带中点平衡的VIENNA整流器改进SVPWM策略_王党树.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 1 月 广西师范大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition)Vol.41 No.1Jan.2023DOI:10.16088/j.issn.1001-6600.2022030403http:王党树,杨亚强,仪家安,等.带中点平衡的 VIENNA 整流器改进 SVPWM 策略J.广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(1):67-75.WANG D S,YANG Y Q,YI J A,et al.Improved SVPWM strategy for VIENNA rectifier with midpoint balanceJ.Journal of GuangxiNormal University(Natural Science Edition),2023,41(1):67-75.?带中点平衡的 VIENNA 整流器改进 SVPWM 策略王党树1,杨亚强1,仪家安1,邓 翾1,董振1,王新霞2(1.西安科技大学 电控学院,陕西 西安 710054;2.西安科技大学 理学院,陕西 西安 710054)摘 要:VIENNA 整流器的中点电压不平衡问题使得两均压电容及主开关器件承受的电压应力不均衡,导致交流侧输入电流波形畸变,较大降低系统可靠性。对于此问题,本文研究传统三电平空间矢量调制对 VIENNA 整流器中点电压的作用原理,在此基础上提出一种改进 SVPWM 控制策略来抑制中点电位的波动:将传统扇区与输入侧三相电流极性结合,对传统扇区进一步划分,通过新扇区的判断和正负小矢量的调节因子抵消中矢量作用,从而达到中点平衡。最后通过仿真验证所提控制策略与传统 SVPWM 相比,中点电位和电流的波动由5 V 和18 A 减小为2.5 V 和7.5V,有效抑制了中点电压不平衡的问题。关键词:改进 SVPWM 控制策略;中点电压不平衡;调节因子;VIENNA 整流器;正负小矢量中图分类号:TM461;U491.8 文献标志码:A 文章编号:1001-6600(2023)01-0067-09近年来,随着国家对环境的重视,电动汽车行业得到蓬勃发展1-2。直流充电桩等充电设备对电动汽车行业不可或缺,直流充电桩实质就是一台整流器。VIENNA 整流器作为三电平整流器具有开关应力小、输入功率因数高、输入电流 THD 低等优点,广泛应用于直流充电桩等诸多领域3-5。与其他三电平整流器相比,三相 VIENNA 整流器电路拓扑结构简单,交流侧功率开关管少,上下桥臂不存在直通的情况。由于众多优点,VIENNA 整流器的拓扑结构受到国内外学者的广泛研究6-8。中点电位不平衡是三电平整流器研究的重点和难点9-12,VIENNA 整流器也不例外,如文献13-14采用 SVPWM 调制方法,并通过对开关状态分析得出正负小矢量对上下电容充放电的特点,在合成参考示矢量过程中通过调节正负小矢量的作用时间实现中点电位平衡。文献15-16在 d、q 坐标系下建立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。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来实现中点平衡,但是该方法的电压利用率仅为 SVPWM 算法的 84%,并且零序分量的注入会导致输入电流过零附近出现畸变。文献17利用三电平矢量和两电平矢量的映射关系,将其三电平电压矢量分解为 6 个两电平电压矢量分布结构,该方法合成参考矢量的物理意义清晰。文献18采用VSVPWM 调制方法,通过合成虚拟矢量来调节中点电位平衡,并且同时也起到减小共模电压的作用,但是由于虚拟中矢量的模为原来中矢量的 50%,因此其调制比也下降为原来的 50%。SVPWM 算法虽然在矢量合成的过程中比较复杂,但是可以通过调节自身的正负小矢量实现中点电压平衡。本文根据 VIENNA 整流器的电路原理建立 VIENNA 数学模型,并分析传统 SVPWM 算法使用正负小矢量调节中点平衡的原理以及矢量合成过程中的局限性,在此基础上参考三相电流的极性对扇区进一步划分,提出一种改进的 SVPWM 算法,抑制中点电压的波动,该算法与传统的 SVPWM 相比可以在参考矢量合成的过程中判断中矢量对中点电位的波动,并通过合理分配正负小矢量的作用时间抑制中点电位的不平衡,最后通过仿真对比验证改进算法的合理性。收稿日期:2022-03-04 修回日期:2022-06-05基金项目:国家自然科学基金(51776167);国家自然科学青年科学基金(51604217)通信作者:王党树(1977),男,陕西武功人,西安科技大学高级工程师,博士。E-mail:广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(1)1 三相 VIENNA 整流器的数学模型图 1 为三相 VIENNA 整流器的电路原理图,图中 ea、eb、ec为输入电压,ia、ib、ic为交流侧的输入电流,ic1、ic2为流过电容 C1、C2的电流,iO为流入中性点的电流,节点 O 为直流侧的参考地,直流侧电压为 Udc。C1C2eaebeciaibicYLLLOABCSaSaoSapSanSbSboSbpSbnScScoScpScniOiPXZinic1ic2+-+-UC1UC2RRRRLUdciL+-图 1 VIENNA 整流器的电路原理Fig.1 Circuit schematic of VIENNA rectifier以图 1 中的 A 相为例,假设直流侧中点电位平衡并且对 ia0,当 Sa开通时 UA=0,当 Sa关断时 UA=Udc/2;对 ia0 且开关 Sjp闭合;Sjp=0,Sjo=1,Sjn=0 表示开关 Sjo闭合;Sjp=0,Sjo=0,Sjn=1 表示 i0,ib0,ic0,ib0,ic0Cia0,ic0Dia0,ic0Eia0,ib0Fia0,ib0具体判断新矢量分布图的方法为:首先判断在、静止坐标系中的象限位置,其次根据纵坐标的值与 3/3 倍的横坐标的值相比即可得出。整理后如表 3 所示。如图 6 所示,假设参考电压在第一大扇区的第三小扇区时,根据最近三矢量合成法则可知由大矢量UL1、小矢量 US1、中矢量 UM来合成参考矢量 Uref,并且参考矢量 Uref处于新的空间矢量分布图的 A 区,由A 区中三相电流的极性则中矢量P0N将会降低中点电压。具体参考矢量合成过程如下所示:US1TS1+UMTM+UL1TL1=UrefT,TS1+TM+TL1=T。(6)式中:TS1为小矢量作用的时间;TM为中矢量作用的时间;TL1为大矢量作用的时间。最终得:17广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(1)表 3 参考矢量在新扇区的位置判断Tab.3 Determine the position of the reference vector in the new sector象限与 0 比较U与 3U/3 比较扇区第一象限U0U 3U/3BU0U 3U/3A第二象限U 3U/3CU0U 3U/3D第三象限U 3U/3EU0U0U 3U/3FU0U 3U/3ATS1=2T 1-Msin3+()|,TL1=T 2Msin3-()-1|,TM=2TMsin。|(7)式中 M=3|Uref|/Udc为调制比,为参考矢量与 轴的夹角。因为中矢量P0N将会降低中点电压,所以必须增加小矢量0NN的作用时间。为了简化运算先把电流归一化,并认为在矢量合成过程中电流瞬时值保持不变,则:QY=iaTX+ibTM。(8)式中:QY为中性点的电荷;TX为小矢量0NN为了抵消中矢量作用的时间,是 TS1的一部分。为了使中点平衡令 QY强制为 0,并且根据三相输入电流六等分区间分布和新空间矢量分布可以得到归一化的 ia、ib,则:ia=sin2+(),(9)ib=sin2+-23(),(10)TX=-sin2+-23()2TMsinsin2+(),(11)m=TXTS1。(12)式中 m 为调节因子,小矢量0NN的作用时间 TX消除中矢量对中点影响,剩下的小矢量作用时间均匀地分给小矢量0NN和P00。TS12=TS11-m2,(13)式中 TS12为正负小矢量互相抵消的时间。最终根据七段式法合成参考矢量,即参考电压矢量由大矢量UL1、小矢量 US1、中矢量 UM来合成。在本文中 SVPWM 算法以负小矢量作为起始电压矢量,加入中点电压平衡控制之后,开关序列如图 7 所示。27http:1234PPNP0NPNNPP000N0NNP00000UrefUL1UMUL2US2US1图 6 参考矢量示意图Fig.6 Reference vector sector schematic 0NNPNNP0NP00P0NPNN0NN22TS12TX2TL12TS12TX2TM2TL12TMTS122+图 7 合成参考矢量开关序列Fig.7 Synthetic reference vector switch sequence4 仿真分析为了对比传统 SVPWM 算法和改进的 SVPWM 算法的有效性和可行性,使用有限元仿真软件平台进行仿真实验设计。在 2 个仿真模型中仿真参数保持一致,只是调制策略有所不同。仿真实验中取交流侧三相电压源的线电压为380 V,直流侧上下电容大小 C1=C2=660 F,交流侧输入电感的大小 L=20 H,设定直流侧的输出电压为800 V,开关管的频率为 50 kHz,实验中采用英飞凌生产的 MOS 管 47N60。图 8为 2 种算法得出的中点电流、中点电压以及输出电压的仿真结果。图 8 改进算法与传统算法对中点平衡的影响对比Fig.8 Comparison of the effect of the new algorithm and the traditional algorithm on the midpoint balance37广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(1)对图8 分析可知,使用传统的 SVPWM 算法仿真得出的中点电位 U 和中点电流 iN的波动值分别为5 V 和18 A,其中仿真得到中点电位的波动 U 与采用传统 SVPWM 算法10-12得到的波动范围2%3%一致,浮动较大;而采用改进的 SVPWM 算法得出的中点电位 U 和中点电流的波动值分别为2.5 V 和7.5 A,相较而言中点电位和电流的波动减少 50%,并且直流侧输出电压采用改进算法后纹波也得到抑制,由此证明改进 SVPWM 算法是有效的。通过对传统 SVPWM 算法与改进 SVPWM 算法的分析可以得出:在传统 SVPWM 算法中中矢量和小矢量对中点电位存在影响,但是只有中矢量对中点电位的影响不可知,需要对中点电位进行采样,并根据采样的结果在下一个周期去调节正负小矢量的作用时间,实现中点电位平衡的目的。而改进的 SVPWM 算法通过进一步划分扇区得到三相电流的极性,将电流划分的扇区和 60扇区相结合可以分析出中矢量对中点电位的影响,在一个周期中可以通过正负小矢量调节当前的中矢量引起的波动,不需要经过采样来调节上一个周期中矢量对中点电位的影响,因此理论上在一个周期中的中点电位的浮动为 0,所以中点电位和电流的波动相比使用传统的 SVPWM 算法得到抑制。为了进一步降低稳态误差,加快暂态响应速度,可以采用 PI 控制+预测控制混合控制方法。5 结语本文在传统 SVPWM 算法的基础上提出一种改进的 SVPWM 算法,介绍了该算法在新扇区的基础上如何通过调节因子合理分配正负小矢量的作用时间,进而实时控制中矢量对中点电位的影响,并通过仿真来对文中所提算法进行验证。仿真结果证明新算法可以有效抑制中点电压和中点电流的波动,改善输出电压的纹波,且原理简单,易于实现。该算法对实际中工业应用具有一定参考价值。参 考 文 献1 汪洋,汤宽武,赖科星,等.基于动态随机规划的共享电动汽车充电站规划J.电网技术,2022,46(9):3485-3499.2张谦,邓小