Vienna整流器單周控制技術(shù)研究

摘要 通過分析三相三開關(guān)三電平(Vienna)整流器的工作原理，研究了該整流器的單周控制策略，并采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了Vienna整流器的可靠穩(wěn)定、低諧波畸變特性。基于Matlab仿真平臺(tái)，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真結(jié)果表明，基于單周控制方法的8 kW三相PFC整流器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，諧波畸變率3％，功率因數(shù)可達(dá)99％。
關(guān)鍵詞 Vienna整流；單周控制；RS觸發(fā)器；功率因數(shù)

二極管整流器在電力電子行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于其存在功率因數(shù)低并向電網(wǎng)注入了較高的電流諧波等因素，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，難以滿足(GB／T14549—93、IEC61000—3—2)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著對(duì)用電設(shè)備諧波污染問題的日益重視，以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛，三相大功率因數(shù)校正技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際國(guó)內(nèi)電力電子及研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。
Vienna整流器是由Kolar教授于1994年提出的一個(gè)優(yōu)秀的三電平PWM整流器拓?fù)?，其具有所需的開關(guān)器件少，單個(gè)功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，無輸出電壓橋臂直通問題等特點(diǎn)。因而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略和方法的廣泛關(guān)注。文中通過分析Vienna整流器的基本工作原理，并針對(duì)三相大功率PFC的特點(diǎn)，以及直流母線中點(diǎn)電位平衡的控制、解決了三電平中點(diǎn)平衡問題的需要。設(shè)計(jì)了單周控制技術(shù)整流器控制結(jié)構(gòu)，并通過采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高了動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。最后搭建仿真模型，對(duì)單周控制的Vienna整流器進(jìn)行了仿真研究與分析。

1 WIENNA整流器工作原理
Vienna整流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中交流側(cè)的Li為等值平波電感，C1、C2為輸出濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減少直流電壓紋波。三相中每相都由全控開關(guān)管(Sa，Sb和Sc)和4個(gè)二級(jí)管組成雙向開關(guān)管。通過控制3個(gè)雙向開關(guān)管完成輸入電流和母線電壓的調(diào)節(jié)、以及母線側(cè)兩個(gè)電容的電壓平衡。

其運(yùn)行原理如下：以橋臂1為例，當(dāng)開關(guān)Sa開通時(shí)，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點(diǎn)；當(dāng)開關(guān)Sa關(guān)斷時(shí)，整流器的輸入端電壓為+Vdc／2或-Vdc／2，電壓極性由a相電流的極性決定。因此，橋臂1有3個(gè)開關(guān)狀態(tài)“1”“0”“-1”，整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點(diǎn)和負(fù)極。其電路方程為