近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量的非線性負(fù)載接入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)質(zhì)量急劇惡化。給電網(wǎng)帶來(lái)日益嚴(yán)重的諧波危害，降低設(shè)備的功率因數(shù)，難以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549-93、IEEE519-1992、IEC1000-3-2等)要求。為了較好的提高接入電網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)和降低諧波，就是在使用設(shè)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(shù)主要是對(duì)單相PFC電路做研究，并且技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)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(yīng)用方面受到了功率的限制，使用范圍有限。而針對(duì)大功率三相PFC當(dāng)前主要有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是將其分為三個(gè)單相電路來(lái)處理，將輸出端并聯(lián)，但該方法設(shè)計(jì)復(fù)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(dǎo)致其穩(wěn)定性差。而針對(duì)大功率三相PFC的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于平均電流法算法、VIENNA結(jié)構(gòu)的整流電路，并在此基礎(chǔ)上加上了輸出母線電壓平衡控制實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)，解決了三電平中點(diǎn)平衡問(wèn)題。通過(guò)在三相電壓不平衡和負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)，對(duì)VIENNA 整流器進(jìn)行了分析，其結(jié)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(jié)構(gòu)功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中交流側(cè)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(shí)還有平衡中點(diǎn)電位的作用。三相中的每相都由一個(gè)由全控開(kāi)關(guān)器件(分別是Sa, Sb, Sc)和4個(gè)二極管組成的雙向開(kāi)關(guān)。
圖1 VIENNA整流器結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)電流給定的計(jì)算，同時(shí)達(dá)到恒功率輸入的目標(biāo)。因此運(yùn)算的核心包括雙環(huán)調(diào)節(jié)計(jì)算和電流給定的乘法器計(jì)算，乘法器中的除法通過(guò)查表得出，以減少中斷執(zhí)行時(shí)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(fù)母線輸出，所以要控制正負(fù)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(qiáng)，但是注入到輸入電流的諧波也就越大，影響THD指標(biāo)。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(qiáng)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(shè)計(jì)及其樣機(jī)驗(yàn)證
為了證明VIENNA整流器控制方法的可行性，設(shè)計(jì)了基于TMS320F2808 控制芯片的6kW整流器樣機(jī)，采樣頻率為90kHz。其實(shí)驗(yàn)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?？刂圃砣鐖D3所示。
圖3. 系統(tǒng)控制示意圖
對(duì)VIENNA整流器的額定工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并假設(shè)三相輸入電壓平衡且負(fù)載無(wú)波動(dòng)。圖3為穩(wěn)態(tài)額定負(fù)載條件下VIENNA整流器樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可見(jiàn)，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(shí)現(xiàn)了直流側(cè)穩(wěn)壓和電容電壓平衡控制， 實(shí)驗(yàn)測(cè)得THD=1.58%，PF=0.99。圖4為在輕載情況測(cè)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。
