Vienna 整流器功率因數校正數字控制策略

林凌宇

（福州大學，福州　350108）

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Vienna 整流器功率因數校正數字控制策略

林凌宇

（福州大學，福州350108）

摘要本文分析了Vienna整流器的工作原理，推導出離散占空比表達式，并改善空載情況的母線電壓問題。提出了一種Vienna整流器的數字化功率因數校正控制策略。理論和仿真表明，該控制系統可以獲得穩定的母線輸出，具有較高的功率因數和良好的動態性能，實驗驗證了整流器的輸入功率因數可接近1。

關鍵詞：Vienna整流器；功率因數校正；數字化控制

功率因數校正對提高電能質量有舉足輕重的作用，有助于消除電力電子設備產生的諧波和無功功率。目前單相的有源功率因數校正技術日趨成熟，多用于中小功率場合；應用于大功率場合的三相有源功率因數校正技術成為研究的熱點。Vienna整流器由于具有三電平特性，能有效降低變換器側電壓波形畸變，并且功率開關管承受電壓為母線的一半，等效開關頻率較高，有助于降低開關損耗且開關過程無需死區等特點，具有較大的發展潛力，在工業環境中也有許多應用。

目前對提高Vienna拓撲整流器性能的研究主要從PWM調制策略、電流控制方案、和中點點位平衡、數字化控制等方面進行。隨著數字信號處理技術的發展，數控芯片成本大大降低，由于數字控制具有許多優點逐漸取代了模擬控制。對于三相整流器多采用空間矢量控制方式，由于Vienna整流器的三電平特性，其矢量控制方式較為復雜，由于中矢量的作用存在輸出中點點位不平衡的問題，對系統的穩定性會造成影響，棄用中矢量的電壓調制策略可以解決中點點位問題，但是增加了控制的復雜度，尚未在實際情況中得到應用[1]。本文基于三相四線制Vienna整流器的解耦特性，根據平均電流控制是思想推導出數字控制策略，并改善了空載情況下系統的穩定性，該控制策略容易實現，對數字處理器要求較低，有助于降低成本。通過仿真和實驗驗證了系統的動態性能和穩定性，實現功率因數校正的功能。

1　Vienna整流器模型建立與分析

三相四線制Vienna整流器拓撲如圖1所示。

圖1　Vienna整流器主電路

根據每相電壓的極性來決定電流通路，以A相為例，交流輸入電壓處于正半周時，開關管S1和S2體二極管導通，電感正向儲能，電感電流線性增加，上下橋臂的二極管承受反壓截止，輸出電容向負載放電；S1、S2截止，上橋臂二極管導通續流，電源和電感電流共同向負載放電，并對上電容充電。在交流輸入電壓的負半周，則由開關管S1的體二極管和G2導通，電感反向儲能，電容向負載放電。S1、S2截止時則對下電容充電并向負載放電。由于中線的存在使得其三相間物理解耦，可視為輸出并聯的三路三點平單相結構[2]，如圖2所示。

圖2　單相三電平拓撲

假定系統達到穩定，工作在電流連續模式，輸出電容足夠大且正負母線電容一致，穩態電壓為Vo/2，在高頻開關狀態下輸出電壓在一個開關周期內視為恒值，為了便于建模分析，視器件為理想元件。在每個開關周期中的等效電路模型可由式（1）表示。

式中，ddcm為連續模式的占空比；為變量x在每個開關周期的平均值，當實現功率因數校正時，電感電流能夠很好的跟著輸入電壓的相位，此時在正負半周的表達式相同，因此對式（1）只做正半周情況的分析。

電感電流環的控制是實現功率因數校正的關鍵。通過對電路的數學模型進行離散化后，可采用數字芯片進行控制。在第n個開關周期時，輸入電壓為正，電感電流連續，數控芯片受采樣限制，無法利用本開關周期的采用值計算該周期占空比，在高頻開關狀態下可將視相鄰開關周期參數近似相等，采用上一個周期采樣得到的參數計算本周期的占空比，第n個開關周期的電感電流如圖3所示。

根據輸入輸出電壓在開關管開通和關斷期間的關系可以推導出一個開關周期內電感電壓的均值為

圖3　第n個開關周期電感電流

在功率因數校正系統中，要求平均電流能夠跟蹤正弦參考電流，因此iL(n+1)可用iref(n+1)替代，從而可推導的占空比離散表達式：

電壓外環分別采樣正負母線電壓，與參考輸出電壓比較后經PI調節器計算給出內環參考電流iref。占空比公式基于連續模式推導，在空載情況下仍存在一個始終為正的穩態分量1?Vin/Vo，這將導致空載情況下母線電壓的不斷上升。通過斷續下的模型可推導出斷續時占空比計算的公式，使系統在空載情況也能保持穩定[3]。但由于斷續情況下占空的計算需要進行一次開方運算，增加了運算資源的需求。本文通過對負載電流進行采樣，當識別到空載情況時，切除電流內環，只采用PI電壓環進行控制，系統模型簡單，不會增加運算需求，并能保證空載電壓的穩定。系統結構如圖4所示。

圖4　Vienna的PFC控制系統結構

2　仿真結果及分析

為了驗證方案可行性，利用PSIM軟件進行仿真，搭建3kW仿真模型，輸入電壓220V，輸出電壓720V，利用DLL模塊實現數字化控制，系統仿真模型如圖5所示。

圖5　數字控制Vienna整流器仿真圖

通過仿真結果可以看到，在穩態工作的情況下，輸出電壓穩定在720V，正負母線穩定，輸入電流正弦度高，且與輸入電壓保持同相位，通過波形分析模塊測得功率因數為1，輸入電流THD為2%。

圖6　穩態情況下3kW仿真波形圖

3　實驗結果與分析

根據上述系統控制策略，搭建了三相四線制的Vienna整流器，使用TMS320F28069數字信號處理器作為控制芯片。圖7為Vienna整流器。

系統參數為：輸入交流電壓220V，輸出功率3kW，正負母線電壓360V，輸入電感1.5mH，輸出濾波電容470μF，開關頻率20kHz。實驗波形如圖8所示。

圖8中，通道1為A相輸入電壓，通道2為A相輸入電流，左圖通道3為B相輸入電流，通道4為母線電壓；右圖通道3、4分別為正負母線電壓。從8（a）穩態情況下的波形圖觀察到輸入電流正弦度良好，且能夠準確跟蹤輸入電壓，且正負母線能夠穩定在360V，與仿真結果一致。

圖7　Vienna整流電路

圖8　移相全橋實驗波形

圖8（b）至（d）分別為滿載切換至半載、半載切換至滿載、滿載切換至空載的波形，負載切換情況下在一至兩個市電周期內便可使輸出電壓穩定到參考值，并能保持電流正弦。空載情況下母線電壓小幅上升，隨后逐漸穩定到參考值。可以看出數字控制策略具有較好的動態特性，能較快地使輸出電壓恢復到參考值，該控制方法具有較好的動態特性。各相的功率因數和總諧波畸變見表1。

表1　各相性能指標

4　結論

本文對Vienna整流器的穩態模型進行分析，結合平均電流控制的思想提出數字化控制的策略，并對空載情況下電壓飆升的問題進行改善。通過PSIM仿真驗證理論分析的準確性。最后搭建實驗平臺，通過實驗證明該控制策略具有良好的穩態特性和動態特性，在全負載范圍內都能獲得較好的PF和THD。

參考文獻

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林凌宇（1990-），男，碩士研究生，研究方向為電力電子數字控制。

maximum of surface electric field intensity of organic composite insulator[C]. IEEE International Symposium on Instrumentation & Measurement, Sensor Network and Automation ?2014 IEEE: 1435-1437.

Digital Power Factor Correction Strategy of Vienna Rectifier

Lin Lingyu
(Fuzhou University, Fuzhou350108)

Abstract The Vienna rectifier is analyzed and the discrete duty circle is caculated. The problem of working in no-load conditions is improved. A digital power factor correction control strategy is proposed. The simulation shows that the system can have stable output bus-voltage and high power factor and good dynamic characteristics. Experimental results testify that Vienna rectifier can nearly achieve unity power factor.

Keywords：vienna rectifier; power factor correction; digital control

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