全数字锁相的高功率因素三相三线Vienna整流电路研究

胡国珍,马学军,罗 坤,方支剑

(1湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003;2武汉大学 电气工程学院,湖北 武汉 430072)

全数字锁相的高功率因素三相三线Vienna整流电路研究

胡国珍1,2,马学军1*,罗 坤1,方支剑2

(1湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003;2武汉大学 电气工程学院,湖北 武汉 430072)

三相三线维也纳(Vienna)整流电路是一个强耦合、非线性的复杂系统，其工作状态组合多且控制系统复杂。介绍了Vienna整流装置拓扑结构和工作特点，分析了其工作原理;为实现高功率因素校正，引入了全数字锁相技术(DPLL)，同时建立了Vienna整流电路三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系的数学模型，设计了解耦控制双闭环控制策略；最后，搭建了三相三线Vienna整流电路仿真模型，验证了基于全数字锁相技术的解耦控制算法的可行性。

维也纳整流;全数字锁相;双闭环控制;功率因素

维也纳(Vienna)整流电路是J.W.Kolar提出的一种三相三电平的拓扑，该电路具有较高的可靠性，在工业界和学术界得到了广泛的研究与应用[1-4]。Vienna整流电路不仅能够使交流侧输入电流正弦化，实现单位功率因数校正，还具有以下几个优点：①电路中全控开关器件少，在整个电路中只需要3个全控开关管;②开关管电压应力小，承受的电压应力为直流母线电压的一半；③电路不会存在直通的情况，安全性高；④电路为升压型模式，可提供较高输出直流电压。

Vienna整流电路设计中的一个重要环节是锁相环，锁相精度决定了系统功率因素校正水平。常规硬件过零检测对谐波识别能力较差，低次或高次谐波中出现的多个过零点容易造成鉴相失败[5]。采用离散傅里叶变换进行软件基波鉴相的数字锁相抗干扰性强，具有较好的稳态和动态调节能力[6-7]，用于Vienna整流电路能较好地提高系统性能和功率因素校正水平。

本文首先介绍了三相三线维也纳整流电路的基本工作原理，为实现高功率因素，采用了离散傅里叶变换的全数字锁相方法，在此基础上进一步给出了解耦控制的双闭环控制策略，最后搭建了仿真模型进行了验证。

1 三相三线Vienna整流电路的工作原理

三相三线Vienna整流电路拓扑如图1所示，维也纳整流电路由3个升压电感、3组双向功率开关管、6个整流二极管和2个电解电容构成。每组双向功率开关管由4个整流二极管和1个开关管组成。由于维也纳整流电路本质上是一个三电平整流电路，开关器件承受的电压应力小，因此可选用低压高开关频率的开关器件，降低电路对滤波器件的需求，从而降低电路损耗、提高系统功率密度。三相三线Vienna整流电路的拓扑与三相四线Vienna整流电路拓扑的区别在于，三相三线Vienna整流电路的交流电源的中线N没有与电容的中性点O连接在一起[8-9]。

分析三相三线Vienna整流电路的工作原理时需考虑三相电源Ea、Eb、Ec的正负工作区间情况。三相电源的工作区间划分图如图2所示，在三相电源的一个周期内可以将电源的工作周期分成6个工作区。

Vienna整流电路工作状态复杂，工作过程主要由工作区间和开关管的开关状态决定，为方便分析，开关状态可以定义为：

每个开关管的开关工作状态有2种，因此在每个工作区间开关管的开关工作状态有8种，对应SaSbSc分别为000，001，010，011，100，101，110，111。本研究选择第I区的工作状态来分析，8种工作状态分别如图3(a)～(h)所示，图3中箭头方向为电流流向。同理，第II～VI区的工作状态可以根据第I区的工作状态分析得出。

2 基于DPLL的双环控制策略

2.1 全数字锁相(DPLL)

为了能够使交流侧输入电流正弦化，实现单位功率因数校正，必须保证输入电压和输入电流保持相同的相位，因此控制策略里一个关键环节是锁相环的设计。本研究采用离散傅里叶变换鉴相的全数字锁相(DPLL)方法，该锁相环是基于基波周期的鉴相和调节，能提高锁相精度和抗干扰水平。

DPLL锁相原理图如图4所示，2路正交信号表达式如下：

(1)

(2)

设电网Vgrid=Vsinωt，电网相位:

θ=ωt+△θ

(3)

△θ为锁相结果与电网相位之间的误差，当△θ=0时则表示锁相完成。设载波比为N，由反正切鉴相得到相位误差可表示为：

(4)

基于DSP实现，每个周期根据ERR值作为锁相环PI的输入，根据PI输出调整一次EPWM模块的TBPRD值，从而改变系统输出频率，实现输入电流跟踪输入电压相位。

2.2 双环控制策略

由图1三相三线制Vienna电路拓扑可得Vienna电路交流侧电压平衡方程如式(5)，考虑到制作工艺的一致性，为简化分析假设La=Lb=Lc=L,Ra=Rb=Rc=R。

(5)

根据坐标变换原理，可得三相Vienna 整流器在dq坐标系模型下的电流方程组如式(6)。

(6)

由式(6)可知dq轴电流变量存在相互耦合问题，控制器设计复杂，引入前馈解耦策略[10-12]，电流内环采用PI控制，得出三相三线Vienna整流电路在两相旋转dq坐标系下的数学模型如式(7)。

(7)

为了实现交流侧输入电流的正弦化，同时稳定输出电压，基于以上解耦模型，设计了双闭环矢量控制策略，系统矢量控制框图如图5所示。

图5控制系统是由输出端直流电压外环和电流内环构成的。直流电压外环的作用是控制输出电压，引入PI调节器则可以实现输出直流电压的无静差控制。如式(8)，电压外环的PI调节器的输出作为电流内环的有功参考电流id*，无功参考电流iq*则根据系统无功功率的大小来设定的，实现单位功率因数校正则要求iq*=0。

(8)

电流内环控制采用dq坐标系解耦控制，检测交流侧的输入电流ia、ib、ic，经abc/dq坐标变换后得到dq坐标系中直流量id、iq，将id、iq与参考量id*、iq*进行比较，根据式(7)采用PI调节器实现对id、iq的无静差控制。内环电流PI调节器输出信号再经过dq/abc的逆变换，得到参考控制信号ua、ub、uc，将该参考信号经过空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到3路驱动控制信号，通过对双向开关管的控制，改变整流电路输入端口电压，从而调控输出直流电压，并改善输入电流波形质量。

3 仿真分析

3.1 仿真参数

通过Matlab/Simulink模块搭建了三相三线VIENNA系统仿真模型，该模型由三相交流输入电源、功率变换电路、锁相环、坐标系变换、控制模块等组成，仿真模型参数见表1。

表1 仿真模型参数

3.2 锁相(DPLL)仿真

1)电网谐波仿真(5.4%的二次谐波，10%的三次谐波)。电网存在谐波情况下锁相波形如图6所示。

2)电网频率偏移仿真(设电网频率为50.5 Hz)。电网存在频率偏移情况下锁相波形如图7所示。

从图6、图7仿真结果可看出，在电网存在谐波畸变和频率偏移的情况下，锁相误差△θ能快速收敛，该锁相算法能较好地实现锁相功能。

3.3 Vienna电路仿真

Vienna整流电路经过解耦双闭环控制后三相交流侧输入电流仿真波形如图8所示。从图8中可以看出0.01 s之前为系统启动阶段，0.01～0.02 s为系统控制调节阶段，0.02 s后系统稳定运行，输入电流正弦度较高。

Vienna整流电路直流电压输出波形如图9所示。从图9中可以看出系统的超调量为11.56%，系统在0.4 s后运行稳定，输出电压的纹波较小。系统输出电压值达到了预期的设定值，获得了较好的输出控制效果。

4 结束语

三相Vienna整流电路拓扑和控制比较复杂，本研究从电路拓扑结构入手，分析了其工作方式；为了减小对电网谐波干扰，实现高功率因素，引入了全数字锁相方式实现了对电网相位的较好跟踪。通过对三相三线Vienna电路建模，设计了解耦控制的双闭环控制策略，最后通过仿真进行分析和验证，仿真结果表明系统具有较好的稳态和动态性能。

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(责任编辑 吴鸿霞)

Research on Three Phase Three Wire Vienna Rectifier Circuit with Digital Phase Locked Loop

HuGuozhen1,2,MaXuejun1*,LuoKun1,FangZhijian2

(1School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072)

Three phase three wire Vienna rectifier circuit is a strong coupling,nonlinear complex system,and its working state combination and control system is complex.This paper introduced Vienna rectifier topology structure and characteristics,analyzed the working principle.In order to achieve unity power factor, digital phase lock technique was introduced in this paper.And based on three-phase static coordinate and two-phase synchronous rotating coordinate mathematical model,strategy of double closed loop control strategy was designed.The simulation model of three-phase three wire Vienna rectifier circuit is set up,and the simulation results verify the feasibility of the system working principle and control algorithm.

Vienna rectifier;digital phase locked;double closed loop control strategy;power factor correction

2017-02-01

中国博士后科学基金第59批面上资助项目(项目编号：168154)；湖北省自然科学基金面上项目(项目编号：2016CFB516)。

胡国珍，副教授，博士，研究方向：电力电子能量变换技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.002

TM711

A

2095-4565(2017)02-0005-05

*通讯作者：马学军，教授，博士，研究方向：大功率变换器拓扑结构及其控制技术。