VIENNA整流器的三相三電平中點電位平衡研究

王淑青，王 珅，毛月祥

(1 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 國網(wǎng)湖北省電力有限公司直流運檢公司，湖北 武漢 430068)

在新能源發(fā)電的研究過程中最重要的就是高效率和高性能，提高系統(tǒng)發(fā)電的穩(wěn)定性和效率性也是必不可少的。三電平整流器因其擁有耐壓等級高、功率因素高，開關(guān)損耗低這些優(yōu)點，在新能源發(fā)電的發(fā)展中得到了各種關(guān)注[1-3]。三電平VIENNA整流器有以下優(yōu)勢[5-6]：1)該電路拓?fù)湓谔幱?Boost 狀態(tài)情況下，電流處于連續(xù)模式；2)由于采用了三電平的結(jié)構(gòu)，整流器的各器件所承受的電壓相比其他結(jié)構(gòu)要小的多，只有輸出電壓的一半,因此在大功率情況下尤為適用；3)裝置可以使用較高的開關(guān)頻率。但是它還存在一個明顯的問題：中點電位不平衡會造成功率管和輸出電容承受的電壓不均勻，若電位不平衡問題嚴(yán)重，將會對整流器正常使用造成影響。針對這些問題設(shè)計了一種中點電位波動小的高性能VIENNA整流器。

1 VIENNA整流器的結(jié)構(gòu)

VIENNA整流器的主電路由3個升壓電感、3個電橋臂和2個直流側(cè)輸出電容組成，整流器結(jié)構(gòu)見圖1，功率橋臂結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 三電平VIENNA整流器簡化電路結(jié)構(gòu)

圖2 功率橋臂的結(jié)構(gòu)

1 SVPWM的原理

1.1 VIEENA整流器的SVPWM分布

VIEENA整流器的每個相橋臂有3種開關(guān)狀態(tài)，但是由于三相電流的對稱性，三相電流不能為正或者負(fù)，即VIEENA整流器不具有“111”和“-1-11”兩種開關(guān)狀態(tài)，對于每個小矢量有兩種可能的構(gòu)型，對于零矢量有三種構(gòu)型，因此可以得到19個不同的向量V0-V18，有模向量為0的10個向量(V0)，6個模向量為(2/3)Udc的大矢量(V13—V18)，6個模向量為(1/3)Udc的中矢量(V7—V12)，6個模向量為(1/3)Udc的小矢量(V1—V6)。在選擇合適的開關(guān)狀態(tài)之前，應(yīng)先確定電壓矢量的相位，為實現(xiàn)相位角的數(shù)字化，將其劃分為12個扇區(qū)(圖4)，每一種大扇區(qū)都有兩種電流極性。由于VIEENA整流器橋式整流器的輸出電平受輸入電流方向的影響，也需要增加對輸入電流方向的判斷，其扇形判斷的條件比較復(fù)雜。

將原始參考電壓矢量轉(zhuǎn)換為所選六邊形的中電壓矢量。原始參考電壓矢量減去所選六邊形的中心向量然后在新的小六邊形重新定義參考電壓矢量，作用時間的計算方法和一般的兩層SVM算法相同。

圖3 三相電壓區(qū)間劃分

圖4 傳統(tǒng)的SVPWM整流器扇區(qū)劃分

由于VIEENA整流器的工作狀態(tài)取決于開關(guān)狀態(tài)和輸入電流的極性，為了保證目標(biāo)矢量可以在同一扇區(qū)使用相同的空間矢量，同一扇區(qū)的電流極性應(yīng)該相同。

1.2 向量作用的順序

為了保證最小開關(guān)頻率和最小電流紋波，矢量動作序列應(yīng)該滿足以下原則：1)當(dāng)作用矢量發(fā)生變化時，一次只能有一個相位開關(guān)作用；2)一個開關(guān)周期的開始和結(jié)束時開關(guān)狀態(tài)是相同的。因此采用七段矢量合成的方法。圖5-圖8分別是各矢量作用下電流流通路徑圖。

圖5 電流在零矢量作用下流通圖

圖6 電流在小矢量作用下流通圖

圖7 電流在介質(zhì)矢量作用下流通圖

圖8 電流在大矢量作用下流通圖

2 VIENNA整流器的中點電位平衡策略

大矢量和零矢量不會造成中點電位發(fā)生任何變化；小矢量三相負(fù)載中會有電流從交流側(cè)直接進入直流側(cè)對電容進行充放電，會使中點電壓產(chǎn)生波動。正小矢量和負(fù)小矢量在同一個位置對中點電位產(chǎn)生相反的效果，因此可以通過調(diào)節(jié)每個開關(guān)周期內(nèi)正小矢量和負(fù)小矢量的作用時間來控制中點電位大小。當(dāng)調(diào)節(jié)因子為f(-1

調(diào)節(jié)因子f用于重新排列冗余小矢量，冗余小矢量的時間分布可以調(diào)節(jié)電壓誤差和電流條件。

3 實驗結(jié)果

通過仿真驗證上述方法的可行性，實驗參數(shù)如下。

輸入電壓：Ua=Ub=Uc=220 V±10%=198～242 V；輸出電壓：Udc=1100 V；輸入濾波電感：LS=0.5 mH；直流母線電容：C1=C2=6000 μF；開關(guān)頻率：f=1.5 kHz；電容C1和C2兩端不平衡負(fù)載：RL1=50 Ω和RL2=25 Ω。仿真結(jié)果見圖9、10。

圖9 直流母線電壓波形

圖10 直流母線中點電位波形

圖9為采用平衡因子法后直流母線電壓的波形變化，仿真可知：直流母線電壓能夠快速穩(wěn)定并保持不變 ,具有良好的動 、靜態(tài)特性 。圖11為采用平衡因子法后中點電位的波形變化，當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，可以看出中點電壓偏差只有±2 V。綜上可以驗證平衡因子法對中點電壓的調(diào)節(jié)有著明顯的控制效果。

4 結(jié)束語

介紹了VIENNA整流器的結(jié)構(gòu)并分析了中點電位產(chǎn)生原因，優(yōu)化了傳統(tǒng)的SVPWM控制方法，改善了中點電壓波動，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)電流波形有很高的正弦波，功率因素高達0.99，因此具有良好的穩(wěn)定性、中點電位波動很小，系統(tǒng)負(fù)載時也能快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果驗證了此方法的有效性，具有良好的前景。