基于平均電流算法的VIENNA整流技術的研究

摘要：為了提高三相PFC的穩(wěn)定性和高效性，降低系統(tǒng)成本，設計了基于平均電流控制算法的三相VIENNA整流器，該整流器利用平均電流控制算法和VIENNA整流結構相結合，采用數(shù)字控制方式。為了保證系統(tǒng)在輸出正負母線正負電壓平衡，系統(tǒng)引入母線電壓均衡控制。實驗結果表明，基于該設計方法的6,2kW三相PFC整流器，可靠穩(wěn)定，功率因數(shù)可達到99%，效率可達到96%。

敘詞：VIENNA整流 平均電流控制 DSP 功率因數(shù)

Abstract：In order to improve the stability and efficiency of the three-phase PFC, reduce cost, the design is based on the system control of the three-phase current average algorithm of VIENNA rectifier, this rectifier with the use of the average current control algorithm and VIENNA rectifier structure, and the combination of the digital control mode. In order to guarantee system in the output voltage balance, positive and negative positive and negative bus system introduces the balance control bus voltage. The experimental results show that the design method based on the 6, 5 kW three-phase PFC, reliable and stable, rectifier power factor can achieve 99%, efficiency can reach 97%..

Keyword：VIENNA Rectification, Average current control, DSP, Power factor

1 引 言

近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，大量的非線性負載接入電網(wǎng)，導致電網(wǎng)質(zhì)量急劇惡化。給電網(wǎng)帶來日益嚴重的諧波危害，降低設備的功率因數(shù)，難以滿足相關標準(GB/T14549-93、IEEE519-1992、IEC1000-3-2等)要求。為了較好的提高接入電網(wǎng)設備的功率因數(shù)和降低諧波，就是在使用設備的供電端加入功率因數(shù)校正(PFC)電路。

傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正技術主要是對單相PFC電路做研究，并且技術已經(jīng)相當成熟，如基于平均電流控制算法的UCC3854功率因數(shù)校電路。但是，單相PFC在應用方面受到了功率的限制，使用范圍有限。而針對大功率三相PFC當前主要有兩種設計方法，一種是將其分為三個單相電路來處理，將輸出端并聯(lián)，但該方法設計復雜，成本較高;另一種是采用空間矢量算法，但該方法算法用在三相PFC中，由于存在高頻干擾，導致其穩(wěn)定性差。而針對大功率三相PFC的特點，本文設計了基于平均電流法算法、VIENNA結構的整流電路，并在此基礎上加上了輸出母線電壓平衡控制實現(xiàn)了單位功率因數(shù)，解決了三電平中點平衡問題。通過在三相電壓不平衡和負載突變實驗，對VIENNA 整流器進行了分析，其結果證明了該控制策略的可行性。

2 VIENNA整流器的工作原理

VIENNA結構功率因數(shù)校正電路結構如圖1所示，其中交流側的Li為等值平波電感，起到傳遞能量、抑制高次諧波、平衡橋臂終端電壓和電網(wǎng)電壓的作用;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，同時還有平衡中點電位的作用。三相中的每相都由一個由全控開關器件(分別是Sa, Sb, Sc)和4個二極管組成的雙向開關。

圖1 VIENNA整流器結構圖

3 VIENNA 整流器的控制與輸出母線平衡算法

PFC軟件算法是借鑒模擬芯片UC3854的平均電流型控制方法，平均電流型控制采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，由乘法器實現(xiàn)電流給定的計算，同時達到恒功率輸入的目標。因此運算的核心包括雙環(huán)調(diào)節(jié)計算和電流給定的乘法器計算，乘法器中的除法通過查表得出，以減少中斷執(zhí)行時間?？刂扑惴鞒倘鐖D2所示。

圖2 平均電流控制算法示意圖

三電平PFC電路采用正負母線輸出，所以要控制正負輸出平衡：δ=k*(Vp-Vn)。把δ疊加到電壓波形給定中去，這樣可以調(diào)節(jié)母線平衡。δ越大，調(diào)節(jié)平衡能力越強，但是注入到輸入電流的諧波也就越大，影響THD指標。重載下電流大，系數(shù)k可以取小。輕載下電流小，系數(shù)k要取大，加強平衡調(diào)節(jié)能力。所以在程序中，輕載(35A以下)，k值取值較小;重載(35A以上)，k值取值較大。

if(uiDcPower 54*35 )

{Pfcisr.ui_Pfc_Vin_CompRatio = 256;}

else

{Pfcisr.ui_Pfc_Vin_CompRatio = 20;}

4 硬件設計及其樣機驗證

為了證明VIENNA整流器控制方法的可行性，設計了基于TMS320F2808 控制芯片的6kW整流器樣機，采樣頻率為90kHz。其實驗參數(shù)：輸出功率Po=6.2kW;相電壓有效值Urms=220V;直流母線電壓Udc為+400V和-400V;輸入濾波電感Ls=2.8mH;直流母線電容C1=C2=1500μF。控制原理如圖3所示。

圖3. 系統(tǒng)控制示意圖

對VIENNA整流器的額定工作狀態(tài)進行實驗，并假設三相輸入電壓平衡且負載無波動。圖3為穩(wěn)態(tài)額定負載條件下VIENNA整流器樣機的實驗波形。由圖可見，VIENNA整流器在穩(wěn)態(tài)條件下，輸入線電流能跟蹤正弦輸入相電壓波形，且實現(xiàn)了直流側穩(wěn)壓和電容電壓平衡控制， 實驗測得THD=1.58%，PF=0.99。圖4為在輕載情況測試VIENNA整流器的波形，從波形可以看出，在輕載情況下，整流器的諧波含量明顯增加。

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