Vienna整流器中点电位平衡的研究 .pdf-资料库

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Vienna 整流器中点电位平衡的研究马朋朋，童兆平，杨威，杨世彦** （哈尔滨工业大学电气工程学院，哈尔滨 150000） 5 摘要：Vienna 整流器具有功率因数高、器件电压应力小等优点，但存在中点电位波动问题，这对系统正常工作有很大影响。本文针对这一问题，通过对三路相占空比信号进行分析，改变零序矢量作用时间比，进而改变输出侧中点电位，从而有效的控制中点电位波动。最后，进行仿真验证。关键词：电力电子；Vienna 整流器；SVPWM；中点电位；中图分类号：TM461 10 Research of Neutral Voltage Balance for Vienna Rectifier 15 (School of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150000) MA Pengpeng, TONG Zhaoping, YANG Wei, YANG Shiyan Abstract: IVienna rectifier has many advantages such as high power factor, simple circuit structure, low voltage stress of power device.But due to the neutral voltage fluctuation problem, this will affect the system to work normally.Based on the working process of the Vienna rectifier in neutral voltage fluctuation problem, this paper analysis of the three phase duty ratio signals so as to effectively control the neutral voltage fluctuations by changing the zero sequence vector function than time, neutral point and change the output side.Finally,this paper built the simulation model for validation. Key words: Power electrical; Vienna rectifier; SVPWM; Neutral Voltage; 20 25 0 引言 Vienna 整流器自 1997 年由 Kolar 教授提出后，一直受到很多人的关注[1]。Vienna 整流器相对于传统两电平整流器而言，具有以下特点：由于电平数的增加，降低了功率器件的电压应力和电流的谐波畸变率；在功率开关管导通和关断期间，不存在桥臂直通的危险；由于增加了电平数，就存在中点电位波动问题，中点电位的波动不仅会影响系统正常工作，还会 30 引起器件的承受电压不均，致使某些器件已承受电压过高导致烧坏，进而导致整个变换器损坏。因此，对于中点电位平衡的研究就显得尤为重要。针对这一问题，目前国内外文献只给出了一些简单的中点电位控制的算法[2-4]。 1 Vienna 整流器工作模态图 1 中给出了本文所研究的 Vienna 整流器的电路原理图。主电路主要包括：主二极管 35 桥（六个功率二极管）、三个双向开关（六个开关管组成）、三个升压电感和两个输出电容。本文针对 Vienna 整流器工作过程中出现的中点电位波动问题，对三路相占空比信号进行分析，通过改变冗余矢量作用时间比，进而改变输出侧中点点位，从而有效地控制中点电位波动，并搭建了仿真模型， Vienna 整流器作为一种三电平变换器，有 25 个有效的工作状态，这 25 个空间矢量在坐标系下的分布如图 2 所示。每个工作状态对应一个空间矢量状态，用下式表示[4]： 40 作者简介：马朋朋（1989-），男，硕士研究生，电力电子与电力传动通信联系人：杨威（1978-），男，副教授，特种电源变换技术及应用. E-mail: yangv@hit.edu.cn (1) - 1 - abc[ ]abcabcSSSS

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1 Vienna 整流器原理图在本文中，开关函数取值为，代表每相相对输出侧中性点的单位 45 电压，而不是相应开关管的状态。总共有 27 个空间矢量，包含两个无效状态。 a) 空间矢量在坐标系下的分布 b) 输入电流位于扇区 I 的情况图 2 Vienna 整流器空间矢量 Vienna 整流器的约束条件为：每相相对输出侧中性点的电压在输出侧中性点和直流侧 50 正负母线之间转换，极性依赖于输入电流。也就是说：当开关管关断时，若时为，若时为；当开关管导通时为 0。因此，我们可以根据输入电流极性（输入电压和输入电流同相）将整个矢量区域划分六个扇区{I,II,…,VI}，有效的六个矢量组成六边形区域。值得注意的是，由于电流极性的限制，对于两种冗余矢量，只有两种实现中的一种对形成六边形是有效的。例如图 2（b）所示，扇区 I 的[0 -1 0]和[0 0 -1]。 55 2 基于载波的空间矢量调制对于 Vienna 整流器而言，以扇区 I 为例，当 A 相电压大于零，B、C 相电压小于零时，当电流矢量如图 2（b）所示时，对于 SVPWM 调制或者 SPWM 调制来说，在一个开关周期开关状态的序列为[5-7]： 60 Vienna 整流器的伏秒平衡关系可以表述为[5] (2) (3) 其中分别对应的作用时间；是由两个矢量组成分别是和（图 2 中分别对应于[+1 0 0]和[0 -1 -1]），作用时间可分别用表示。这两个矢量对于整流器的作用效果可以用下面的工作模态表示： - 2 - LRaLbLcLaubucu1D5D3D2D6D4D1C2C12T34T56T(,,)xSxabc-101、、[-1 +1 -1][0 +1 -1][+1 +1 -1][-1 +1 0][+1 0 -1][-1 +1 +1][-1 0 +1][+1 -1 0][+1 -1 -1][+1 -1 +1][0 -1 +1][-1 -1 +1][+1 +1 0][0 0 -1][0 +1 0][-1 0 -1][0 +1 +1][-1 0 0][0 -1 -1][+1 0 0][0 0 0][0 0 +1][-1 -1 0][0 -1 0][+1 0 +1][+1 0 -1][+1 -1 0][+1 -1 -1] [0 0 -1][0 -1 -1][+1 0 0][0 0 0][0 -1 0]IIIIIIIVVVIiabci0ipv0inv+zzijzjizvvvvvvvv*2szziijjrefTTvTvTvvzijTTT、、zijvvv、、zv+zvzv+zzTT、

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 65 开关状态为[+1 0 0]的情况开关状态为[0 -1 -1]的情况图 3 工作模态从图 3 中可以看出和对于输出侧总电压的作用是相同的，但对于输出侧上下母线电压的作用是相反的，因此我们可以通过改变和的作用时间比来改变输出侧中点 70 点位，进而控制输出侧中点电位波动问题。 a) b)由双载波变成单载波 c) 图 4 调制比小于 0.876 时载波生产成方式 2.1 调制比小于 0.876 的情况 75 对于 Vienna 整流器经 SVPWM 调制或者 SPWM 调制得到三相相占空比{ 、、 } 后，如果出现图 4（a）中所示的时，对于这个问题的解决办法是转换占空比{ 、、 }由双载波到单载波中，如图 4（b）。通过简单运算可以得到修正的占空比{ 、、 } 80 式中，函数取与自变量最接近的小于等于自变量的整数。经计算后新的占空比在图 4（c）中显示，未经修正的占空比在图 4（a）所示。很明显和是、、中的最大值和最小值，这样我们增加一个修正因子使得： (4) 85 这时令，就可以得到： (5) (6) (7) - 3 - +zvzv+zvzvadbdcd11aSbScSazdbzdczdabc11aSbScSzTzTzTzTzTzTmaxmedminabc11aSbScS+zzTT+=zzTTadbdcd+zzTTadbdcdabb()xxxdfloord,,xabc()floormaxminabbzdmax1zzTdmax1zzTd+zzTTmaxmin11()22zd

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 然而这个表达式的适用范围仅在零序矢量和的导通时间相等的时候以及不考虑中性点电压平衡问题的时候。当我们需要自由分配零序矢量和作用时间时。引入零序矢量和的导通时 90 间分配比例因子，零序矢量作用时间和将式（5）和式（6）带入式（8）中可以得到 Vienna 整流器和三电平整流器零序占空比 (8) 增量的最终表达式 (9) 95 a) b) 图 5 调制比大于 0.876 时载波生产成方式 2.2 调制比大于 0.876 的情况式（9）所定义的零序占空比只适用于调制比小于 0.867，对于更高的调制度，在被放大 100 之后相占空比的幅值将会超过 1，如图 5 所示[8]。这就导致了{ 、、 }会超出载波信号范围。图 5（a）给出了当的特殊情况，这表明使用公式（9）就会造成错误的结果，和不能由、和中的最大值和最小值确定（将变成而不是）。这一问题的解决办法是使零序矢量作用时间和相占空比增加后相等，这样每个定义的量都在双载波范围内。图 5（b）中和由下式决定 105 再由式（4）将和消除后得到 (10) (11) (12) (13) 110 当 M>0.867，也就是，时，零序列占空比生成器可以最终由式（12）、式（13）和式（8）整理后得到 (14) - 4 - zvzvzvzvzvzvkzTzT(1)zzkTkTmaxminmin(1)zdkmaxdmeddmindadbdcd11zTzTaSbScSazddbzddczdd11zTzTaSbScS+zzTT+=zzTT2/3adbdcd1admaxminadbdcdaminmaxzdzTzTmax1zzTddmin1zzTddmaxdmindminzzTdminmax1zzTd1xd,,xabcminmaxminmax(12)1zdk

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 对于，的情况，导通时间也可相应的得出 115 同样的可以得出 (15) (16) (17) 得到上述结论是在假设电流纹波足够小以至于在开关周期内极性不变的基础上的。尽管如果输入电感设计的合理，这种假设一般情况下都成立，但是在电流过零点或者低负载下仍会产生小的误差。这种情况下的误差可以忽略不计[7-9]。 120 3 仿真分析 VIENNA 为了验证理论分析的可行性和正确性，本文使用 MATLAB/Simulink 搭建了仿真模型，进行验证。仿真参数如下：额定输入电压 380V，输入电压频率为 50Hz，额定输出电压为 650V，额定负载为 40 ，额定功率为 10kW，开关频率为 100kHz，采用 SVPWM 125 控制方式。图 6（a）中给出了 Vienna 整流器在额定负载下的电流 THD，为 2.45%，远低于一般要求的 5%，谐波含量低。图 6（b）给出了在额定负载下的电流和电压波形，从图中可以看出电压和电流同相位，且电流波形比较平滑。图 7（a）中给出了在比例系数 k 取 0.5 时，的关系，图 7（b）中给出了比例系数 k 取 0.75 时，的关系。 130 a) 稳态时 THD 分析 b) 稳态时输入电压、电流波形图 6 Vienna 整流器稳态仿真 a) 比例系数 k 取 0.5 时 b) 比例系数 k 取 0.75 时 135 图 7 的关系 - 5 - 1xd,,xabcminmax1zzTdmax1zzTdminmaxmax(22)1zdkSVMaazddd、、SVMaazddd、、0200400600800100000.10.20.30.4Frequency (Hz)Fundamental (50Hz) = 23.24 , THD= 2.45%Mag (% of Fundamental)-40-20020400.20.2050.210.2150.220.2250.230.2350.24-2000200AiAu-1-0.500.510.1750.180.1850.190.195-0.500.5zdadSVMad-1-0.500.510.1750.180.1850.190.195-1-0.500.5zdadSVMadSVMaazddd、、

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn a) 输入电流和输出电压波形 b) 输出侧上下母线电压波形图 8 Vienna 整流器半载到满载的动态过程图 8 中给出了系统在半载到满载的动态过程，图 8（a）中可以看出：在 T=0.24s 之前系 140 统在半载下工作，输出电流峰峰值 12.62A，输出电压为 650V，在 T=0.24s 时突加负载，在经过大概两个工频周期后，电流波形趋于稳定，输出电压压降近 30V，满足正常工作要求。图 8（b）中给出了输出侧上下母线的电压波形，可以看出上下母线均压效果很好。 4 结论通过上述分析可以看出：通过改变零序矢量的作用时间比 k，可以实现输出侧上线母线 145 电容充电时间的自由控制，进而能够有效的控制输出侧中点电位波动。从仿真结果可以看出： Vienna 整流器中点电位的控制效果具有较好的稳态性能和动态性能。因此，采用上述方法可以简单而有效地实现中点电位控制。 [参考文献] (References) 150 155 160 [1] Kolar J, Zach F. A Novel There-phase Utility Interface Minimizing Line Current Harmonics of High-power Telecommunications Rectifier Modules[J]. IEEE Trans. On Ind. Elec. 1997,44(4): 456-467. [2] 陈娟，何英杰，王新宇等. 三电平空间矢量与载波调制策略统一理论的研究[J]. 中国电机工程学报， 2013，33（9）：71-78. [3] 王正，谭国俊，曾维俊等. 基于 SVPWM 的 Vienna 整流器研究[J]. 电气传动，2011,41（4）31-34. [4] 刘嫣婷，赵志旺. 三电平 PWM 整流器空间矢量控制的全数字实现[J]. 电源世界，2013. [5] J.Alahuhtala, J.VIrtakoivu, T. Viitanen, M.Routimo, H.Tuusa. Space Vector Modulated and Vector Controlled Vienna I Rectifier with Active Filter Function[J]. IEEE Trans. On Ind. Elec. 2011,24(4): 536-542. [6] 张刚，刘志刚，刁利军等. 三电平 PWM 整流器 SVPWM 优化算法研究[J]. 电力电子. 2007,26（6）：53-69. [7] 裘锦勇，宋文祥，韩杨等. 基于电压空间矢量的三电平 PWM 整流器研究[J]. 电力系统保护与控制. 2009, 37（13）：58-62. [8] D. G. Holmes, The significance of zero space vector placement for carrier-based PWM schemes, IEEE Trans. Ind. Appl, 2006.10, 32(5), pp.1122-1129. [9] S. Bowes and Y.-S. Lai, The relationship between space-vector modulation and regular-sampled PWM, IEEE Trans. Ind. Appl, 2007.10, 44(5), pp.670-679. - 6 - -40-20020400.20.250.3600620640660680Aioutu3003103203303400.20.250.3300310320330340upudownu

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