关键词：VIENNA整流器，CCM，平均电流控制
1.引言
电力能源是世界工业化加速的主推进力量。电力电子设备在提高用电效率，减少电能损耗方面发挥着举足轻重的作用。但落后的电力电子设备由于其非线性的负载特性会给电网带来谐波污染和无功损耗，降低电能质量，甚至影响电网上其他用电设备的正常使用。
在众多电力电子设备中，整流器对电网的谐波影响尤为严重，目前治理谐波污染主要有两种方法：一种是在整流器旁路增加谐波补偿装置，利用控制技术将网侧电流补偿为与电网电压同相且无畸变的正弦电流；另一种是功率因数校正（PFC）的方法，它需要结合一定的控制策略来实现，控制的目标是将整流器负载端校正为纯阻性，使电感电流跟踪输入电压，减小波形畸变，从而提高电网输入端的功率因数。功率因数校正又可以细分为两类：一类为被动的方式，即无源功率因数校正（PPFC），另一类为主动的方式，即有源功率因数校正（APFC）,一般来说，APFC的控制比较复杂，但校正效果更明显，应用也更宽泛。本文就针对应用于中大功率场合的三相功率因数校正整流器——VIENNA整流器进行研究，使之达到功率因数校正的目的。
2. 三相VIENNA整流器
参考单相BOOST-PFC电路的工作原理，三相VIENNA整流器每相有一个开关管，通过PWM信号进行控制，每相的两个二极管用于输入工频正弦电流过零点时进行换流，实现电感的续流。三相VIENNA电路有多种工作模式，本章分析的电路模型如图1所示。
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图1 三相VIENNA整流器电路图
对于三相VIENNA整流器，每个开关管分别有导通和关断两种状态，而三个开关管则决定了电路将工作在8种不同的状态。
因输入电流是工频正弦波，不同时刻，导通的续流管将不同，因此可将一个周期下的电流波形分成六个区间。
图3给出了电流波形处于60度—120度区间时，整流电路中其中3种工作模态及电流回路。其他区间时可作类似的分析，这里不再赘述。
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图3 3种工作模态
3. 平均电流控制
三相VIENNA整流器在控制方法上要做到以下两点：一是使输出电压保持稳定输出；二是使整流器输入端口针对交流电网呈现电阻性，即控制输入电流为正弦波且与电网电压同相，以实现功率因数校正。
在三相或大功率APFC电路中常常采用CCM。根据是否对输入电流进行采样和控制，CCM又可分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制中技术较成熟的有峰值电流控制、电流滞环控制、电流平均值控制、滑块控制、模糊控制等。
平均电流控制与峰值电流和滞环电流控制一样，都是采用电压误差与输入电压的乘积作为电流环的基准信号，所不同的是平均电流控制是电流的平均值。它只有一个电流基准环，校正的效果是使电感上的电流在该基准电流附近波动。该控制方法引入了PWM比较，当输出电压减小时，电压环误差信号增大，经过乘法器后的输出信号也增大，要使电感电流跟随这增大的基准信号，就要对开关管的导通时间进行调节，输出电压减小时，提高占空比，输出电压增大时，减小占空比。经PWM比较以后驱动开关管，就能达到校正电流平均值的效果。
本文对三相VIENNA整流器采用平均电流控制，其具体控制框图4如下：
图4三相VIENNA整流器控制框图.png)
该控制方法利用双闭环达到功率因数校正的目的。内环为电流环，调节输入电流跟随电网电压波形，外环为电压环，作用为稳定输出电压。其中电流环的基准信号由输入电压的采样值与电压环输出相乘得到，该电流基准信号与输入电压成正比且相位差为零，与电感电流采样值进行比较后再经过一个PI调节，最后经过PWM比较就可以实现输入电流的平均值对网侧电压的跟踪。
在Simulink下搭建电路模型，并根据确定好的控制策略将控制电路封装在子系统中，子系统的输出作为功率电路的开关驱动.由此进行仿真，通过不断试调控制电路中电压环和电流环的PI参数，最终达到校正效果，其校正后的仿真波形如图5所示。.png)
图5 Simulink下电感电流的仿真波形
4. 总结
本文在三相VIENNA电路拓扑的基础上详细分析了其工作原理，指出8种不同的工作状态，同时建立了数学模型，给出了开关函数；介绍了功率因数校正的平均电流控制策略，通过研究比较确定了控制方案，绘出了控制框图，在Simulink环境下搭建电路模型，仿真得到最终结果。
参考文献
[1]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005
[2]徐徳鸿. 电力电子系统建模及控制. 2010.
论文作者:曾剑
论文发表刊物:《中国电业》2019年 22期
论文发表时间:2020/4/15
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