基于矢量调制的维也纳整流器共模电压抑制研究

王智敏

(国网福建省电力公司 泉州供电公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

随着分布式能源快速发展，三相变换器由于具有低功率纹波以及直流侧较小的电容值而逐渐得到广泛应用。过去，两电平变换器是一种重要的接口选择。然而，随着功率以及规模的增加，两电平变换器开关损耗大以及滤波器体积大的缺点显现出来[1-3]。维也纳整流器具有谐波小和滤波器体积小等优点，成为分布式能源的重要选择。

然而，维也纳整流器共模电压大会损坏发电设备，如果不加以控制，会增加额外的损耗以及电流畸变。文献[4]提出的LMZVM方法(大矢量、中矢量以及小矢量调制)会有效地降低共模电压，因此被广泛应用到无隔离三电平逆变器中。但是目前还未有文献研究维也纳整流器的共模电压抑制。

而且维也纳整流器也三电平一样，都存在中点不平衡问题。

电容电压中点不平衡问题会增加开关器件的应力，减少电容的寿命。因此，研究维也纳整流器中点平衡具有重要的意义。正常情况下，维也纳整流器输出是平衡的，但是遇到干扰的时候，电容电压会发生中点不平衡问题，输入电流会产生二次和四次谐波。因此，文献[5]提出不连续调制方法，实现开关损耗减少和中点平衡控制。文献[6-7]提出空间矢量调制方法，通过改变矢量作用时间，实现中点平衡控制。文献[8]提出模型预测控制，实现了中点平衡控制。

但是目前针对维也纳整流器的共模电压抑制和中点平衡控制，还没有相关文献研究。

因此，本文综合考虑维也纳整流器的开关损耗以及中点平衡控制问题，提出一种矢量调制方法，正常情况下，采用LMZVM方法实现共模电压减少，当出现中点不平衡问题时，本文提出一种LMSVM方法实现中点电位平衡控制和共模电压抑制。

1 Vienna整流器共模电压抑制

维也纳整流器的拓扑结构如图1所示。

图1 维也纳整流器拓扑结构

系统包括三相电网电压、滤波器、维也纳整流器以及母线电容组成。维也纳整流器的输出接负载。

本文以维也纳整流器的负极为参考点，在三相静止坐标系下的数学等式为：

(1)

式中：ii—输入电流；ei—三相电网电压；unN—直流侧负极到电网中性点n点电压；uiN—维也纳整流器三相输入电压，i=a，b，c。

对式(1)进行d-q变换得到：

(2)

维也纳整流器的电网电压矢量、电流矢量和输入电压表示为：

(3)

其中：a=ej2/3π。

经过PI控制器后，系统将输出矢量送到矢量调制中。维也纳整流器根据幅值可以分成大矢量、中矢量、小矢量以及零矢量4个部分。包括：一个1零矢量，6个大矢量、6个中矢量以及12个小矢量。维也纳整流器矢量控制图如图2所示。

图2 维也纳整流器空间矢量图

共模电压的公式为：

(4)

因此能够得到维也纳整流器的开关状态和电压幅值如表1所示。

表1 维也纳整流器开关状态和电压幅值

当正常情况下，采用LMZVM的方法(如表1所示)，大矢量的共模电压为±Vdc/6，中矢量和零矢量的共模电压为0。LMZVM的矢量图如图3所示。假设矢量在I大区1小区时，开关次序如图4所示。

图4 在扇区1 LMZVM开关次序

2 维也纳整流器中点平衡控制研究

三电平存在中点不平衡问题，维也纳整流器也同样存在[9-10]。VIENNA整流器开关状态对中电电位影响VIENNA整流器开关状态对中电电位影响如图5所示。

图5 VIENNA整流器开关状态对中电电位影响

如图5(a)所示，当维也纳整流器的矢量为[POO]时，会减少上侧电容电压；同理，如图5(b)所示，当维也纳整流器的矢量为[OON]时，会减少上侧电容电压；当维也纳整流器为[OOO]和[PNN]，不会影响电容电压，如图5(c)、5(d)所示； 维也纳整流器的中矢量也影响中点平衡，可以通过改变小矢量作用时间实现对其控制，如图5(e)、5(f)所示。

在I大区，假设当下侧电容电压大于上侧电容电压时，需要选择N型矢量的作用时间，故本文选择[OON]作为调节中点平衡的矢量，如图6所示。

图6 在扇区1 LMSVM开关次序

同理，假设当上侧电容电压大于下侧电容电压时，需要选择P型矢量的作用时间，故本文选择[POO]作为调节中点平衡的矢量。

3 实验结果

为了验证所提出的共模电压抑制和中点平衡控制方法的正确性，本文搭建了一台10 kW维也纳整流器，实验参数如表2所示。

表2 实验参数

采用传统方法和本文提出LMSVM和LMZVM方法的实验对比波形如图(7～8)所示。

图7 采用传统算法的维也纳整流器共模电压波形

图8 采用本文提出算法的维也纳整流器共模电压波形

通过实验波形能够看出，采用传统方法，共模电压达到200 V。当采用本文算法以后，共模电压的峰值在70 V左右，共模电压得到了很好的抑制。

采用本文算法以后的维也纳整流器线电压和电流波形如图9所示。

图9 维也纳整流器线电压和电流波形

通过图9可以看出，线电压波形为五电平，输入电流波形质量良好。

采用本文算法后维也纳整流器电容电压实验波形如图10所示。通过波形能够看出，在250 ms的时候加入本文中点平衡控制算法，中点电位得到很好的控制。

图10 采用本文算法后不平衡到平衡的实验波形

4 结束语

维也纳整流器具有谐波小和滤波器体积小等优点得到广泛关注，但是维也纳整流器存在共模电压高和中点电位不平衡的问题。为此，本文针对维也纳整流器，首先提出LMZVM实现共模电压抑制，当存在中点不平衡问题时，提出LMSVM方法实现中点平衡控制。

本文提出方法能够同时实现共模电压抑制、中点平衡以及电流跟踪控制。实验验证了所提算法能够实现电流跟踪、共模电压抑制和中点平衡控制。

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