多VIENNA級聯(lián)型整流電路的協(xié)調(diào)控制

范 輝, 孫麗丹, 湯天浩

(1. 上海電機學(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)計了主電路拓撲與雙閉環(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，驗證了雙閉環(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撲結(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，實現(xiàn)單位功率因數(shù)、直流母線電壓恒定、直流側(cè)中點電壓平衡，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整流電路拓撲圖。該拓撲為四線制三相三開關(guān)三電平VIENNA整流器。該整流器不僅有三線制的優(yōu)點，并且由于中線的存在，其更是在實際應(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整流電路拓撲

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)拓撲結(jié)構(gòu)輸入端相互獨立，輸出端串聯(lián)，總的輸出電壓為每個電容電壓之和。每個模塊電容中點與電網(wǎng)中點相連，因此各模塊可以獨立控制并共同承擔(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′和″代表等效電流開關(guān)函數(shù)。當有電流流入直流母線時，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整流器拓撲更為復(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。

2 單相級聯(lián)VIENNA整流電路拓撲結(jié)構(gòu)

三相四線制的VIENNA拓撲整流器由于輸入中線和輸出電容中點相連，三相物理解耦，故三相可單獨控制。基于三相獨立的特點，在具體分析時，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整流電路拓撲

由圖3的電路拓撲結(jié)構(gòu)可見，它不僅交流輸入電源相互獨立，而且整流功率單元也相互獨立，因此可以分別對每個模塊進行單獨控制，以便實現(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撲的換流模式相同，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整流器拓撲在正半周期內(nèi)，即e1、e2均大于0時，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e≥0時，Idc-=0，Idc+=0，開關(guān)T閉合；Idc+>0，開關(guān)T斷開。當e<0時，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，進而得到電流內(nèi)環(huán)給定值的極性與大小，最終實現(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)輸出的電流指令實現(xiàn)電流控制，來使交流電相位跟隨電壓的相位，二者達到同步。雙閉環(huán)控制實現(xiàn)直流側(cè)電壓的恒定和系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運行。

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，每模塊負載電阻為250 Ω，在0.01 s時輸入控制信號。當所需直流輸出值Uref分別為900 V和1 200 V時，通過仿真來驗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進行了仿真試驗，驗證了兩種控制方法的正確性。由圖7可知，當Uref為900 V時，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Uref為1 200 V時，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Uref為900 V時，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Uref較大為1 200 V時，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)計與試驗

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實時仿真系統(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，試驗的其他部分均由硬件組成。當給硬件系統(tǒng)正常供電后，dSPACE1104接受到了實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可實時觀察控制中的各信號的動態(tài)。

圖9 硬件試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當開關(guān)管沒有開始工作時，電路為二極管整流，網(wǎng)側(cè)電流如圖10(a)所示。當開關(guān)管開始工作時，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

在試驗過程中，可以通過Control進行電路的實時監(jiān)控。圖12為當給定開關(guān)信號時，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，進而提出一種協(xié)調(diào)控制策略。詳細分析了級聯(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系統(tǒng)；仿真和試驗結(jié)果驗證了雙閉環(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，研究方向為電力電子技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)05- 0038- 08

2016 -09 -25