多VIENNA级联型整流电路的协调控制

范 辉, 孙丽丹, 汤天浩

(1. 上海电机学院，上海 201306； 2. 上海海事大学，上海 201306)

多VIENNA级联型整流电路的协调控制

范 辉1, 孙丽丹2, 汤天浩2

(1. 上海电机学院，上海 201306； 2. 上海海事大学，上海 201306)

针对级联式高压整流电路的控制问题，采用多个VIENNA整流器级联构成高压直流系统，设计了主电路拓扑与双闭环控制器，并提出一种多VIENNA整流器电压平衡的协调控制策略。通过仿真试验，验证了双闭环级联型VIENNA高压整流电路的稳定性及其协调控制的正确性。

VIENNA整流器; 级联系统; 协调控制

0 引 言

近年来，随着高压变流技术的应用，各种多电平电路的研究也随之开始兴起[1]。一种较典型的适用于高压直流输电的三电平拓扑结构VIENNA整流器得到了广泛关注[2]。

国内外学者对VIENNA整流器做了大量研究[3-6]，特别是在控制策略方面，使得VIENNA整流器输入电流跟踪输入电压正弦变化，实现单位功率因数、直流母线电压恒定、直流侧中点电压平衡，且在工程应用中具有较高的可靠性。但普通的VIENNA整流电路都无法满足高压大功率的需求，因此提出了级联式整流电路。将两个或多个VIENNA整流器级联起来实现提高输出电压及功率等级的目的[7]。

针对级联型VIENNA高压整流电路的稳定性问题，采用电流内环和电压外环进行控制，满足了VIENNA整流电路的性能要求。但为了解决级联型整流器的均压问题，研究了多个VIENNA整流器的协调控制方法，提出了均压和分级起动两种工作方式，并通过仿真试验证明了其正确性。

1 级联型VIENNA整流器的基本原理

图1为三相四线制VIENNA整流电路拓扑图。该拓扑为四线制三相三开关三电平VIENNA整流器。该整流器不仅有三线制的优点，并且由于中线的存在，其更是在实际应用中具有更好的环境适应性、可靠性，以及良好的防雷和电磁兼容特性[2]。

图1 三相四线制VIENNA整流电路拓扑

但是，单个VIENNA整流器的输出电压及功率等级有限，为满足高压直流输电的需求，提出了多个VIENNA整流器输出以级联的方式连接起来的方案[8-9]，则可以将多个VIENNA整流器的输出电压累加，来实现提高输出电压及功率等级等目的，其结构如图2所示。

图2 级联型VIENNA整流器结构

该级联拓扑结构输入端相互独立，输出端串联，总的输出电压为每个电容电压之和。每个模块电容中点与电网中点相连，因此各模块可以独立控制并共同承担总的输出电压。这种级联结构控制简单、容错性高、易于模块化。设输出端电容相同，每个电容电压为E。因此功率单元与中点之间的电压关系可以由等效开关函数来表示：

(1)

其中：i=1，2…n

每个模块由基尔霍夫电压定律可知：

(2)

将式(1)代入式(2)化简可得

(3)

对级联型VIENNA整流器的输出端节点应用基尔霍夫电流定律，则第一个模块和最后第n个模块输出方程为

(4)

(5)

中间的模块输出电压方程为

(6)

式(4)、式(5)中的和与等效开关函数的关系为

(7)

其中:上标′和″代表等效电流开关函数。当有电流流入直流母线时，开关函数等于1，否则为0，如表1所示。

表1 级联型VIENNA整流器的开关函数表

由式(5)～式(7)可得级联型VIENNA整流器的数学模型：

(8)

其中，i=1,2,3…代表模块的个数。相对于普通三相VIENNA整流器，级联型VIENNA整流器拓扑更为复杂，但是通过对其数学模型的分析，方便了对其结构的了解及控制器的设计。

2 单相级联VIENNA整流电路拓扑结构

三相四线制的VIENNA拓扑整流器由于输入中线和输出电容中点相连，三相物理解耦，故三相可单独控制。基于三相独立的特点，在具体分析时，可以聚焦于其中一相。因此以单相级联VIENNA整流电路为例，如图3所示。

图3 单相级联VIENNA整流电路拓扑

由图3的电路拓扑结构可见，它不仅交流输入电源相互独立，而且整流功率单元也相互独立，因此可以分别对每个模块进行单独控制，以便实现单位功率因数及对每个模块输出电压的调整。直流输出端相当于把4个直流输出电容串联，即：

(9)

则根据输入输出功率平衡关系可知：

(10)

简化可得

(11)

式中：U1、U2——分别为两模块输入交流电压有效值；

I1、I2——分别为输入电流的有效值；

Utol、Udc1、Udc2——总的负载、模块1和模块2的输出直流电压。

级联型VIENNA整流器每模块的换流模式与单相拓扑的换流模式相同，现以两模块输入电压均处于正半周期为例，每个开关器件有两种开关状态，那么两模块级联VIENNA整流器拓扑在正半周期内，即e1、e2均大于0时，开关状态如图4所示。

图4 单相级联VIENNA整流电路换流模式

当e≥0时，Idc-=0，Idc+=0，开关T闭合；Idc+>0，开关T断开。当e<0时，Idc+=0，Idc-=0，开关T闭合；Idc-<0，开关T断开。根据MATLAB/Simulink仿真可以观察其中一相VIENNA电路工作过程。单相级联VIENNA整流电路的波形如图5所示。其中，Idc+，Idc-分别为直流母线正负两侧的电流；Us为输入电压波形；Ir为输出电流。

3 级联型双闭环VIENNA整流电路协调控制

为满足对高压直流输电的要求，需要级联多个整流电路来提高直流电压。但多个整流器的均压成为新的问题。为此，提出了一种协调控制策略，对每个独立的整流模块采用电压和电流双闭环控制方法，再引入协调控制进行均压控制和分级起动控制。

为简单起见，现以2个VIENNA级联型整流器为例，给出的协调控制如图6所示。系统中协调控制器根据给定电压值Uref，分配级联模块的电压值Uref1和Uref2，每模块根据分配的电压值采用双闭环的结构来控制，其中电压外环采用PI调节器，内环采用滞环比较器。外环电压环的作用是根据直流母线电压与给定基准电压值比较的大小来判断直流母线上能量的平衡状况，并决定调节器的调节方向，进而得到电流内环给定值的极性与大小，最终实现直流母线电压的稳定；电流内环的主要作用是根据电压外环输出的电流指令实现电流控制，来使交流电相位跟随电压的相位，二者达到同步。双闭环控制实现直流侧电压的恒定和系统的单位功率因数运行。

图5 单相级联VIENNA整流电路的波形

图6 级联型VIENNA整流器的协调控制框图

图7 均压式单相级联型VIENNA仿真

图8 分级式单相级联型VIENNA仿真

对于级联型整流器来说，每模块电压的分配方式主要有两种：一种是分别产生所需直流电压的一半，即均压方式；一种是根据所需电压值的大小来决定起动的模块个数，即分级起动方式。以单相两模块级联为例，通过仿真来验证以上两种电压分配方式。为了更好地观测级联电路交流侧电流，使两个模块电压相位相差60°。电感参数定为漏电阻为0.1 Ω、电感值为10 mH，母线侧的两个电容参数为2 200 μF，每模块负载电阻为250 Ω，在0.01 s时输入控制信号。当所需直流输出值Uref分别为900 V和1 200 V时，通过仿真来验证均压和分级起动两种方式，其结果如图7和图8所示。

图7和图8分别从均压式和分级式对单相级联型VIENNA进行了仿真试验，验证了两种控制方法的正确性。由图7可知，当Uref为900 V时，从图7(a)中可见，两系统的电感电流大小相同，相位差60°；从图7(b)可见，两系统输出直流电压大小相同且为Uref的一半，即均压方式。同样当Uref为1 200 V时，从图7(c)和图7(d)中也可得到相同的结果。由图8可知，当Uref为900 V时，从图8(b)可见两级联系统只起动了系统1，其输出电压值等于所需电压；当Uref较大为1 200 V时，从图8(d)可知，两系统皆起动，且两系统输出电压值之和为所需电压Uref，即分级起动方式。相对于均压方式，分级起动方式由于可以做到所需电压低时只起动一个系统，因而拥有更高的效率和更小的损耗。

4 硬件设计与试验

基于VIENNA整流器的双闭环系统，本文构建了VIENNA整流器的硬件平台，如图9所示。其中，包括了dSPACE1104实时仿真系统、单相的可调变压器、10 mH电感、2 200 μF、采样调理电路及24 V直流驱动电源。除了控制部分由dSPACE控制外，试验的其他部分均由硬件组成。当给硬件系统正常供电后，dSPACE1104接受到了实际电感电流和输出直流电压的信号，经由采样板输入给Simulink控制，通过Simulink中的控制模块，生成的代码给出IGBT触发信号，使系统正常工作。然后通过ControlDESK可实时观察控制中的各信号的动态。

图9 硬件试验系统结构

当开关管没有开始工作时，电路为二极管整流，网侧电流如图10(a)所示。当开关管开始工作时，VIENNA整流电路开始工作，如图10(b)所示，可见网侧电流与电压基本同相。

当VIENNA整流电路开始工作，那么输出直流电压将稳定在45 V，并且等于两电容电压之和，如图11所示。

图10 VIENNA整流器

图11 输出电压波形

图12 ControlDESK显示的控制波形图

在试验过程中，可以通过Control进行电路的实时监控。图12为当给定开关信号时，各部分的波形图。

5 结 语

研究了级联型VIENNA整流电路的基本结构，建立了数学模型，进而提出一种协调控制策略。详细分析了级联型VIENNA整流电路的换流模式与控制方法，并搭建了级联型单相双闭环VIENNA整流电路的仿真和试验系统；仿真和试验结果验证了双闭环系统的稳态性和均压、分级起动两种协调控制方式的正确性。

[1] REED G, PAPE R, TAKEDA M. Advantages of voltage sourced converter (VSC) based design concepts for FACTS and HVDC-link applications[C]∥IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2003: 3.

[2] KOLAR J W, ERTL H, ZACH F C. Design and experimental investigation of a three-phase high power density high efficiency unity power factor PWM (VIENNA) rectifier employing a novel integrated power semiconductor module[J]. Applied Power Electronics Conference & Exposition, 1996, 2(2): 514-523.

[3] BURGOS R, LAI R, PEI Y, et al. Space vector modulator for vienna-type rectifier based on the equivalence between two and tress-level converters: a carrier-based implementation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(4): 1888-1898.

[4] LI B, HANG L J, TOLBERF L M, et al. Equivalence of SVM and Carrier-based PWM in three times new Roman phase/wire/level vienna rectifie for unbalanced load[J]. IEEE Journals & Magazines, 2014, 61(1): 20-28.

[5] RAJAEI A, VARJANI A Y, MOHAMADIAN M. Vienna-rectifier-based direct torque control of PMSG for wind energy application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(7): 2919- 2929.

[6] FLORICAU D, PANGRATIE V. New unidirectional five-level VIENNA rectifier for high-current applications[C]∥Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE, 2013: 10-13.

[7] HYN B, HADDAD K A, KANAAN H Y. Implementation of a new linear control technique based on experimentally validated small-signal model of three-phase three-level boost-type vienna rectifier[J]. IEEE Transactions onIndustrial Electronic, 2008, 55(4): 1666-1676.

[8] YANG J H, Han J G, Tang T H. A cascaded multi-level PWM AC/DC converter with VIENNA cell for HVDC[C]∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2014: 308-312.

[9] JIANG X B, YANG J H, HAN J G, et al. A survey of cascaded multi-level PWM rectifier with VIENNA modules for HVDC system[C]∥2014 International Electronics & Application Conferenceand & Exposition, 2014: 72-77.

Coordinated Control of Multiple VIENNA Cascade Rectifier Circuits

FANHui1,SUNLidan2,TANGTianhao2

(1. Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Focused on the cascade control problems of the VIENNA high-voltage rectifier system, based on the principle of improving system efficiency and reduce the loss, proposed a dual-loop cascade-type high-voltage rectifier circuit, established a dual-loop controller, and presented a single-phase cascade VIENNA rectifier circuit coordinated control strategy. Simulation results verified the stability and the correctness of coordination control for dual-loop cascade VIENNA high voltage rectifier circuit.

VIENNA rectifier; cascade system; coordinated control

国家自然科学基金(51007056)

范 辉(1973—)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)05- 0038- 08

2016 -09 -25