基于三相维也纳整流器的变基本空间矢量控制_王冬冬.pdf

Electrical Automation自动化装置与设备Automation Devices Equipments电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期基于三相维也纳整流器的变基本空间矢量控制王冬冬，孙玉坤(南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京211167)摘要:针对采用定基本空间矢量 空间矢量脉宽调制控制的三相维也纳(Vienna)整流器在抑制直流侧电压波动方面存在缺陷的问题，提出一种变基本空间矢量 空间矢量脉宽调制(variable basic space vector-space vector pulse width modulation，VBSV-SVP-WM)控制。将直流侧实时电压反馈回控制电路，构成 VBSV-SVPWM 控制，使得系统对于直流侧电压波动有着更好的响应性能。在 MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，验证所述理论的正确性。试验结果表明，采用 VBSV-SVPWM 控制策略的三相 Vi-enna 整流器有着良好的运行性能，对直流侧电压波动有着更强的抑制能力。关键词:三相维也纳整流器;变基本空间矢量;空间矢量脉宽调制;电压反馈;电压波动抑制DOI:10 3969/j issn 1000 3886 2023 01 026 中图分类号 TM461 文献标志码 A 文章编号 1000 3886(2023)01 0089 04Variable Basic Space Vector Control Based on Three-phase Vienna ectifierWang Dongdong，Sun Yukun(School of Electrical Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu 211167，China)Abstract:Aiming at the defects of three-phase Vienna rectifier controlled by fixed basic space vector spacer-space vector pulse width modulationin suppressing DC side voltage fluctuation，a variable basic space vector-space vector pulse width modulation(VBSV-SVPWM)control was proposed The real-time voltage on the DC side was fed back to the control circuit to form VBSV-SVPWM control，whichmade the system had better response performance to the voltage fluctuation on the DC side The simulation model was built inMATLAB/Simulink to verify the correctness of the theory The experimental results show that the three-phase Vienna rectifier withVBSV-SVPWM control strategy has good operation performance and stronger suppression ability to DC side voltage fluctuationKeywords:three-phase Vienna rectifier;variable basic space vector(VBSV);space vector pulse width modulation(SVPWM);voltagefeedback;voltage fluctuation suppression定稿日期:2021 11 28基金项目:国家自然科学基金项目(51877101)0引言三相维也纳(Vienna)整流器作为一种主流三电平整流器，具有网侧电流谐波小、开关管应力低、无直通风险和驱动简单等优点，广泛应用于充电桩和不间断电源等系统进行功率因素校正1。国内外对三相 Vienna 整流器的研究广泛且深入。控制策略主要有比例 积分(proportional-integral，PI)控制2、滑模控制3、无源控制4 以及模型预测控制5 等。文献 6 提出一种谐振滑模控制策略，基于三相 Vienna 整流器直接功率模型，设计谐振控制器，同时在功率环的设计中应用滑模控制策略，有效地减少了有功功率纹波，抑制了交流侧负序电流。文献 7提出一种模型预测控制策略，通过引入虚拟矢量，提高控制精度，减小电压参考值与预测值之间的误差，从而提升系统动态性能。文献 8对 Vienna 整流器中点电位不平衡问题做了深入的研究，这也是当前 Vienna 整流器研究的一个重点。为了降低 Vienna 整流器系统对网侧电流的谐波污染，使输入电流尽可能接近正弦波，常采用空间矢量脉宽调制(space vec-tor pulse width modulation，SVPWM)技术，其控制效果在脉宽调制技术中最为优越。本文针对采用定基本空间矢量(constant basic space vector，CBSV)-SVPWM 控制方式的三相 Vienna 整流器在抑制直流侧电压波动方面存在缺陷的问题，提出变基本空间矢量(variable basicspace vector，VBSV)-SVPWM 控制方式，结合双闭环 PI 控制，在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型，验证所述理论的正确性。1三相 Vienna 整流器拓扑结构及数学模型三相 Vienna 整流器的拓扑结构如图 1 所示。图 1 中:ea、eb、ec和 ia、ib、ic分别为网侧电压和网侧电流;ua、ub、uc为交流侧三相电压;为交流侧阻值;L 为滤波电感;D1 D6为二极管;Sa1Sc2为开关管;Udc为直流侧电压;C1、C2为滤波电容;load为阻性负载;N 为直流侧中性点，可认为该点电位为零。图 1三相 Vienna 整流器拓扑结构98Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期自动化装置与设备Automation Devices Equipments假定所有功率器件均为理想器件，电网三相电压平衡，电网基波频率远小于开关管开关频率。由此，可将三相开关管等效为一开关函数 Sx:Sx=1，0，1，x 相开关管关断且 ix0 x 相开关管导通x 相开关管关断且 ix0(1)式中:x=a、b、c。进一步将 Sx分解为 Sxp、Sxo和 Sxn，其取值见表 1。表 1开关函数取值表开关函数SxpSxoSxnSx取值100101000011进一步地，推导出三相 Vienna 整流器在 abc 三相静止坐标系下的数学模型为:Ldiadt=ea ia uaN uNOLdibdt=eb ib ubN uNOLdicdt=ec ic ucN uNOC1dUC1dt=Sapia+Sbpib+ScpicUdcloadC2dUC2dt=Sania Sbnib ScnicUdcload(2)式中:uxN为交流测三相与直流侧中性点之间的电压，x=a，b，c;UC1、UC2为直流侧电容 C1、C2两端电压，可认为 UC1=UC2=Udc/2。在三相静止坐标系下对系统进行控制，会十分复杂。运用Park 变换，将三相静止坐标系变换到两相旋转 dq 坐标系，控制将变得简便。此时 Vienna 整流器的数学模型为:Ldiddt=ed id+Liq udLdiqdt=eq iq Lid uqC1dUC1dt=Sdpid+SqpiqUdcloadC2dUC2dt=Sdnid SqniqUdcload(3)式中:电压、电流、开关函数均为原三相量的 dq 变换量;为电网基波频率，=100。2三相 Vienna 整流器控制策略2 1双闭环 PI 控制图 2 给出了三相 Vienna 整流器双闭环 PI 控制框图。图中:U*dc为直流侧电压给定值;id*、iq*和 ud*、uq*分别为 dq 轴电流、电压参考值;为三相正弦电压相位角，由锁相环测量得到。采用双闭环控制，外环为电压环，控制直流侧电压响应;内环为电流环，进一步提高系统的响应速度与精度。将直流侧电压实时值反馈，与给定值作比较，构成 VBSV 控制方式，经过 PI 调节图 2三相 Vienna 整流器双闭环 PI 控制框图器，输出值作为电流内环 d 分量的给定值。三相电流 q 分量给定值为 0，期望系统以单位功率因素运行。2 2VBSV-SVPWM 控制图 3三电平 SVPWM 基本空间电压矢量图三电平SVPWM 基本空间电压矢量图如图3 所示。图3 中字母代表交流测 A、B、C 三相的电位状态。例 如，pon代表此时 A 相电位 为+Udc/2、B相电位为 0、C 相电 位 为 Udc/2。这种电位状态，对应一个基本空间电压矢量。由图 3 可知，三电平 SVPWM 有 25 个基本空间电压矢量，相较于两电平 SVPWM，控制稍为复杂但控制效果更为优越。图 4SVPWM 第扇区空间矢量图一般将空间电压矢量划分为六个扇区，如图 4 所示。六个扇区的工作原理相同。下面以第一扇区为例，对三电平 SVP-WM 工作原理进行简要阐述。图 4 中:Vref为待合成电压矢量;为待合成电压矢量在扇区内的角度。在第一扇区，三相电位状态与基本空间矢量的对应关系见表 2。一般用三个基本空间矢量来合成参考矢量。进一步地将每个扇区划分为六个小区域，通过判定参考矢量所在区域，即可选定参与作用的基本空间矢量。通过求解方程(4)即可得到基本空09Electrical Automation自动化装置与设备Automation Devices Equipments电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期表 2三相电位状态与对应基本空间矢量表三相电位状态 空间矢量 矢量分类 三相电位状态 空间矢量 矢量分类ooo0零矢量ppoUdc3ej3小矢量onnUdc3ej0小矢量pon3Udc3ej6中矢量pooUdc3ej0小矢量pnn2Udc3ej0大矢量oonUdc3ej3小矢量ppn2Udc3ej3大矢量间矢量的作用时间。TxV1+TyV2+TzV3=VrefTx+Ty+Tz=Ts(4)式中:V1、V2、V3为按作用顺序排列的基本空间电压矢量;Tx、Ty、Tz为基本空间电压矢量对应的作用时间;Ts为开关周期。为了减小开关损耗以及谐波含量，基本空间矢量的作用需遵循两个原则:以小矢量开始;每次切换作用矢量时，只有一个开关管状态发生改变9。由此，基本空间矢量的作用方式常采用五段式或七段式。本文采用谐波含量低的七段式作用方式，以区域 1 为例，其作用次序见图 5。图 5区域 1 七段式作用次序图需要注意的是，参考电压矢量要处于图 3 所示的六边形内，否则无法由基本空间电压矢量合成。因此，直流侧电压需满足一定的条件，SVPWM 控制才能正常工作。由图 4 中的几何关系可以得到，SVPWM 控制正常工作的条件为:Udc2 Vrefcos(/6 )(5)在系统运行时，一般可认为直流侧电压近似为一定值。但考虑到实际情况中，直流侧电压具有一定的波动，尤其是在负载发生时。在 CBSV 控制方式下，直流侧电压存在较大波动。应对方式为将直流侧实时电压值反馈回系统，构成 VBSV 控制，由此生成对直流侧电压控制更为精确的脉冲信号。可以预见，VBSV 控制方式下，整流器对直流侧电压波动有着更强的抑制能力。3仿真及结果分析利用 MATLAB/Simulink 搭建仿真模型，验证本文所提控制策略的正确性与可行性，各项参数