Vienna整流器电流畸变补偿策略研究

张小海 王珊珊 阮宜菁

摘 要：Vienna整流器存在电流过零点畸变问题，鉴于此，分析了其产生电流畸变的原因，提出可以在畸变区域更换参考矢量合成路径，并且计算出畸变区域的偏差角，最后采用零序分量注入法解决电流畸变问题，并基于实验验证了控制方法的可行性和有效性。

关键词：Vienna整流器;电流畸变;零序分量注入;空间矢量脉冲宽度调制

中图分类号：TM461  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）07-0072-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.020

0    引言

Vienna整流器具有谐波特性好、电压应力小、无开关死区问题等优点[1-2]，比较适用于能量单向流动的大功率场合，因此广泛应用于通信电源、电动汽车充电桩等领域[3-4]。

Vienna整流器中存在电流过零点畸变问题[5]，会增加并网电流谐波含量，从而造成额外的电磁干扰问题。文献[6]提出了两种改进的SVPWM策略，通过分析abc坐标系下电流和参考矢量的分布，从而对畸变区域内的矢量进行控制;文献[7]转换到dq坐标系下，将电流畸变转换为扰动量，并且提出了两种消除误差的闭环控制方法;文献[8]提出了一种变区间过零钳位调制方法，在SVPWM空间矢量图每次电流过零前后都进行钳位。但上述方法均存在实现较为复杂的问题。

为解决Vienna整流器中的电流过零点畸变问题，本文提出采用零序分量注入的补偿策略。首先分析了电流畸变的产生原因，然后在畸变区域注入合适的零序分量对并网电流波形进行补偿，最后通过实验验证了该方法能够较好地抑制电流畸变。

1    Vienna整流器电流畸变问题分析

Vienna整流器拓扑如图1所示，其中Sa、Sb、Sc为双向开关，ea、eb、ec为电网电压，ia、ib、ic为并网电流，Uc1、Uc2分别为电容电压。三相电网分别连接3个双向开关管并引至直流侧中点处，通过控制双向开关管的通断来调节电流大小。

Vienna整流器在运行时会出现电流畸变问题，这是拓扑中二极管的强制换流特性导致的，由于电感上的电压降，参考矢量和实际电网矢量之间会出现偏差角，而开关管只能起到导通和断开的作用，即开关管只能保证基本矢量组合中0和非0的存在，至于非0的状态到底是1（i>0）还是-1（i<0）都是由该相的电流流向决定的，是无法控制的，这将导致在电流过零换向时矢量合成错误，从而引起电流畸变问题。

由于Vienna整流器一般工作在单位功率因数状态，因此以单位功率运行工况进行分析，其矢量图如图2所示。

由矢量图可以发现，在单位功率运行时，电流is和参考矢量vref之间会存在偏差角，令该偏角差为θ，同样θ也为参考矢量与电网电压的偏差角。

通过三电平空间矢量图进行分析，当中矢量处于电流换向交界处，在一个周期内三相电流将经过6次换向。如图3所示，以第一扇区为例，当电流矢量is经过中矢量10-1后，b相电流由原先的ib<0变为ib>0，而此时vref所处的三角形区域内的基本矢量为0-1-1、00-1、10-1、100，合成路径为七段式的0-1-1→00-1→10-1→100→10-1→00-1→0-1-1，那么b相电流变化之后将无法正确输出0-1-1，转而替代它的是01-1，因此合成出现错误，电流畸变就产生了，一个周期内就会产生6次电流畸变。

2    Vienna整流器电流畸变抑制方法

基于上述分析可以得知，只需要在第一扇区畸变的区域重新设置基本矢量，也就是说，在b相电流过零发生换向时保持它一直导通，即可避免参考矢量合成错误。因此，可以在红色畸变区域选择采用五段式SVPWM，路径为000→100→10-1→100→000，可以发现，b相开关状态在此路径中始终为0，意味着开关一直导通，那么在剩余5个扇区中，每次电流换相时都可以使用这样的五段式SVPWM来避免电流畸变。因此，本文提出采用零序分量注入的方法来抑制电流畸变，整体控制框图如图4所示。其中，Vabc为传统控制产生的三相调制波[9]，Va′、Vb′、Vc′为经过注入零序分量V0后的三相调制波。

因此，首先需要计算畸變区域内的偏角差θ，如图5所示。

其中L是输入电感，r为输入电感的内阻，则θ角计算如下：

=ik∠0°（1）

代入阻抗表达式化简：

vk，ref∠θ=（ek-r·ik）-jωL·ik（2）

继续求解可得：

θ=tan-1

（3）

而内阻r通常可忽略不计，因此可以简写为：

θ=tan-1

（4）

同时，为了避免三电平SVPWM的复杂性，将五段式SVPWM等效为零序分量注入，所需注入的值与范围如表1所示。

3    实验验证

根据上述电流畸变抑制方法，搭建了Vienna整流器电路，并针对该控制方法进行实验验证，实验电路参数如表2所示。

图6和图7分别为不注入零序分量和注入零序分量下Vienna整流器并网电流波形及THD分析。

从图6和图7的对比中可以发现，在未加入V0时电流会在过零点处畸变，并网电流THD为3.12%，电流中存在较大的低次谐波;加入V0后电流明显改善，并网电流THD降为1.31%，低次谐波电流得到了较好抑制。对比实验验证了控制方法的有效性。

4    结语

本文针对Vienna整流器的电流过零畸变问题展开研究，提出采用一种零序分量注入的补偿策略，根据不同的畸变区域选择不同的注入零序分量。实验结果表明，该方法能够很好地解决电流过零点畸变问题，且实现简单，易于工程化应用。

[参考文献]

[1] 马辉，危伟，鄢圣阳，等.三相Vienna整流器无差拍预测直接功率控制策略研究[J].电机与控制学报，2020，24（1）：95-103.

[2] 刘森森，李宾，杭丽君，等.一種新型电网三相不平衡时VIENNA整流器的控制方法[J].中国电机工程学报，2012，32（21）：54-62.

[3] LEE J S，LEE K B，BLAABJERG F.Predictive control with discrete space-vector modulation of vienna rectifier for driving PMSG of wind turbine systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34（12）：12368-12383.

[4] LEE J S，LEE K B.Predictive control of vienna rectifiers for PMSG systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64（4）：2580-2591.

[5] LEE J S，LEE K B.A novel carrier-based PWM method for vienna rectifier with a variable power factor[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63（1）：3-12.

[6] XU H J，YAO W X，SHAO S.Improved SVPWM schemes for vienna rectifiers without current distortion[C]//2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE），2017：3410-3414.

[7] MIAO Z Y，TONG H，JIN X G，et al.DQ-Frame zero-

crossing effect modeling and current distortion compensation method for vienna rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2020，35（7）：7612-7623.

[8] 朱文杰.三相三电平VIENNA整流器的控制策略研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[9] 丁文龙.低成本充电系统高性能多端口Vienna整流器关键控制策略研究[D].济南：山东大学，2019.

收稿日期：2022-02-14

作者简介：张小海（1981—），男，浙江台州人，博士，工程师，研究方向：舰船机电工程。