摘要 通過分析三相三開關三電平(Vienna)整流器的工作原理，研究了該整流器的單周控制策略，并采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制，實現了Vienna整流器的可靠穩定、低諧波畸變特性。基于Matlab仿真平臺，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真結果表明，基于單周控制方法的8 kW三相PFC整流器，控制結構簡單，系統可靠穩定，諧波畸變率<3%，功率因數可達99%。

　　二極管整流器在電力電子行業中得到了廣泛應用，但由于其存在功率因數低并向電網注入了較高的電流諧波等因素，對電網污染嚴重，難以滿足(GB/T14549—93、IEC61000—3—2)等相關標準的要求。隨著對用電設備諧波污染問題的日益重視，以及三相大功率裝置在電網中的應用越來越廣泛，三相大功率因數校正技術已經成為國際國內電力電子及研究領域的熱點問題。

　　Vienna整流器是由Kolar教授于1994年提出的一個優秀的三電平PWM整流器拓撲，其具有所需的開關器件少，單個功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無需設置驅動死區時間，無輸出電壓橋臂直通問題等特點。因而引起國內外學者對其拓撲結構及控制策略和方法的廣泛關注。文中通過分析Vienna整流器的基本工作原理，并針對三相大功率PFC的特點，以及直流母線中點電位平衡的控制、解決了三電平中點平衡問題的需要。設計了單周控制技術整流器控制結構，并通過采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制，進一步提高了動態和穩態性能。最后搭建仿真模型，對單周控制的Vienna整流器進行了仿真研究與分析。

　　1 WIENNA整流器工作原理

　　Vienna整流器結構如圖1所示，其中交流側的Li為等值平波電感，C1、C2為輸出濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路，減少直流電壓紋波。三相中每相都由全控開關管(Sa，Sb和Sc)和4個二級管組成雙向開關管。通過控制3個雙向開關管完成輸入電流和母線電壓的調節、以及母線側兩個電容的電壓平衡。

　　其運行原理如下：以橋臂1為例，當開關Sa開通時，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點;當開關Sa關斷時，整流器的輸入端電壓為+Vdc/2或-Vdc/2，電壓極性由a相電流的極性決定。因此，橋臂1有3個開關狀態“1”“0”“-1”，整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點和負極。其電路方程為

　　式中，E為輸入電壓E=[ua ub uc]T;I為電感電流向量I=[ia ib ic]T;UMD為電容中點到電網電性點電壓向量;UXM為整流橋臂電壓向量;UXM=[uAM uBM uCM]T;L為輸入升壓電感

　　2 WIENNA整流器單周控制技術的實現

　　單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國學者Keyue M.Smedley利Slobodan Cuk提出。其基本思想是在每個開關周期內控制開關管的占空比d，使開關變量的穩態平均值或瞬態平均值等于參考量或與參考量成比例，從而消除穩態和瞬態誤差。單周控制開關頻率恒定，電路結構簡單，響應速度快。

　　Vienna整流器的單周期核心控制函數如式(4)所示，其中電流的絕對值可以通過使用3個全波整流電路來實現。控制規則就是Vm與各相占空比的表達式的乘積與采樣電阻上的電壓的絕對值進行比較，通過比較的結果改變占空比大小，進而對主電路進行控制。

　　Vienna整流器的單周期控制框圖如圖2所示，由控制框圖可以看出，單周期控制的電路簡單，比較容易實現。其閉環工作過程為：每個開關周期開始時，由時鐘信號給3個觸發器置位，各相電流采樣信號通過全波整流電路接至各自比較器的輸入端，3個比較器另一個輸入Vm-VmdTs/(RintCint)，其中取RintCint=Ts。當比較器翻轉時，將其對應的觸發器復位，對應的開關管關斷。當三相輸入呈純阻性阻抗時，輸入電流正弦化，PFC得以實現。當負載突卸時輸出電壓Uo上升，PI調節器輸出Vm下降。

　　3 仿真分析

　　為證明Vienna整流器控制方法的可行性，搭建了該整流器單周控制的仿真模型。其實驗參數為：輸出功率Po=8 kW;相電壓有效值Urms= 220V;直流母線電壓Udc為+500 V和-500 V;輸入濾波電感Ls=2.2 mH;直流母線電容C1=C2=1 200μF。控制原理如圖3所示。

　　通過仿真實驗，對A相輸入電壓電流進行檢測，其仿真結果如圖5所示。傳統不可控整流器輸入電流受濾波電容影響，已經產生嚴重畸變，系統功率因數低至70%以下，結果如圖4所示。

　　從仿真結果中可以清晰地看出，單周控制下的Vienna整流器輸入電流能良好地跟隨輸入電壓正弦化，輸入電流連續且穩定。系統諧波畸變率<3%，功率因數可達99%。

　　4 結束語

　　文中分析了Vienna整流器拓撲的基本工作原理和該結構的單周控制的實現方法，并采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制，實現了Vien na整流器的可靠穩定，低諧波畸變率的特性。通過Matlab仿真平臺，搭建了Vienna整流器的仿真模型，仿真結果表明，采用單周控制方式對Vienna整流器進行控制，具有良好的動態性能和穩態性能，控制結構簡單，實現了單位功率因數運行的目標。