基于載波移相控制的三相VIENNA整流器研究

王紹煦，曾奕彰，黎文權(quán)，郭超群，付君宇

（1.深圳市科華恒盛科技有限公司，廣東 深圳 518055；2.漳州科華技術(shù)有限責(zé)任公司，福建 漳州 363000）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電子整流器、靜態(tài)變流器等交直流設(shè)備非線性特性的廣泛利用，配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流畸變不斷增大，電力污染問題日益突出[1]。現(xiàn)代交直流變流器使輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近1。電網(wǎng)要求變流器呈現(xiàn)一個(gè)電阻負(fù)載[2]，以降低電路復(fù)雜度和元件應(yīng)力，提高功率密度、效率、可靠性及輸出電壓的可控性。文獻(xiàn)[3]提出了功率器件開關(guān)頻率與電網(wǎng)頻率相同的控制方法，可在相電壓過零時(shí)動作，開環(huán)控制簡單，總諧波失真處于可接受的工作水平。但是，該方法不能控制輸出電壓，總諧波失真在開關(guān)器件導(dǎo)通角度選擇不同于30°時(shí)增加。雖然文獻(xiàn)[4]在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上改善了控制方法，但仍不能控制輸出電壓。文獻(xiàn)[5-6]分別采用先進(jìn)的空間矢量調(diào)制技術(shù)和復(fù)雜的數(shù)字邏輯技術(shù)，利用信號處理器實(shí)現(xiàn)控制，且均使用了滯回控制器。這兩種控制方法具有輸入電流諧波小、輸出電壓中心點(diǎn)平衡及輸出電壓可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是開關(guān)頻率的變化（滯回控制器的固有問題）導(dǎo)致輸入EMC濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]中，將三相整流器視為三個(gè)單相單元，控制采用具有三個(gè)獨(dú)立電流回路的單相調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。雖然該方法控制簡單，但輸入電流紋波遠(yuǎn)高于矢量控制。此外，由于使用了三個(gè)獨(dú)立電流回路，無法同步開關(guān)器件的命令信號，從而影響了控制性能。文獻(xiàn)[8]則提出了一種雙斜坡比較控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主命令信號的同步，從而簡化了EMC濾波器，減少了輸入電流紋波。但是，該控制系統(tǒng)需產(chǎn)生一個(gè)正弦函數(shù)，以平衡輸出電壓。由于該函數(shù)的相位和頻率必須與電源同步，導(dǎo)致控制更加復(fù)雜化。

本文采用載波移相控制策略設(shè)計(jì)了三相維也納整流器控制系統(tǒng)。該控制方法簡單精確，實(shí)現(xiàn)了輸入功率因數(shù)的校正和輸出直流電壓的調(diào)節(jié)，同時(shí)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電路原理介紹

三相三電平維也納整流器有不同的電路形式，圖1為常用的一種電路原理圖。其中，ex表示各相電壓，ix表示各相電流，x表示a、b、c相，D1～D6為快速二極管，S1～S6為高頻全控開關(guān)器件，RL為直流側(cè)負(fù)載，C為直流電容，L為電感等效參數(shù)，udc為直流側(cè)電壓，io為負(fù)載電流。雖然拓?fù)湫问讲煌鼈兊墓ぷ髟砘鞠嗤琜9]。

圖1 三相維也納整流電路

當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)，輸入端被鉗位于O點(diǎn)；當(dāng)開關(guān)管打開時(shí)，輸入電流的方向決定輸入端的電位。如果輸入電流為正，輸入端被鉗位于P點(diǎn)；如果輸入電流為負(fù)，輸入端被鉗位于N點(diǎn)。因此，共有27種可能的狀態(tài)，圖2為其空間矢量圖。

圖2 空間矢量圖

2 載波移相控制策略

傳統(tǒng)的空間矢量調(diào)制技術(shù)計(jì)算復(fù)雜，載波移相技術(shù)可簡化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)三電平空間矢量調(diào)制。文獻(xiàn)[10-11]詳細(xì)描述了載波移相控制發(fā)波原理，文獻(xiàn)[12]理論證明了載波移相技術(shù)與空間矢量調(diào)制技術(shù)等效。當(dāng)相電壓處于正半周時(shí)，選擇載波1；當(dāng)相電壓處于負(fù)半周時(shí)，選擇載波2，如圖3所示。

圖3 三角載波移相調(diào)制時(shí)開關(guān)狀態(tài)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過分析，設(shè)計(jì)了如圖4所示的控制系統(tǒng)。控制環(huán)路上包括母線電壓外環(huán)和輸入電流內(nèi)環(huán)，其中電流內(nèi)環(huán)含有母線不平衡輸出環(huán)路因子。

圖4 三相維也納控制系統(tǒng)框圖

4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用MATLAB對所建模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并設(shè)計(jì)了一臺15 kW的樣機(jī)。該樣機(jī)的基本參數(shù)為：電網(wǎng)電壓220 V/50 Hz，交流側(cè)電感0.6 mH，直流側(cè)儲能電容1 200 μF，額定輸出電壓750 V，開關(guān)頻率20 kHz。

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。其中，圖5為三相輸入電壓電流波形，輸入電流正弦，功率因數(shù)近似為1；圖6為恒阻負(fù)載工況時(shí)的輸出電壓波形，無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)輸出電壓為750 V。

圖5 三相維也納整流器輸入電壓電流波形

圖6 輸出直流電壓

圖7 實(shí)驗(yàn)波形

采用TI的DSP28033和外圍電路作為控制器，以IKW75N65ES5型IGBT作為主功率管，搭建了三相維也納整流器實(shí)驗(yàn)裝置，額定輸出電壓為750 V，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

由圖7可知，三相維也納整流器交流側(cè)電流跟蹤電壓，波形正弦化，總諧波畸變率小于2%。當(dāng)工況由空載變成滿載輸出時(shí)，輸出電壓快速，無超調(diào)，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)，具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能。

5 結(jié) 論

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于載波移相控制策略的三相維也納整流器具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，輸入電流可較好地跟蹤輸入電壓波形，且輸出電壓穩(wěn)定。該控制策略為三相維也納整流器提供了簡化控制方法，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。