng)的路徑，可得出a、b、c三點(diǎn)對(duì)M點(diǎn)的電壓UaM、UbM、UcM共有3種，分別為Udc/2、0、-Udc/2(Udc為直流側(cè)電壓)。電壓Uab、Ubc、Uca有Udc、Udc/2、0、-Udc/2、-Udc5種狀態(tài)。一個(gè)周期內(nèi)0至π/6分析所得數(shù)據(jù)如表1所示，其他時(shí)間分析方法同理。

圖2 VIENNA整流工作狀態(tài)Fig. 2 VIENNA Rectifier working status

表1 各開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)電壓

2 中點(diǎn)電位平衡原理

在g-h坐標(biāo)系下，采用SVPWM調(diào)制方式[6-8]進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3可知，g-h坐標(biāo)系由六個(gè)大扇區(qū)組成，每個(gè)大扇區(qū)由六個(gè)小扇區(qū)組成。

圖3 g-h坐標(biāo)系下扇區(qū)劃分和矢量分布Fig. 3 Sector division and vector distribution in g-h coordinate system

在某一矢量被確定后，通過(guò)矢量的合成原則計(jì)算目標(biāo)矢量的作用時(shí)間，并且無(wú)論是目標(biāo)矢量位于哪一個(gè)扇區(qū)均可以通過(guò)矢量變換將其變換至第一扇區(qū)內(nèi)進(jìn)行分析。

在第Ⅰ大扇區(qū)第1小扇區(qū)中合成電壓矢量的順序?yàn)椋篛NN-OON-OOO-POO-OOO-OON-ONN，即開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的順序?yàn)?00-110-111-011-111-110-100。其他扇區(qū)同理，這樣即完成了SVPWM在g-h坐標(biāo)系下的調(diào)制。

以目標(biāo)矢量位于第I大扇區(qū)第5小扇區(qū)為例，分析基本矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響。當(dāng)目標(biāo)矢量位于此扇區(qū)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)矢量合成原則，共有一對(duì)冗余小矢量(ONN和POO)、一個(gè)中矢量(PON)和一個(gè)大矢量(PNN)4個(gè)矢量參與目標(biāo)矢量合成。其對(duì)中點(diǎn)電位的影響，如圖4所示。

由圖4 a可見(jiàn)，在小矢量ONN的作用下，電流流入中點(diǎn)M，故在小矢量ONN的作用下，M點(diǎn)電位會(huì)逐漸升高。由圖4 b可見(jiàn)，在小矢量POO的作用下電流會(huì)流出中點(diǎn)M，故在小矢量ONN的作用下M點(diǎn)電位會(huì)逐漸降低。由圖4 c可見(jiàn)，在中矢量PON的作用下，電流流出M點(diǎn)，故在中矢量PON的作用下M點(diǎn)電位會(huì)逐漸降低。由圖4 d可見(jiàn)，大矢量PNN作用下沒(méi)有電流流入或流出中點(diǎn)，故其不會(huì)影響M點(diǎn)電位。通過(guò)分析觀察，上述兩冗余小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響是相反的。

圖4 電壓矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響Fig. 4 Influence of voltage vector on midpoint

由于三相電流對(duì)稱，在矢量變換中矢量和為零，故零矢量對(duì)中點(diǎn)電位M沒(méi)有影響，其余矢量對(duì)應(yīng)電流關(guān)系如表2和3所示。

表2 小矢量和對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流

表3 中矢量和對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流

在VIENNA整流中若在相同時(shí)間內(nèi)注入中點(diǎn)M的電荷比流出中點(diǎn)M的電荷多，則中點(diǎn)電位升高；在相同時(shí)間內(nèi)流出中點(diǎn)的電荷比注入中點(diǎn)的電荷多，則中點(diǎn)電位降低。由于零序分量三相對(duì)稱，因此，將目標(biāo)電流注入額外的零序分量不影響輸入電流，影響的是三組開(kāi)關(guān)管的維持時(shí)間，如圖5所示。

圖5 中點(diǎn)電位調(diào)節(jié)原理Fig. 5 Principle of midpoint potential regulation

由圖5可見(jiàn)，在目標(biāo)電流ia處于負(fù)半周期，ib、ic處于正半周期時(shí)，向目標(biāo)電流注入零序分量，就abc三相而言，調(diào)制波從U1變至U2，即三組開(kāi)關(guān)器件011的組合持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，在此種情況下，向目標(biāo)電流注入零序分量會(huì)使中點(diǎn)電位降低但不會(huì)影響輸入電流。

3 中點(diǎn)電位平衡控制策略

中點(diǎn)電位不平衡是由中點(diǎn)注入和流出的電荷不同引起的。由VIENNA整流的結(jié)構(gòu)可知，設(shè)電容容量為C，作用時(shí)間為T(mén)s，流過(guò)中點(diǎn)電流為im，中點(diǎn)電壓um可表示為

(1)

式中，uC1、uC2——電容C1、C2的電壓。

中點(diǎn)電荷引起的變化量可表示為

ΔQ=C(uC1-uC2)，

(2)

由式(1)和(2)可得

(3)

由式(3)可知，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間Ts可以使中點(diǎn)電荷差被抵消。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的總電荷量為

(4)

式中：T1——小矢量ONN、POO作用時(shí)間；

T2——OON作用時(shí)間；

x——?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)因子。

式(4)可簡(jiǎn)化為

Q=T1xia+T2(-ic)。

(5)

若兩電容作用效果相同則有：

(6)

則可得到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子(即零序分量)為

(7)

第Ⅰ大扇區(qū)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子如表4所示，其他扇區(qū)同理可推。

表4 第Ⅰ大扇區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子

中點(diǎn)平衡具體控制策略[9-11]的主要依據(jù)是目標(biāo)電流注入額外的零序分量不影響三相輸入電流，并且一對(duì)冗余小矢量的作用時(shí)間對(duì)中點(diǎn)電位的作用是相反的，具體流程如圖6所示。將中點(diǎn)上下電容電壓差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)因子，一對(duì)冗余小矢量的作用時(shí)間根據(jù)該調(diào)節(jié)因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的負(fù)反饋控制。

圖6 中點(diǎn)電位平衡控制策略Fig. 6 Algorithm of neutral point potential balance control

4 仿真與結(jié)果分析

文中以三相三電平VIENNA整流拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，借助Matlab Simulink仿真軟件搭建模型，輸入為工頻市電，輸出母線電壓700 V，采用SVPWM進(jìn)行調(diào)制，以同一工況下重載為例，仿真結(jié)果如圖7～12所示。

未采用中點(diǎn)平衡控制策略的兩電容電壓如圖7a所示。未采用中點(diǎn)平衡控制策略的兩電容電壓差值如圖7b所示。由圖7可見(jiàn)，在0.15 s后的穩(wěn)定時(shí)刻中，電容電壓差值較大，約為±20 V，兩電容電壓有不規(guī)則的自由振蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了VIENNA在整流器的輸出。采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量的控制算法后的兩電容電壓如圖8a所示，其電位差如圖8b所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后約0.05 s后電容電壓穩(wěn)定，兩電容電壓波形基本重合，電壓差基本為零，電容電壓自由振蕩情況明顯減弱。

未采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量控制算法的直流母線電壓如圖9所示。雖然能在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后的很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值700 V，但母線上電壓紋波較大，最大時(shí)約為±30 V，在某些惡劣工況下會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大影響。采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量控制算法后直流母線電壓，如圖10所示。在極短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定700 V，并能夠明顯削弱母線電壓紋波。為了驗(yàn)證其可靠性，對(duì)其進(jìn)行變載實(shí)驗(yàn)，在0.1 s突加負(fù)載，可見(jiàn)其恢復(fù)時(shí)間僅為0.03 s左右，具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證了控制策略的穩(wěn)定性和可靠性。

圖10 變載實(shí)驗(yàn)中直流母線電壓波形Fig. 10 Voltage waveform of DC bus in load changing experiment

采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量控制算法后，其輸入電流電壓波形如圖11所示。電流電壓相位基本一致，滿足了高功率因數(shù)的基本要求，通過(guò)快速傅里葉對(duì)電流波形進(jìn)行頻譜分析,如圖12所示。由圖12可見(jiàn)，電流波形中主要低次諧波為1、5、7次諧波，且THD僅為0.18%，滿足電網(wǎng)中小于5%的要求。

圖11 VIENNA整流輸入電流電壓波形 Fig. 11 VIENNA rectifier input current voltage waveform

圖12 輸入交流電流頻譜Fig. 12 Spectrum of input AC current

通過(guò)仿真結(jié)果分析，采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量作用時(shí)間的控制算法可以使整流器在保證基本功率因數(shù)要求和良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的前提下，使直流母線上兩電容電壓一致，并能使直流母線電壓低頻振蕩明顯減弱，提高了VIENNA整流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量的控制策略可以為后級(jí)級(jí)聯(lián)的變換器提供穩(wěn)定的直流輸出，對(duì)充分發(fā)揮VIENNA整流器性能有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 論

(1)在g-h坐標(biāo)系下，通過(guò)分析三電平VIENNA整流在SVPWM調(diào)制時(shí)各矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響，得出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間，同一工況下采用該控制策略正負(fù)母線電壓差值從20 V減小到接近0 V，可以令中點(diǎn)電容電壓偏差產(chǎn)生的電荷被基本矢量產(chǎn)生的中點(diǎn)電荷抵消，實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電位平衡。

(2)采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量作用時(shí)間的控制策略，輸入電流波形中主要低次諧波為1、5、7次諧波，且THD僅為0.18%，在滿足基本功率因數(shù)和諧波要求的同時(shí)，不僅能夠使整流側(cè)中點(diǎn)電位達(dá)到平衡，還能在一定程度上抑制母線電壓的低頻振蕩。