VIENNA整流器硬件在回路仿真研究

姬 凯 徐 明 高 跃，2 张启平，2

（1.中船重工武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2.舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430064）

1 引言

电力电子技术的迅猛发展，大量电力电子装置、L、C等非线性元件的投入使用，给电网带来日益严重的谐波危害，难以满足相关谐波标准（GB/T14549-93、IEEE519-1992、IEC1000-3-2等）。解决谐波污染除了在电网用户端实施谐波被动补偿；就是在电力电子设备的内部引入功率因数校正技术（PFC），而后者能从根本上消除谐波源，是更为积极的方法；传统PFC存在设备体积大、重量大、校正效果差等问题，有源功率因数校正技术（APFC）逐步发展成电力电子技术领域的研究热点[1]。

VIENNA整流是一种比较优秀的APFC拓扑，具有较好应用前景[1-6]，ABB等国外大公司已推出了相关产品，但因其结构、控制复杂，在国内相关产品较少，性能也不够理想，研究其具有较大的理论意义和应用价值。

单周期控制在20世纪90年代初由Keyue M.Semdley提出，是一种大信号、非线性新型控制技术[2]。其控制思想是通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格精确地跟随控制基准。

本文采用理论分析、离线仿真和硬件在回路半实物试验手段相结合的方式，详细讨论了VIENNA整流拓扑，将电路等效为串联双Boost拓扑，相间解耦之后采用单周控制，实现了低谐波，单位功率因数、动静态性能良好的可控整流。

2 VIENNA整流器拓扑与三电平NPC拓扑比较

VIENNA整流器拓扑如图1，一个桥臂等效拓扑如图2(e)，三电平NPC拓扑如图2(a)、(d)在无需能量回馈的整流场合，实际上有些开关组合用不上：如当某相Ux＞0，单位功率因数：ix＞0，+1(+Udc/2)由Sl和S2的续流二极管实现，Sl和S2动作并不影响电流路径和变换器工作，且因为Ux＞0，ix＞0此时也不需要S4导通；同理，在Ux＜0，ix＜0时，S3，S4及Sl都不参予控制。综合得表1，因此Sl和S4可省略（图2(b)）。

图1 VIENNA整流拓扑

图2 一个桥臂拓扑比较和等效

表1 三相三电平PWM整流实际工作所需开关动作

S2和S3作用为连接O点，产生0电平，只是S2和S3分别在该相电压小余和大于零时工作，其实，开关器件通过电流与否是由该相的电流方向决定的，就算某个器件有开通高电平信号，电流可能并不从它流通，因此，S2和S3可共用完全一样的脉冲完全相同地工作，用一个管子取代后，形成图2(c)拓扑，即三相三开关三电平PWM整流器（VIENNA）等效拓扑如图2(e)，正是由于考虑到当相电流为负时，这一相不可能产生P电平，相电流为正时，这一相不可能产生n电平，则拓扑简化后的三电平矢量图如图3[3]，其中X点表示不能合成的电压矢量，圆点表示可以合成的矢量，其中空心圆点表示存在冗余矢量。

图3 简化后的整流器矢量图

VIENNA 整流相比三相全桥PWM 整流优点：①结构简单；②成本低；③效率高；④在纹波一定，输入电感比小，交流侧滤波器尺寸也小；⑤全控开关电流有效值只有总输入电流有效值25%～30%左右；⑥可靠性高：不存在桥臂直通的危险，而且即使可控开关损坏，电路仍工作于不控整流；⑦双向可控半导体器件已成熟并商业化。缺点是能量只能单向流动[1]。

3 VIENNA整流器转换串联双Boost电路

VIENNA整流器同三电平NPC拓扑一样源于Boost电路，输出有上下两个电容，可等效成两个Boost变换器串联[5]，一个对应最大电流输入的那一相，另一个对应最小输入电流那一相。控制最大和最小的输入电流为正弦，第三相自然也是正弦，如图5，转换方法：一个工频周期分六个60°区间，使相邻两个区间三相电压只有一相改变方向，开关管在状态转换过程中损耗最小，按此规则划分，每个区间三相电压有两个交点，图4为30°～90°区间三相相电压和线电压，VA，VB增大，VC减小，双向开关管SC始终导通，SA，SB根据控制策略高频通关，使电感电流平均值ILA，ILB跟随相电压VA，VB。两串联Boost电路电源分别为VAC、VCB，图5中Sp表示SA，Sn表示SB，其他区间转换同上：相电压居中相的开关管在该区间导通，另外两相开关管高频动作，VIENNA整流拓扑元件与转换后的双Boost串联拓扑对应关系如表2。

图4 30°～90°区间相电压和线电压

图5 等效串联双Boost电路

表2 VIENNA等效双Boost串联的分区及电流、开关对应关系

4 VIENNA整流器的单周控制策略

单周控制通过控制占空比，在每个周期内使变换器开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差，且前一周期的误差不会带到下一周期[4]。

将VIENNA整流拓扑等效为串联双Boost电路后，相间解耦，可用成熟、通用的Boost电路控制策略[5]。这种控制方法特点在于：①开关频率恒定；②简单可靠，由一些线性逻辑器件和触发器构成；③不需要乘法器；④不需要三相输入电压传感器；⑤可使用电感电流或者开关管电流；⑥在一个60°区间内，只有两个开关工作在高频状态，开关损耗减少。

根据Sp，Sn开关状态，电路有四种运行方式（图6）。三个电感电压如表3。

图6 串联双Boost电路的四种运行方式

表3 串联双Boost电路电感上的电压

根据一个周期内电感电压伏秒平衡

d1、d2、d3、d4分别为开关状态I-Ⅳ的占空比，化简得

Dp、Dn分别为上下开关占空比

控制目标为

代入式（1）得到

图7 VIENNA整流单周控制框图

通过控制两个解耦之后的等效开关Sp，Sn的占空比Dp，Dn使控制方程式（5）成立，由此达到单周控制的目标，如图7。

5 VIENNA整流器离线仿真

基于上述控制方案，构造Matlab/Simulink离线仿真模型，参数如下：交流相电压usn=110V，频率fu=50Hz，交流侧电感LS=1mH，等效线路电阻和电感电阻总合Rs=0.2e-3Ω，直流侧电容Cd＝500μF ，阻感负载：Ll=5e-3H，Rl=30ohms，给定阶跃电压udc=570V。采用变步长数值积分算法，结果如图8～10所示，交流电流很好的跟踪了电压，电流为低畸变的正弦，实现了单位功率因数，且直流电压稳定，中点电位基本平衡，动态响应快。

图8 交流侧电压线电流波形

图9 直流电压

图10 中点电位

6 VIENNA整流器硬件在回路半实物试验

搭建如图11半实物实验装置，其主回路硬件基于EMEGAsim的实时模型，作为快速控制原型的虚拟试验台，控制原型基于实际的DSP控制器，对上述策略进行半实物仿真试验。本电力电子装置同时包括毫秒级的电磁暂态过程及微秒甚至纳秒级的电力电子器件的开关过程，这样一个大时标跨度的系统，在数学上对应一个病态方程，会导致求解过程中出现数值稳定性问题；尤其是开关过程引起系统状态突变，在数值计算中带来：①由于算法不收敛引起计算终止；②由于数值积分方法的原因引起开关动作时刻的数值振荡；③在电力电子开关时刻状态变量会发生突变，而仿真结果却是通过在一系列求解网络方程实现的，假定电力电子器件开关时刻与求解网络方程的离散时刻不重合，可能导致较大的计算误差。为解决上述问题，试验中采取了如下措施：①通过在开关器件两端引入数字吸收回路，并适当调整计算步长来改善计算稳定性；②引入插值算法，利用采样频率高的FPGA卡（100MHz）实时捕捉采样间隔间的触发事件，正确获得开关门极触发脉冲信号，记录脉冲产生的时间及逻辑状态的改变，在模型计算过程中补偿，提高精度；有效消除由算法引起的振荡。

图11 HIL试验平台

电路参数同离线仿真，系统在步长取30μs，采用四阶龙格库塔解算器，经长时间的运行，没有出现数值不稳定的情况，试验波形如图12～14，横轴25ms/格，直流电压跟随阶跃给定响应迅速，稳态无脉动，交流电流为谐波含量很小的低畸变正弦波形，交流电流FFT如图15，THDi= 3.90%，输入电流和输入相电压相位几乎一样，实现了单位功率因数，中点电位波动很小，动态性能和稳态性能优良；硬件在回路半实物试验结果与理论分析和离线仿真相一致。验证了本文所建实时仿真模型的正确性，且控制策略行之有效。

图12 交流电流电压（16A/格，90V/格）

图13 直流母线电压（110V/格）

图14 VIENNA整流逆变中点电位（5V/格）

图15 交流电流FFT

7 结论

本文讨论了VIENNA整流器与三相二极管NPC三电平PWM整流器的联系和对比；并将其等效为串联双Boost拓扑相间解耦，采用单周控制，实现了低谐波，单位功率因数、动静态性能良好的可控整流。

最后搭建基于硬件在回路的半实物仿真实验装置，试验结果验证了控制策略的可行性和有效性。这种研究手段提高了效率，既可避免全数字仿真的太理想化缺陷，又避免了全物理实际装置试验不易抓住主要矛盾的不足，其结果有较高的参考价值，是新型电力电子技术试验研究的方向。

[1] 姬凯. 三电平PWM整流控制策略实时半实物仿真研究[D]. 武汉: 中国舰船研究院武汉船用电力推进装置研究所硕士学位论文,2009.

[2] KeyueM Semdley, Sloboan Cuk.One-cycle control of sw itching converters[J].IEEE Trans on Power Electronics,1995, 10(6) : 625-633.

[3] K.A. Corzine, E J.R. Baker,J. Yuen. .Reduced Parts-Count Multi-Level Rectifiers[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2001 IEEE:589-596.

[4] Chongm ing Qiao, Keyue M. Smedley. Three-phase Unity-Power-Factor VIENNA Rectifier with Unified Constant-frequency Integration Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2003,18(4):952-957.

[5] Chongming Qiao, Keyue Ma Smedley. A General Three-Phase PFC Controller for Rectifiers With a Series-Connected Dual-Boost Topology[J]. IEEE Trans. on Industry Applications, VOL. 38, NO.1, January/ February 2002:137-149.

[6] J. W. Kolar and F. C. Zach.A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high power telecommunications rectifiers Modules.IEEE Trans.Ind. Electron.,1997,44(8): 456-467.