基于三电平SVPWM调制的Vienna整流器中点电压均衡控制

肖梁乐，陈昌松，王 涛，段善旭

（华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉430074）

基于三电平SVPWM调制的Vienna整流器中点电压均衡控制

肖梁乐，陈昌松，王 涛，段善旭

（华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉430074）

Vienna整流器的中点电压振荡问题会造成直流侧电容电压分布不均，导致交流侧输入电流波形畸变，开关器件承受电压不一致而损坏等问题。针对Vienna整流器中点电压不平衡的问题，研究了三电平空间矢量调制对Vienna整流器中点电压产生的影响。首先介绍了Vienna整流器的工作原理，然后分析了空间矢量对中点电压的影响，并基于SVPWM调制提出了一种中点电压波动的抑制策略。最后，搭建了15 kW实验样机，验证了所提控制策略的有效性，解决了中点电压不平衡的问题，明显改善了输入电流波形质量。

Vienna整流器；中点电压不平衡；三电平空间矢量调制

Abstract：The neutral-point voltage imbalance of the Vienna rectifier will cause the capacitor voltage distribution imbalance in DC side,which leads to the ac input current waveform distortion and inconsistent stress of switching devices and so on.In view of the Vienna rectifier neutral-point voltage imbalance,this paper studied the impact of threelevel space vector modulation for the neutral-point voltage of Vienna rectifier.Firstly,the working principle of the rectifier is analyzed,and mathematical model is established under dq reference frame.And then,according to the impact of positive and negative small voltage vectors on neutral-point voltage,a neutral-point voltage fluctuation suppression strategy is proposed.In the end,the effectiveness of the proposed strategy is verified on the laboratory prototype.This strategy solves the problem of the neutral-point voltage imbalance,and greatly improves the quality of input current waveform.

Keywords:Vienna rectifier;neutral-point voltage imbalance;three-level space vector pulse width modulation（SPWM）

电动汽车因其具有零排放、低噪声、高能效等优点，使用越来越广泛[1-4]。电动汽车充电设施是电动汽车的重要组成部分，其本质是一个由交流到直流的变换器。三相Vienna整流器因其具有功率因数高、功率密度高、性能好等一系列优点[5-9]，在电动汽车充电桩中得到广泛的应用。然而对于三电平逆变器或整流器，都存在直流侧电容中点电位偏移的问题[10-14]。中点电压偏移会造成直流侧电容电压分布不均，导致交流侧电流THD增大，开关器件受压不一致等一系列问题。针对这个问题，国内外很多学者进行了相关研究，提出了一些有效解决中点电压不平衡的办法。通过采取控制策略的方式来解决此问题方法主要有两种：一是基于载波脉宽调制的方法[14]，二是基于空间矢量脉宽调制[15]。

基于载波脉宽调制法是通过在三相桥臂电压的开关函数中引入零序分量来抑制3次脉动电流信号，从而间接消除直流侧中点电压的波动。同时零序电压的引入又不会改变交流侧实际输出的三相线电压波形。零序分量的引入，改变了开关管实际的导通和关断时间，从而实现对注入中点电压的电流的控制。零序分量的引入措施包括3次谐波注入法，此方法虽能有效解决中点电压不平衡的问题，但是同时会附带注入高次3倍频谐波，造成输入电流的高次扰动。因此在此基础上，提出改进的零序分量注入法来实现中点电压的完全平衡，同时采用双载波PWM调制策略和单周期控制策略，控制方法简单，动态响应快，但是对采样电流和电压的精度要求很高，同时对复位积分器的速度要求也较高。文献[14]在dq坐标系下建立了基于载波脉宽调制的带有中点电压平衡控制策略的数学模型，在注入3次谐波的基础上加入了电压闭环控制。然而，基于载波调制的方法都是在正弦分量的基础上注入零序分量，即零序分量的注入会影响调制波过零点的位置，将导致输入电流过零附近出现畸变。

空间矢量调制相比于载波调制虽然计算过程复杂，但是可以利用三电平空间矢量中成对冗余小矢量调节灵活的调节中点电压平衡。针对Vienna整流器中点电压不平衡的问题，本文研究了三电平空间矢量调制对Vienna整流器中点电压产生的影响。首先介绍了Vienna整流器的工作原理的数学建模，然后分析了空间矢量对中点电压的影响，并基于空间矢量调制SVPWM（space vector pulse width modulation）调制提出了一种中点电压波动的抑制策略。最后，搭建了15 kW实验样机验证了所提控制策略的有效性，解决了中点电压不平衡的问题，明显改善了输入电流波形质量。

1 Vienna整流器工作原理

1.1 工作原理分析

三相三线制 Vienna整流电路拓扑如图 1所示，电路由3个交流滤波电感、3组双向开关、6个整流二极管和正、负母线电容构成，其中每组双向开关由2个反串联的MOSFET组成。通过控制开关管的导通与关断，达到调节输入电流的波形与输出电压的大小的目的。假设所有开关器件均为理想器件，vA、vB、vC为三相输入电网电压，iA、iB、iC为三相输入电流，L为三相输入电感，C0为直流侧两个容值相等的滤波电容，它们的电压分别为vC1和vC2，io为输出负载电流，R为等效负载电阻，Vdc为直流输出电压，ineu为中点电流。

图1 三相三线制维也纳整流电路拓扑Fig.1 Three-phase/wire Vienna rectifier circuit topology

当双向开关导通时，整流电路输入端口（A,B, C）与直流侧电容中点（M）相连；当双向开关关断时，整流电路输入端口连接状态与输入电流方向有关，若输入电流大于0，输入端口与直流侧输出上电容正极相连；若电流小于0，输入端口与直流输出下电容负极相连。在三相三线制系统中，假设三相输入电压平衡，则三相交流输入电流之和为0，故Vienna整流电路中三相电流状态共有6种，其电流波形如图2所示，电流极性如表1所示。

图2 三相电流波形Fig.2 Three-phase current waveform

由图2可知，三相电流波形可分为6个扇区，每个扇区间隔60°，每个扇区内控制开关管导通与关断，分别可达到23种不同输出状态。在不同开关状态下，直流侧电容不断充电储能和放电供能，整流器交流侧输入端电压分别会有3种电位：Vdc/2、0和-Vdc/2存在。

表1 三相输入电流极性分布Tab.1 Polarity distribution of three-phase input current

2 空间矢量调制原理

2.1 Vienna整流器的空间矢量分布

由于Vienna整流器不存在二极管D1、D3、D5或D2、D4、D6同时导通的工作状态，故Vienna整流器共有25种可能的电位状态组合，包括1个零状态（000）和24个为非零状态。图3给出了19个基本空间电压矢量的分布，整个空间电压矢量可分为6个大小相等的等边三角形扇区I~VI，每个扇区可分为4个大小相等的小等边三角形区域，因此一共有24个小三角形区域，编号为1~24。

图3 基本电压矢量分布Fig.3 Basic voltage vector distribution

根据电压矢量幅值的不同，电压矢量可分为如下4种。

2.2 电压矢量对中点电压的影响

建立的中点电位小信号模型如图4所示，以中点电压平衡时的中点电位Vmid为电压参考点，正直流母线的电压为Vp，负直流母线的电压为Vn。流过上下两个电容的电流分别为iC1和iC2，则有

由基尔霍夫电流定律，可以得到

式中，Δv为正、负母线电压差，Δv=vC2－vC1。则中点电压Vmid的表达式为

图4 中点电位小信号模型Fig.4 Small signal model of neutral voltage

当中点电流为0时，Δv为0，则Vmid=0，中点电压波动为0，此时中点电压处于平衡状态。当中点电流不为0时，Δv不为0，即Vmid≠0，中点电压产生波动，此时中点电压处于不平衡状态。从物理上解释，电容是一种储能元件，当中线上有电流流入或流出直流侧电容时，将引起上下电容存储电荷的变化，进而引起中点电位的变化。因此，中点电流的有无将导致中点电位是否发生波动。

Vienna整流器的基本电压矢量一共分为5种：零矢量、正小矢量、负小矢量、中矢量以及大矢量，各矢量对应的拓扑如图5所示。以扇区I为例分析各个电压矢量对中点电压的影响。

图5 各电压矢量对应的拓扑Fig.5 Corresponding circuit topologies of voltage vectors

由以上分析可知，正小矢量和负小矢量对中点电位产生的作用正好相反。同理可分析其余5个扇区的各基本电压矢量对中点电位的影响，结论如下①零矢量和大矢量由于不存在流经直流侧中点的电流，即ineu=0，故这两种矢量对中点电位波动无影响；②中矢量存在一相输入电流流经直流侧中点，即ineu≠0，但此时中线电流方向不确定，故将导致中点电位波动，但是不存在冗余状态，因此为不可控量；③小矢量中的正负小矢量对中点电位输入大小相等方向相反的中点电流，故小矢量将导致中点电位波动，并且可通过调节正负小矢量的作用时间，使每一开关周期中中线上的电流平均值为0，或使中点电流注入中点的电荷能抵消中点处原有的电荷，来达到消除或减缓中点电位不平衡的目的。

3 中点电压不平衡抑制策略

在Vienna整流器中，中矢量不存在冗余电位状态，其对中点电压的影响是不可控的，一般把中矢量当作扰动量来处理；小矢量存在冗余电位状态，冗余电位状态能得到相同的基本电压矢量和相反的中点电流，因此小矢量对中点电压的作用正好相反。本文所提控制策略中，通过对正负小矢量作用时间的调节来达到补偿中点电压波动的目的。

对于中点电压波动的抑制，目标为控制Vmid等于0。由于正小矢量增加中点电压，负小矢量降低中点电压，将小矢量作用的时间tsmall分配为正小矢量作用时间tsmall+和负小矢量作用时间tsmall－，则有

式中，Δt为时间增量，－1≤Δt≤1。根据采样得到的直流侧电容电压vC1和vC2来调整式（4）中的时间增量Δt，从而使得中点电压偏移最小。当正母线电压vC1大于负母线电压vC2时，Vmid＜0，中点电压减小，则调节Δt＞0，使正小矢量作用时间增加，负小矢量作用时间减小，从而使中点电压增大。当正母线电压vC1小于负母线电压vC2时，Vmid＞0，中点电压增大，则调节Δt＜0，使正小矢量作用时间减小，负小矢量作用时间增大，从而达到中点电压减小。

4 实验分析

本文在1台Vienna整流器样机上进行实验。Vienna整流器的样机主要包括输入EMI模块、采样电路、驱动电路、控制电路、主功率模块以及辅电部分组成。控制电路采用的 DSP为 TI公司的TMS320F28069，控制频率20 kHz。本实验主电路拓扑Vienna整流器控制框图如图6所示。其中，图6（a）为基于SVPWM调制的三相Vienna整流器的控制框图，在此基础上加入中点电压波动抑制的控制环，其控制框图如图6（b）所示。

图6 Vienna整流器控制框图Fig.6 Control block diagram of Vienna rectifier

各实验参数如表2所示，其中输入由三相电网经过调压器供电，输出负载为电阻箱。

表2 实验参数Tab.2 Parameters of experiment

4.1 正常工况

基于图6（a）的控制框图，在Vienna整流器的样机上进行实验，正负母线接负载，中点未接出。平衡负载时的实验波形如图7所示。从图（a）可知，输入电流为正弦波，直流侧电容电压vC1与vC2相等，均为200 V，为输出电压Vdc的一半，中点电压平衡；由图（b）A相输入电流THD分析可知，基波电流峰值为12.77 A，THD为2.49%，电流波形质量较高。

图7 平衡负载时的Vienna整流器的实验波形Fig.7 Experimental waveforms of Vienna rectifier under balance loads

图8 不平衡负载时Vienna整流器的实验波形Fig.8 Experimental waveforms of Vienna rectifier under imbalance loads

图9 不平衡负载时均衡控制策略切换前后的实验波形Fig.9 Experimental waveforms of Vienna rectifier under imbalance loads before and after balanced control strategy

4.2 负载不平衡时实验

采用图6（a）所示的控制策略，在样机上进行实验，中点接出，正负母线分别接不相同负载。采用的不平衡负载R1为60 Ω，R2为35 Ω。理论计算可知，vC1为252.6 V，vC2为147.4 V。负载不平衡时的实验波形如图8所示，从图8（a）中可知，vC1为250 V，vC2为155 V，两者压差为95 V，符合理论计算。此时中点电压不再平衡，且输入电流发生了严重畸变。由图8（b）A相的输入电流FFT分析可知，THD为24.51%，远大于5%，将造成电网电压畸变，不满足接入电网的要求。

4.3 负载不平衡时均衡控制实验

为了改善负载不平衡时中点电压波动和输入电流波形质量，采用图6（b）所示的控制策略，图9为不平衡负载时均衡控制策略切换前后的实验波形。由图9（a）可知，在切换点采用均衡控制之后直流侧电压vC1与vC2相等，且均为输出电压Vdc的一半，经过20 ms后，中点电压重新平衡，输入电流波形明显改善。对切换后的输入电流进行FFT分析，对比图9（b）和图8（b）可知，THD大大减小，减至3.5%，由此验证了采用均衡控制策略能改善中点电压波动以及输入电流波形。

5 结语

本文介绍了Vienna整流器的工作原理，分析了各个空间矢量对中点电压的影响，并基于SVPWM调制提出了一种中点电压波动的抑制策略，该方法通过闭环调节分配冗余正、负小矢量的作用时间来调节中点电压平衡。并搭建了15 kW的实验样机验证中点平衡策略的有效性。试验结果表明，在Vienna整流器正、负母线分别接不同负载时，加入本文所提控制策略可以有效的平衡正负母线电压，有效的抑制输入电流谐波。

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Neutral-point Voltage Balancing Control of Vienna Rectifier Based on Three-level Space Vector Pulse Width Modulation

XIAO Liangle,CHEN Changsong,WANG Tao,DUAN Shanxu
（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

肖梁乐

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.80

TM46

A

2017-05-29；

2017-07-20

国家自然科学基金资助项目（51477067）；光宝电力电子技术科研基金资助项目（PRC20161047）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51477067）;Lite-On Power Electronics Technology Research Fund（PRC20161047）

肖梁乐（1992-），女，硕士研究生，研究方向：高功率密度整流器，E-mail：12746 33871@qq.com。

陈昌松（1977-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：新能源发电和微电网能量管理，E-mail：ccsfm@hust.edu.cn。

王涛（1993-），男，硕士研究生，研究方向：三电平变换器，E-mail：wangtao9312 @163.com。

段善旭（1970-），男，中国电源学会会员，博士，教授，研究方向：新能源发电及电能质量控制，E-mail:duanshanxu@hust. edu.cn