VIENNA整流器的閉環(huán)控制策略研究

鄧孝祥，肖楠，劉瀾濤

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

在電力電子技術(shù)的領(lǐng)域中，三相PWM整流器是一種發(fā)展相對較早的交直流變換的裝置，其廣泛應(yīng)用于有源電力濾波器、無線充電系統(tǒng)、新型不間斷電源中。但傳統(tǒng)的三相兩電平整流器在高壓大功率場合不適用，同時系統(tǒng)兩側(cè)電流電壓的諧波含量大，存在橋臂直通的問題，需要在控制脈沖中加入死區(qū)，使控制更加復雜。

上世紀90年代初，VIENNA大學提出了新型整流拓撲，得到了大量國內(nèi)外學者關(guān)注并進行進一步研究。經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，VIENNA整流器在控制上的要求有：輸出電流與電壓相位相同，輸出直流電壓穩(wěn)定，運行時功率因數(shù)接近1，直流輸出側(cè)兩電容的均壓問題等。其中文獻[1]提出了一種單周期控制技術(shù)，即在控制策略中注入三次諧波的方法，從而提高了電壓利用率。但是三次諧波的獲取較為困難，不能廣泛應(yīng)用[1]。文獻[2]電壓環(huán)采用了PI控制，電流環(huán)采用了功率滑膜變結(jié)構(gòu)控制，加快了PI控制的響應(yīng)速度。但其控制算法復雜，在數(shù)控時容易出現(xiàn)偏差[2]。文獻[3]中采用滯環(huán)的方式控制電流環(huán)，將中點的電位偏差引入滯環(huán)電流的閉環(huán)控制中，實現(xiàn)了直流側(cè)中點電位的平衡。但當電流變化時，開關(guān)管的頻率也會發(fā)生變化。同時這種方法很難設(shè)計濾波的電感[3]。文獻[4]設(shè)計了一種新型的VIENNA整流器的控制方法，電網(wǎng)不平衡的狀態(tài)下也可以工作，在進行坐標變換時也更加容易[4]。

分析了大量VIENNA整流器的相關(guān)資料。本文決定采用PI控制的電壓環(huán)穩(wěn)定直流側(cè)的輸出，增大系統(tǒng)的抵抗干擾的能力。電流環(huán)則采用前饋解耦的控制方案，減少傳統(tǒng)PI控制響應(yīng)時間長控制復雜的問題，同時能大幅度減小控制上的誤差。

1 VIENNA整流器的原理分析

圖1為三相VIENNA整流器電路圖，從圖中可以看出VIENNA整流器每一組橋臂由兩個二極管構(gòu)成，每一個雙向開關(guān)由兩個開關(guān)管構(gòu)成。兩個開關(guān)管的驅(qū)動信號相同，可等效成一個開關(guān)。故等效電路圖如圖2所示。

圖1 三相VIENNA整流器拓撲

圖2 三相VIENNA整流器等效拓撲

現(xiàn)將開關(guān)閉合定義為“1”，關(guān)斷定義為“0”，系統(tǒng)工作狀態(tài)可分別表示為：000、001、010、011、100、101、110、111八種。選取一個周期內(nèi)的前1/6，其工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3 VIENNA整流器工作模態(tài)

圖3加黑部分是電流的路徑，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)，可得各支路電壓如表1所示。

表1 開關(guān)狀態(tài)和支路電壓狀態(tài)表

表1是任意周期0—π/6時間內(nèi)參數(shù)，對于整個工作過程的分析方法類似。在被測時間段內(nèi)UaM、UbM、UcM共有Udc/2、0、-Udc/2三種電平，可以得出在整個工作周期內(nèi)相電壓也共有Udc/2、0、-Udc/2這三種電平，組成了三電平電路。

2 VIENNA整流器的數(shù)學建模

為使VIENNA整流器的工作原理和控制策略更容易理解，做出如下假設(shè)：

1）整個系統(tǒng)中所用均為理想狀態(tài)下的器件。

2）輸入的三相交流電均為理想正弦且平衡。

3）開關(guān)管工作頻率遠大于輸入電壓的頻率。

三相三電平VIENNA整流器等效電路拓撲如圖4所示，得電壓電流關(guān)系式：

圖4 VIENNA整流器等效電路

式中 ea、eb、ec為輸入線電壓，L為濾波電感值，UaM、UbM、UcM是輸出電容C1兩端電壓，中性點M的電壓以及電容C2兩端電壓；UMN是輸入輸出兩中性點之間的電壓。由上述工作狀態(tài)的分析，輸出側(cè)電壓極性與輸入電流的極性和開關(guān)的斷開與閉合有關(guān)，現(xiàn)引出一個函數(shù)來表示其開關(guān)狀態(tài)：

Sm會因各橋臂電流方向的不同和開關(guān)管狀態(tài)的不同使 a、b、c出現(xiàn) Udc/2、0、-Udc/2三種狀態(tài)。現(xiàn)用Smp和Smn分別表示各橋臂上、下二極管電流狀態(tài)，可將式（2）轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)式（2）和式（3）可以得出 ：

分析VIENNA整流器工作狀態(tài)可得：

將式（5）帶入式（6）可得 ：

將（7）帶入（1）得 ：

進行坐標變換：

3 電流內(nèi)環(huán)策略分析

解耦得：

4 電壓外環(huán)策略分析

電壓外環(huán)的主要作用是提升系統(tǒng)的抗干擾性，使輸出的電壓穩(wěn)定。根據(jù)設(shè)計所需，現(xiàn)對電壓環(huán)進行PI控制。

引入電流環(huán)參數(shù)，合并簡化得：

考慮到電壓環(huán)的穩(wěn)定因素，選用Ⅱ型電壓環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方案。由圖7電壓環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖5 電流環(huán)控制框圖

圖6 電壓環(huán)控制框圖

圖7 電壓環(huán)簡化控制框圖

Ⅱ型系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系如下：

式中h為電壓的頻寬，在實際工程中，一般取h=5。帶入到式（16）得到電壓環(huán)的比例積分系數(shù)為：

5 仿真結(jié)果與分析

現(xiàn)用MATLAB進行仿真以驗證前文分析與數(shù)學建模所得結(jié)果。系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 VIENNA整流器仿真參數(shù)

圖8 系統(tǒng)功率因數(shù)曲線

圖9 穩(wěn)定工作時單相輸入電流電壓

圖10 負載擾動時單相輸入電流電壓

為檢驗VIENNA整流器雙閉環(huán)的響應(yīng)速度和抗干擾的能力，在0.1s處加入負載擾動。圖8為系統(tǒng)功率因數(shù)曲線。圖9、10分別表示穩(wěn)定工作和負載擾動時輸入一相電流電壓波形，功率因數(shù)接近1。圖11、圖12分別是未增加擾動和增加了擾動時的輸出電壓波形，可看出電壓輸出波形上升快速平穩(wěn)，波形質(zhì)量好，0.1s后負載波動時，經(jīng)過0.07S達到了新的穩(wěn)態(tài)。

圖11 未經(jīng)擾動時輸出電壓

圖12 負載擾動時輸出電壓

6 結(jié)語

通過對VIENNA整流器原理和數(shù)學建模的分析，最后通過仿真加以驗證，選取了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制方案。應(yīng)用PI控制的電壓環(huán)使系統(tǒng)輸出更加穩(wěn)定，提高了抵抗外界干擾的能力。應(yīng)用前饋解耦的控制的電流環(huán)可以快速對電流進行控制，方法簡單，響應(yīng)速度快。最后，通過仿真驗證了VIENNA整流器電流電壓雙閉環(huán)控制思想的正確性及參數(shù)設(shè)計的合理性。