前言：

VIENNA整流器的常規控制策略目前都是需要采樣AC側的輸入電壓和電流，并用鎖相環獲取電網相位角度，再轉用大量的三角函數計算轉換到dq坐標系進行控制。然后使用dq解耦控制的方法分別控制id和iq，逆轉dq到abc三相的控制量后再使用SVM等其它PWM調制策略對功率級進行控制。

 參考文獻：“VIENNA整流器控制策略綜述”。作者：陳亞愛，李子漩，周京華，吳杰偉（北方工業大學 北京市變頻技術工程技術研究中心，北京 100144）。

整個控制器的設計，需要大量的三角函數和坐標系變換，還有最為關鍵的是鎖相環的設計。當三相電網不平衡時，使用普通的SRF-SPLL基本不能勝任工作，輸出的dq上存在2次諧波影響電流的控制效果。如果電網的高次諧波和不平衡程度加大時，就需要使用DDSRF-SPLL來進行正負序解耦控制，其控制策略的算法復雜程度再次提升，而且鎖相環也能完全克服電網頻率變化時的響應速度，因此在惡劣電網環境，存在高次諧波和頻率突變時，或是發電機應用等場景，依靠傳統vienna控制策略不在適用。更多鎖相環的內容可見參考文獻。

參考文獻：“Performance analysis of SRF-PLL and DDSRF-PLL algorithms for grid interactive inverters“，作者：Fehmi Sevilmi? a,* and Hulusi Karaca a。

對于目前基于采樣輸入電壓以鎖相環來追蹤電網相角作為電流內環參考的整流器控制方法的，控制復雜，計算量大等問題。提出一種無需采樣輸入電壓和追蹤電網相位角度和無需電流內環的三相三電平Vienna整流器的控制方法，大幅度的簡化了整流器的控制，并且在控制上與電網解耦，能自動適應復雜的電網環境，提升了整流器工作的魯棒性和靠性。

P1 PFC控制

三相三電平Vienna整流器可以等效的看作三個單相的三電平的BOOST變換器并聯工作，因為變換器是三電平的boost，所以對于Vienna整流器的分析思路可以按普通boost的方法。在高功率因數整流器的控制上，實現的主要目的是為了輸入電流的相位和頻率跟蹤上電網的電壓相位，就是等于讓變換器的輸入阻抗等同于阻性，實現電流與電壓的同相工作。因此，如果可以讓變換器的輸入阻抗呈現阻性，而非感性或容性，即可實現輸入電流自動跟隨電網電壓相位和頻率。從阻抗分析，不論是感性阻抗還是容性阻抗，都存在虛數導致產生相位的超前滯后問題，只有電阻不會有相位的問題，因此在控制上能消除變換器的輸入阻抗的傳遞函數中的虛數成分，即可達到輸入阻抗呈現電阻性的特征。以電流連續模式工作的boost變換器來看：

CCM狀態下是電感電流和開關周期示意圖：

根據占空比公式易得：

可以推出輸入與輸出的關系為：

其中：

  在CCM BOOST電感平均電流iL經過輸入側的低通濾波器后基本等于輸入電流Iin即為：

  輸入阻抗與輸出電壓、電感電流、開關關閉階段的占空比Doff有關系，在實際工作上因輸出電壓vout是固定值，因此輸入阻抗的分析可以認為與Doff和iL有關系。

  在PWM調制策略上，通過直接控制Toff在周期內的時間來實現對系統控制。其中Toff由控制環路發出的Vc*Tsw得到，即Toff = Vc * Tsw。從輸入阻抗來看：Zin = (Vout * Doff) / iL，分母iL是電感電流，該電流與輸入和電壓電壓和開通關閉時間有關，在不考慮均壓環的輸出時iL = (Vin * Ton) / Lf，不可避免會引入電感阻抗的虛數變量，因此要輸入系統的輸入阻抗為常數，必須要消除iL對輸入阻抗的影響。通過把Toff的控制量Vc與iL建立關系，下式中vloop是控制輸出電壓穩定的電壓外環的輸出：

把該關系帶入阻抗公式：

可見：當把Doff設計為iL/Vloop后，并以上圖的PWM策略發波，通過Doff控制量去與PWM載波比較，Toff取Doff控制量小于PWM載波的時間，Ton取Doff控制量大于PWM載波的時間。CCM的boost輸入阻抗已經轉化為Zin = Vout / Vloop，不再與電感或電感電流有關系，并且Vout輸出電壓在穩態工作是常數，是變化速度很慢的量，可近視成固定值，而電壓環的輸出Vloop在穩態工作時也是變化速度很慢的量，可視為直流量來做分析，因此易得此時系統的輸入阻抗為一常數，是阻性特征。

由于三相三電平vienna整流器可以當作三個三電平的單相boost分析，本文提出的基于輸入阻抗的控制方法：僅需采樣三相輸入電流和輸出側正負直流母線電壓用于實現整流器的控制，無需采樣輸入電壓，也無需使用鎖相環和坐標系變化的方法來實現高功率因素整流器的控制。Toff的控制量是Doff = iL/Vloop，當電流傳感器放在電感后面會引入開關電流紋波，為了提升控制效果還需使用轉折頻率Fc為4~6KHz的低通濾波器來抑制采樣電流中的開關頻率級別的電流紋波，目的是控制器采取得到越接近Iin的信號控制效果越好，可見下圖是Vienna整流器的功率級和電感電流和輸出電壓的采樣信號。

下圖是本文提出的核心控制方法，三相電感的電流iABC經過LPF低通濾波器處理后加上輸出側直流電壓平衡的均壓環輸出，再取絕對值后除以Vloop，構建出帶中點電壓平衡控制的vienna整流器的輸入阻抗控制策略的Doff核心控制量：

由于除法可能會產生大于1或小于0.05的輸出，這樣會導致PWM輸出最大或最小占空比會損壞功率級，因此對Doff做限幅處理后，設置Doff最大為0.995，最小為0.05。用Doff的輸出量乘以開關周期長度TBPRD再與PWM載波信號比較得到開關管的Ton和Toff時間。

控制器運行：

CH1中綠、藍、紅分別為三相輸入電壓，CH2中綠、藍、紅分別為控制器核心輸出的Doff和黃色的PWM調制波，CH3為三相開關管的PWM驅動信號。

可見在下圖這個時刻，A相為正向、B相馬上要過零、C相處于負向區域，正好對應著A相的Doff最大、B相次之，C相的Doff最小，PWM的驅動信號輸出是取PWM載波大于Doff的邏輯，再然后分別去控制三相的開關管，實現三相三電平Vienna的整流器控制方法。

運行波形：

CH1為輸入三相交流電源、CH2為三相輸入電流、CH3為直流側輸出電壓，CH4為橋臂之間電壓。

直流側控制器可使用比例積分PI控制器，輸出為Vloop信號，與iL一起實現對系統的輸入阻抗進行控制。可知當直流側負載功率增大時，輸出電壓會下降，因此PI控制器會增大Vloop的輸出，使得系統的輸入阻抗根據控制公式Vout/vloop變小，使得輸入電流和功率增大，實現功率平衡，當輸出功率減少時Vloop的輸出也會減少，輸入阻抗根據控制公式Doff = Vout/vloop增大系統的輸入阻抗，來實現對直流側電壓的閉環控制。

P2 基于輸入阻抗的Vienna整流器的輸出側直流電壓中點平衡控制策略

當正負直流母線負載的不等時，會導致直流側兩個電壓不均衡，使得一個電容電壓高一個電容電壓低，使系統失去可靠性和穩定性。為了解決直流側電壓不均衡的問題，本文提出增加直流側正負電壓的均壓環，用均壓環的輸出Diff補償系統的輸入阻抗，從而影響流入電流和功率，實現直流側的電壓均衡。可知，當直流側的負載由平衡狀態變為不平衡時，正負直流側負載電阻發生變化。從而輸出電壓也變化，易知當均壓環還未動作時，負載減弱時直流側電壓會升高，反之負載加重直流側電壓會下降。因此均壓環很快會發現兩者直流母線的電壓存在差值，并根據減法操作判斷方向，如正向電壓大于負向電壓時，意味著正向直流母線的負載電阻增大。為了降低正向直流母線電壓上升，只需降低正向相位的輸入電流，即可實現功率平衡。而AC正向電流降低，在控制上只需增大正向的輸入阻抗即可，也就是加大Doff來實現。因此本文提出使用均壓環的輸出去補償電感電流來實現對阻抗的調整方法，可見：

上式中：Diff變為負向即可減小Doff，反之則可以加大Doff，以此實現對輸入阻抗的影響來實現功率均衡，實現直流側在負載不平衡時的均壓控制。

下圖是系統由負載平衡切換到正向直流母線負載減弱，負向直流母線負載不變的中點電壓平衡策略的運行情況。

CH1 綠色是正向直流母線電壓，紅色是負向直流母線電壓。

CH2 綠色是A相輸入電流，紅色是均壓環的輸出，在負載平衡時是輸出0，負載不平衡時調節到-4.2A。

CH3 綠色是iL_A+Diff的輸出，可見正向峰值被減弱，負向峰值加大，從而影響輸入變換器在不同AC相位時的輸入阻抗。

CH4 是A相的Doff

下圖是由負載不平衡過渡到負載平衡的情況，可見均壓環的輸出減少到0，不再影響輸入阻抗和功率。

本文以輸入阻抗的控制來實現高功率因素整流的功能，又因為控制方法上與電網解耦，也沒有傳統意義上的電流內環，因此更容易適應電網高次諧波、缺相、電網不平衡、頻率和幅度變化的發電機應用場景，下面是復雜和電網環境測試，在這種情況下傳統基于鎖相環和dq控制的方法非常難以保證可靠和優秀的控制性能。

P3 更多測試：

CH1是三相輸入電壓，CH2是三相輸入電流，CH3是Doff和PWM載波，CH4是橋臂PWM電壓，CH5是直流側輸出電壓800V

1、三相電壓平衡無高次諧波滿負載啟動：

2、三相電壓疊加3/5次諧波滿負載運行：

3、三相電壓疊加3/5次諧波+缺相滿負載運行：

4、三相電壓不平衡滿負載啟動：

5、三相電壓不平衡+頻率50>400Hz突變

6、三相電壓不平衡+頻率400>50Hz突變

小結：提出一種無需采樣輸入電壓和追蹤電網相位角度和無需電流內環的三相三電平Vienna整流器的控制方法，大幅度的簡化了整流器的控制，并且在控制上與電網解耦，能自動適應復雜的電網環境，提升了整流器工作的魯棒性和靠性。本文提出的基于輸入阻抗的Doff控制方法，以簡單的方法實現了高功率的三相三電平Vienna整流器的控制，并對電網高次諧波、缺相、不平衡、頻率變化、電壓瞬變等場景表現出了非常優秀的性能。

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參考文獻：

1、NCP1654 DS

2、VIENNA整流器控制策略綜述”。作者：陳亞愛，李子漩，周京華，吳杰偉（北方工業大學 北京市變頻技術工程技術研究中心，北京 100144）

3、Performance analysis of SRF-PLL and DDSRF-PLL algorithms for grid interactive inverters“，作者：Fehmi Sevilmi? a,* and Hulusi Karaca