基于零序电压分量注入的 VIENNA 整流器中性点电位波动抑制策略

《Electric Power Systems Research》：Suppression strategy of neutral-point potential fluctuation in VIENNA rectifier based on zero-sequence voltage component injection

　　

• •
  对VIENNA整流器中低频中点电压纹波进行了分析建模。
• •
  通过电荷平衡得出六种电流极性区间的零序电压。
• •
  有界零序电压注入可同时抑制交流纹波和直流偏移。
• •
  额定负载实验表明，中点纹波从±15 V降至±4 V。

引言

随着电动汽车的快速发展，大功率、高效率、高可靠性的直流充电系统已成为推动行业发展的重要基础设施[[1], [2], [3]]。VIENNA整流器作为直流充电系统中的关键前端功率变换环节，凭借其功率密度高、电流总谐波失真低以及无需无功补偿等优点[4,5]，已成为主流拓扑结构。然而，VIENNA整流器的三电平拓扑结构固有地面临一个关键挑战——中点电压波动。该现象不仅会增加功率器件的电压应力，从而危及整流器运行安全，而且在极端条件下还可能导致开关器件的灾难性失效[6,7]。VIENNA整流器中点电压波动的根源在于其固有的双电容分压结构。从电路参数角度来看，这是由于电容值及其等效串联电阻（ESR）之间的参数不匹配所致。从调制角度来看，不平衡是由流入和流出中点的电流在不同开关状态组合下产生不等的充放电效应所引起，最终导致上下直流母线电容之间的电压分配不均[8,9]。

针对这一问题，研究人员提出了多种控制策略。其中，空间矢量脉宽调制（SVPWM）能够有效调节中点电压，但其缺点是系统分析复杂且计算负担大[10,11]。模型预测控制（MPC）基于预测直接选择最优开关状态，具有快速的动态响应。然而，其变开关频率导致电磁干扰（EMI）频谱分散，从而增加了输出滤波器设计的难度[[12], [13], [14]]。基于载波的脉宽调制（CBPWM）通过在传统载波调制参考信号中注入辅助分量来抑制中点电压波动，消除了SVPWM所需的扇区识别和矢量合成计算，从而显著降低了控制器的计算负担。与MPC相比，CBPWM以固定开关频率运行，简化了滤波器电路设计和电磁兼容性（EMC）规划，更适合成本敏感型应用[[15], [16], [17], [18]]。

在VIENNA整流器的应用中，抑制中点电压波动的调制方法已被广泛研究。文献[19]提出了一种适用于变功率因数运行的CBPWM策略，通过功率因数角补偿和中点电压偏差校正来改善调制性能。文献[20]提出了VIENNA整流器的损耗优化不连续脉宽调制策略，通过调节钳位区域并利用不同钳位状态对中点电流的影响，在兼顾输入电流质量和开关损耗的同时实现了中点电压平衡。文献[21]提出了一种电压判据分量注入策略，根据直流母线电压和参考电压的运行区域确定注入分量，适用于直流母线电压平衡和不平衡两种情况。文献[22]开发了一种适用于直流母线电压平衡和不平衡两种情况的无电流传感器控制方法，以实现中点电压调节。这些方法分别从功率因数变化、钳位区域优化、电压区域识别和无电流传感器控制等方面改善了VIENNA整流器的运行性能。

为了解决VIENNA整流器直流母线中点电压波动问题，本文提出了一种基于中点电荷平衡的零序电压分量注入CBPWM策略。通过建立中点电流与直流母线电容电压之间的动态关系，推导了中点电压波动低频分量的时域解析表达式。根据三相输入电流的极性将调制周期划分为不同区间，以零开关周期平均中点电流为电荷平衡约束，解析求解各区间对应的零序电压，并制定相应的零序电压注入规律。在此基础上，叠加直流偏移校正分量，实现中点电压交流波动与直流偏移的协同抑制。最后，通过仿真和实验验证了所提策略的有效性。

章节片段

VIENNA整流器的工作原理与控制

图1展示了VIENNA整流器的电路拓扑结构。该电路由三相对称输入电压源U_a、U_b、U_c，带等效串联电阻R的输入滤波电感L，整流二极管D₁～D₆，由两个共源连接的MOSFET构成的双向开关Q_a、Q_b、Q_c，以及直流母线分压电容C₁和C₂组成。

三相电流i_x（x = a, b, c）的正方向定义为从交流电源流向整流器桥侧。

中点电位波动分析

当VIENNA整流器中所有开关均处于断开或导通状态时，没有电流流入或流出直流母线中点，因此中点电位不受影响。然而，当一相或两相的开关导通时，输入电流的极性对中点电位产生不同的影响，导致中点电位偏离。因此，VIENNA整流器中点电压波动是由不等量的充放电所引起的。

基于中点电荷平衡的改进零序电压分量注入策略

基于前述分析，在传统基于载波的脉宽调制（CBPWM）下，中点电流包含以三次谐波为主导的低频分量。该分量导致上下直流母线电容之间发生周期性电荷转移，是中点电位波动的主要原因。为抑制该波动，利用零序电压所提供的调制自由度——该分量不会改变三相线

仿真验证

为验证所提控制策略的有效性，建立了仿真模型，仿真参数如表5所示。

为验证直流偏移校正分量的有效性，将上下直流母线电容分别设置为$C_1=220\mu \mathrm{F}$和$C_2=180\mu \mathrm{F}$，具体参数见表5。两个电容电压初始值均设为400 V，每个电容的ESR设为0.5 Ω。保持交流补偿零序分量$v_{0,\text{ac}}$

结论

本文研究了VIENNA整流器中的中点电位波动问题，主要结论总结如下：

• 1)
  分析表明，中点电位波动源于中点电流引起的上下直流母线电容充放电不平衡。波动幅度与调制比和输入电流幅值成正比，与电网频率和成反比

基金

本研究由陕西省自然科学基础研究计划（编号：2026JC-YBMS-0578）和榆林市科技局产学研合作计划（编号：CXY-00-033）资助。

CRediT作者贡献声明

王当书：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写。王浩：形式化分析。杨家豪：资金获取。祖关美：形式化分析。尹讯宾：方法论。任新磊：方法论。王芯霞：项目管理。

王当书|王浩|杨家豪|祖关美|尹讯宾|任新磊|王芯霞