《电气开关》（２０１６．Ｎｏ．２） ｌ９ 文章编号：１００４—２８９Ｘ（２０１６）０２—００１９—０７ 一种基于电流滞环控制的Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整流器 杨世凯 ，刘小娟 ，程俊翔 ，程鹏 ，章晋 （１．三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌４４３００２；２．甘肃省电力公司检修 公司酒泉分部，甘肃 酒泉７３５０００） 摘要：大型工业设备需要的稳压器和大型变压器具有体积大，控制复杂等特点。分析Ｖｉｅｎｎａ整流电路的原理， 提出了一种基于电流滞环控制的Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整流电路。在Ｍａｔｌａｂ＼Ｓｉｍｕｌｉｎｋ上搭建平台进行仿真，结果表明 基于电流滞环控制的Ｖｉｅｎｎａ整流电路控制简单，稳定性好，功率因数校正效果好。在此基础上，搭建了一台Ｖｉ— ｅｎｎａ整流器样机，实验结果验证了该方案是可行的。 关键词：Ｖｉｅｎｎａ整流电路；电流滞环控制；功率因数校正 中图分类号：ＴＭ４６１ 文献标识码：Ｂ Ａ ＰＦＣ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｏｆ Ｖｉｅｎｎａ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＹＡＮＧ Ｓｈｉ—ｋａｉ‘ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ｊｕａｎ ，ＣＨＥＮＧ Ｊｕｎ—ｘｉａｎｇ ，ＣＨＥＮＧ Ｐｅｎｇ ，ＺＨＡＮＧ ｉｎ ｆ，（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０３２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉｕｑｕａｎ Ｂｒａｎｃｈ，Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｇａｎｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｕｑｕａｎ ７３５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｒｇｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ，ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｔｒｏ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｖｉｅｎｎａ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａ Ｖｉｅｎｎａ—ｔｙｐｅ ＰＦＣ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｔｌａｂ＼Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｗａｓ ｂｕｉｈ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ Ｖｉｅｎｎａ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｇｏｏｄ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ Ｖｉｅｎｎａ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｅｎｎａ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｌ 引言 随着电力电子技术的发展，特别是功率半导体器 件以及控制技术的飞速发展，电力电子装置越来越多 地应用于工矿企业，其在提高生产效率和产品质量等 方面起着重要作用。但是由于其强非线性的特点对电 网注入大量的谐波和无功功率，造成严重的电网“污 等特点，因此对Ｖｉｅｎｎａ整流器控制技术进行研究具有 很大价值。而电流滞环控制因其控制简单、响应快广 泛用于ＰＷＭ整流器等功率因数校正电路中 。本 文研究了一种基于电流滞环控制的Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整 流电路，Ｍａｔｌａｂ＼Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真和实验结果证明了该控 制策略的有效性。 染”。因此研究具有高功率因数ＰＷＭ整流装置成为 电力电子应用领域的一个重大研究课题¨Ｉ２ 。而在三 相整流器的拓扑结构中，Ｖｉｅｎｎａ整流器作为一种典型 ２ Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整流电路的工作原理 ２．１ 单相Ｖｉｅｎｎａ整流器的工作原理 如图１为单相Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整流器的电路拓扑 的三电平拓扑 Ｊ，适合用于高电压，大功率的领域， 与传统的两电平结构相比降低了开关管的电压应力和 交流侧的谐波含量，避免上下桥臂直通，简化控制环节 基金项目：新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学） 结构图。图中 。为单相交流电源；Ｌ 为输入升压电 感；Ｄａｘ（ ＝１、２、３、４、５、６）为快恢复二极管；在图１所 示的结构图中，开关器件Ｊｓ 为绝缘栅双极晶体管，输 出侧的稳压滤波电容用ｃ 、ｃ：表示，Ｒ代表的是直流 侧负载。如图所示，当全控型开关管．ｓ 关断，如果ｉ。 ２０ 的方向为正方向，那么ｉ 流经的路线为图２（ａ）所示， 如果ｉ 的方向为反方向，那么电流ｉ 流经的路线为图 ２（ｂ）所示。 图Ｉ 单相Ｖｉｅｎｎａ型整流电路的拓扑结构 （ａ）输入电流为正时 （ｂ）输入电流为负时 图２开关Ｓ 关断时的电流流经路线 当全控型开关管ｓ。导通时，如果ｉ 的方向为正方 向，那么ｉ 流经的路线如图３（ａ）所示；如果ｉ 的方向 为反方向，那么电流ｉ。流经的路线如图３（ｂ）所示。 根据上面的分析，全控型开关器件ｓ 和Ｄａｘ（ ＝ １、２、３、４）等快恢复二极管一起构成了一个可以实现 电流双方向流动的可控开关 Ｊ，这个双向交流开关连 接Ａ点和Ｍ点。根据电路的工作状态，可以把单相 Ｖｉｅｎｎａ整流电路等效如图４电路，简化后的单相Ｖｉｅｎ— ｎａ整流电路的等效电路拓扑可以看作是正Ｂｏｏｓｔ电路 和负Ｂｏｏｓｔ电路的并联而成的双极性Ｂｏｏｓｔ电路。 《电气开关》（２０１６．Ｎｏ．２） （ａ）输入电流为正时 （ｂ）输入电流为负时 图３开关Ｓ 处于导通状态时的电流流经路线 图４单相Ｖｉｅｎｎａ整流电路的等效电路图 ２．２三相Ｖｉｅｎｎａ整流器的工作原理 把三个单相Ｖｉｅｎｎａ整流电路连接起来，就构成了 图５所示教授Ｊ．Ｗ．Ｋｏｌａｒ提出的三相Ｖｉｅｎｎａ电路。 图５三相Ｖｉｅｎｎａ整流电路拓扑图 如图５所示的三相Ｖｉｅｎｎａ整流电路，该整流电路 的每一相开关都采用４个快恢复二极管和一个全控型 的开关管组成。根据单相Ｖｉｅｎｎａ的等效原则，把上述 三相Ｖｉｅｎｎａ整流电路拓扑等效为图６。 《电气开关》（２０１６．Ｎｏ．２） ＤｔｐＺ Ｄ ，２ Ｄｃ Ｉ＝ ＝ Ｍ Ｒ： Ｃ、 一 一 ● ｒ ～ Ｄ Ｚ Ｄ ２ Ｄ Ｚ 图６三相Ｖｉｅｎｎａ电路等效原理图 分析三相电路进行开关状态和电路工作原理 Ｊ， 有方程（１）： ，Ｕｆ＝Ｌｄｉｆ／ｄｔ＋Ｒｆ＋Ｕｆ０＋ＵｏＮ Ｊｌ Ｃ。ｄ 。／ｄｔ＝∑（１一Ｓｉ）ｓｉｇｎ（ｉｉ）ｉ 一Ｉｏ（１） ［Ｃ２ｄＵｃｚ／ｄｔ＝∑（１一Ｓｉ）ｓｉｇｎ（ｉｉ）ｉ —Ｉｏ 其中，Ｓ （ｉ＝ａ，ｂ，Ｃ）为双向开关， ， ：为电容 Ｃ。，Ｃ２电压，Ｕｏ ＝Ｕｃｚ＝Ｕ血／２，Ｕｄ。为直流母线电压； Ｕｆ０＝（１一Ｓｆ）ｓｉｇｎ（ｉ ）Ｕｄｃ／２；Ｓｆ开通时，Ｓｆ＝１，Ｓ 关断 时，Ｓｆ＝０；ｉ ＞０时，ｓｉｇｎ（ｉｉ）ｉ＝１，ｉｆ＜０时，ｓｉｇｎ（ｉｆ） ｉ＝一１。具体工作过程如下： （１）ｉ 为正（电流方向从左到右）时的工作状态： 当全控型开关管 。处于导通状态时，Ｆ点的电位 被并联的二极管 、 强行钳位至电容中点 ，输入 侧电流ｉ 流经的途径如图７（ａ）所示，该过程中ｉ ＞０， 并且不断地增大，电感存储电能，此时Ｕ ＝Ｕ ，Ｆ点相 对电容中点电位为０；当全控型开关管 处于关断状 态时，输入侧电流ｉ 的流经的途径如图７（ｂ）所示，对 电容Ｃ 进行充电，此时Ｆ点相对电容中点电位为 ／２。 （ａ）相电流为正，ｓ 闭合时 （ｂ）相电流为正， 关断时 图７相电流为正时，ａ相工作原理图 ２１ （２）ｉ 为负（电流方向由右向左）时的工作状态： 当全控型主功率开关管Ｓ 处于导通状态时，Ｆ点 的电位同样被钳位至电容中点０，输入侧电流ｉ 流经 的途径如图８（ａ）所示，该过程中ｉ。＜０，并且不断地增 大，电感存储电能，此时ｕ ＝“ ＜０，Ｆ点相对电容中 点电位为０；当全控型开关管．ｓ 处于关断状态时，输 入侧电流ｉ。的流经的途径如图８（ｂ）所示，对电容Ｃ： 进行放电，Ｆ点相对电容中点电位为一 ／２。 Ｃｌ Ｍ Ｃ２ （ａ）相电流为负， 闭合时 （ｂ）相电流为负，· 关断时 图８相电流为负时，ａ相工作原理图 在电路中，每相桥臂功率开关器件都有关断和开 通两种模式 ］，三相Ｖｉｅｎｎａ整流器共有２。＝８种开关 模式。在一个周期中任选其中的某一时刻进行分析电 路的工作状态（以０≤ｔＯｔ≤ ６为例），如图９（ａ）一 （ｈ）所示，分别介绍这８种开关模式所对应的电路工 作状态 引。 可以看出线电压 的电势有４种：Ｖｏ，ｖｄ ／２，一 ／２，０，其绝对值有 ，Ｉ／ｄ ／２，０三种，构成了三电平 输出。 ３ Ｖｉｅｎｎａ整流器电流滞环控制策略 电流滞环控制是一种使得整流器输人电流跟随输 入电压的波形变化，实现功率因数单位化的方式。它 比较交流电流和输人侧的交流电压波形，改变整流器 中主开关管的状态，把输入电流和电压的相位偏差控 制在一定范围内，从而达到实现功率因数校正的 目的…ｊ。 ２２ 《电气开关》（２０１６．Ｎｏ．２） Ｄ ｊ Ｄ ２ Ｄ ２ 上。 Ｌｂ Ｓ．Ｄ ＋ Ｄｂｐ２ Ｄ。ｒ ＋ ｊ 厶 上 Ｃ 一（ａ）Ｓａ＝Ｏ，Ｓｂ＝０，Ｓｏ＝Ｏ ＋＿ 一Ｃ ｓ： ＋ Ｄ。Ｎ２ ｃＯ ２ Ｄ。ｗ２ Ｄ Ｄ ２ Ｄ ２ （ｂ）Ｓａ＝Ｏ，Ｓｂ＝Ｏ，Ｓｏ＝１ Ｄ Ｄ 本Ｄｌ ￡。 ｌ — 厶 ｒ。 一 ｌ 一 Ｃｌ ＋＿ Ｃ２ Ｍ Ｉ Ｄ ２ Ｄ ２ Ｄ。 ２ 三 ｂ 一 ＋ 三 ｒ …ｌ Ｃ Ｓ Ｚ Ｄ ｗ ２ 一 （ｄ）只＝０，Ｓｂ＝１， ：１ Ｃ． Ｄ ＮＺ Ｄ Ｚ区Ｄ ２ ｌ （ｃ）Ｓ ＝０，Ｓｏ＝１，Ｓｏ：０ ｌ ｌ ± Ｄ ｗ２ Ｄ 上． Ｄ ｒＺ Ｄ 乏 ＋ Ｄ 三． ｂ Ｄ ２ Ｄ ２ Ｓ。 ＋ 三 工 ｓ，Ｉ ｃ ：『 Ⅳ 三 ｃ Ｉ Ｍ Ｉ 三 Ｃ２ Ｃ． Ｄ。 ＸＤ ＸＤ Ｄ。 Ｚ ＤｂＮ Ｄ （ｅ） ＝１，Ｓｂ＝０，Ｓｏ：０ （Ｄ只＝Ｏ，Ｓｂ＝Ｏ，Ｓｏ＝０ Ｄ。２ Ｄ Ｌ ｂ Ｄ 一 ＋ ． Ｄ Ｄ ２ Ｄ。 ２ Ｓ ＋ Ｃ． Ｓ Ｉ一 ｃ Ｉ 一 三 ｃ 。 Ｊ ｌ Ｄ ＤｂＮ Ｄ Ｄ。 ＸＤ Ｄ （ｇ）Ｓ ＝１，Ｓｂ＝１， ＝Ｏ （ｈ） ＝１一Ｓ＝１，Ｓｏ＝１ 图９ ｌＯＶｉｅｎｎａ电路的八种工作状态图 “．，２ ０ 一“ ／２ 图１Ｏ电流滞环控制的原理图 电流滞环控制的原理图如图１０所示，设定最大电 流偏差为ｈｉ ，２Ａｉ 代表滞环比较器的环宽。参考 电流的下限为ｉ 一△ ，参考电流的上限为ｉ ＋△ 。 当系统运行稳定时，实际输入相电流经过霍尔元件或 者电流采集电路采集之后和参考电流相比较，如果超 环比较器的输出改变原来的触发信号使该相上对应的 开关管关断，实际相电流开始减小，实现对参考信号的 跟踪；同理，当实际检测到的输入相电流ｉ 比参考电 流 耐小，并且差值达到或者是超过△ 时，滞环比较 器的输出改变原来的触发信号使该相对应的开关管开 通，电流再逐渐增大，实现对参考电流信号的跟踪。 ３．１ 电流滞环控制算法 式（２）～（４）所示为滞环控制方法的数学表达式： 指令电流：ｉ ＝Ｉｍｓｉｎ（ｔｏｔ） （２） 滞环上限：ｉ 。：ｉ ＋Ａｉ （３） 滞环下限：ｉ１。 ＝ｉ 一△ （４） 其中，ｍ为电流参考值的最大值， 一为滞环半宽。 滞环控制的频率最大值计算根据公式（５）： Ｌｍａｘ－－ Ｕｄｃ （５） 过参考电流ｉ 并且差值达到或者是超过△ 时，滞 《电气开关》（２０１６．Ｎｏ．２） ２３ 滞环控制的平均开关频率值计算根据公式（６）： ，一 ！二 山 ４Ｌ ·２Ａｉ ｘ． ｒ６１ ４ Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整流器的仿真和实验 ４．１闭环控制仿真 ３．２电流滞环控制实现 查阅文献，采用式（７）、（８）来确定三相Ｖｉｅｎｎａ整 流器的三相升压电感的电感和电容范围： 一 ： 图１１为系统滞环电流控制的电路原理图。电流 滞环控制同时兼有两种功能：（１）作为电流调节器； （２）作为ＰＷＭ调节器。电流滞环控制检测的是三相 电感的电流，它不需要外加调制信号，在控制部分电路 ￡ ｄ Ｐ０ （７） 中设一个滞环逻辑控制器控制ＬＤ，电流环的滞环环宽 取与瞬时平均电流成比例的值。 盘 ２０ｋＨｚ，Ｐ 取４０ｋＷ，ｒ／取０．９５，求得Ｌ＝０．４８ｍＨ。 （８） 式中ｕ 取最大值２２０Ｖ，ｕ。取４００Ｖ， 取最小值 ，ｄ 为额定输出电流 取５０Ｈｚ，ｖｏ取２０Ｖ，求得Ｃ＝ １６６６１ｘＦ。 基于上述理论，在Ｍａｔｌａｂ＼Ｓｉｍｕｌｉｎｋ上搭建仿真平 台，并对其进行仿真。系统仿真模型如图１２所示，仿 真模型的参数设置交流相电压幅值３１ｌＶ，输人侧电感 Ｌ ：Ｌ ＝Ｌ ＝０．５ｍＨ，直流侧母线最电压为 ４０００Ｖ，直流侧负载Ｒ：４００Ｉ￣，直流侧电容Ｃ ＝Ｃ ＝ 图１１ 三相Ｖｉｅｎｎａ型ＰＦＣ整流器的闭环电流滞环控制图 ２２００１￣Ｆ，开关频率取２０ｋＨｚ。图ｌ３为滞环控制电路仿 真模型。 图１２ Ｖｉｅｎｎａ整流器系统仿真模型
