学术简报︱用于改善电流过零点畸变的Vienna整流器空间矢量调制策略
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室的研究人员王涛、陈昌松、段善旭、朱文杰、刘恬畅，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文指出，Vienna整流器在空间矢量调制（SVM）下输入电流过零点会产生畸变，降低电流总谐波畸变率（THD）。
本文首先针对采用dq坐标系双环控制下的交错并联Vienna整流器，从SVM等效调制波的角度阐述了Vienna整流器输入电流过零点畸变的原因，并提出一种过零钳位空间调制策略，通过优化输入电流过零点附近扇区内冗余矢量的分配，避免输入电流过零点的畸变，降低了输入电流THD，该策略实施简单，无需额外计算量。其次，分析这种调制策略的适用范围以及对Vienna整流器中点电流、电感电流纹波的影响。
结果表明，和传统SVM相比，本文所提方式适用范围广，在抑制电流过零点波形畸变的同时能够减少附近的电流纹波。最后，通过仿真和实验验证了所提调制方式的有效性和理论分析的正确性。
Vienna整流器相比于两电平变换器有器件应力低、功率密度高、电流谐波含量小等优势，相比于普通的三电平变换器有结构简单、功率器件少、可靠性高等优势。因此，Vienna整流器是三相功率因数校正器优秀拓扑。
Vienna整流器常见的调制策略主要有载波调制（Carrier Based-Pulse Width Modulation, CB-PWM）、空间矢量调制（Space Vector Modulation, SVM）和断续脉宽调制（Discontinuous Pulse Width Modulation, DPWM）这三类。
载波调制中有基于正弦调制波的正弦载波调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM），也有基于共模分量注入的载波调制。SPWM方式简单，但是电压利用率不高，中点电压波动大。3次谐波注入是一种常见的共模分量注入的CB-PWM方法，这种方法可以提高电压利用率，减少中点电压波动。
空间矢量调制主要包括最近三矢量（Nearest Three Vectors, NTV）法和简化SVM法。有学者将最近三矢量法应用到Vienna整流器中，这种方法虽然物理意义明确，但是扇区判断和矢量时间计算都较为复杂。简化SVM的扇区划分方式和NTV法不同，并且通过对空间矢量的平移将三电平矢量调制简化为两电平矢量调制，从而简化了扇区判断和时间计算。
但是，无论目标矢量处于什么位置，这两种方式所选择的有效矢量都是相同的，所以本质上是一种调制策略的两种不同实现方式。采用DPWM策略的主要目的是减少开关损耗，这种调制方式在特定时间分别将调制波钳位到正、负、零三种电平，从而达到减少开关动作次数的目的，但是这种调制策略下，中点电压波动大，电流谐波含量高。
以上三种不同的调制策略之间存在紧密的关联，有学者指出矢量调制可以等效为注入共模分量的载波调制，并且能推导出不同扇区内相应的共模分量表达式。有学者在矢量调制的过程中交替选择单一冗余矢量，通过矢量调制的方式实现了两种不同的DPWM策略。有学者通过注入共模分量的载波调制实现了DPWM，并且总结了DPWM策略的共模分量的表达式。
受到Vienna整流器工作特性的影响，Vienna整流器输入电流在过零点附近会发生畸变。有学者指出造成电流畸变的原因是输入电流与调制波符号不同，并使用DPWM方式保证电流和调制波符号始终一致，可以避免电流的过零点畸变。
有学者指出是由于在矢量调制的过程中输入电流方向的检测误差造成输入电流的畸变，并同样使用DPWM方式代替SVM解决了该问题。
有学者指出是由于在矢量调制的过程进入了非正常区域导致了电流的畸变，并且中点电压的不平衡会增加这一区域，提出了一种零序分量注入调制方式用于补偿不正常区域的三相调制波。
有学者分析了器件关断延时对基于宽禁带器件Vienna整流器输入电流谐波的影响，并提出了一种补偿措施抵消关断延时的影响。空间矢量调制下Vienna整流器输入电流过零点附近的畸变更加显著，开关频率的提高、输入滤波电感的减少更会加重这种畸变，该畸变引入的谐波往往难以抑制。
上述文献虽然提出了不同措施用于解决电流畸变问题，但是对这一现象出现的原因解释得不够充分。
因此，本文首先针对dq旋转坐标系双环控制下的交错并联Vienna整流器系统，从矢量调制等效调制波的角度详细阐述了Vienna整流器输入电流过零点畸变的原因。提出了对传统Vienna整流器空间矢量调制的一种改进措施，该策略在电流过零点附近扇区内优化冗余矢量安排，避免了输入电流过零点的畸变。这种方法实现简单，无需增加额外的计算量。其次，分析了改进SVM的适用范围、中点电流和电流纹波大小。
分析结果表明，本文所提改进措施适用范围广，不仅能够解决电流过零点畸变问题，抑制了带宽附近难以抑制的谐波，减少输入电流总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD），而且能够明显减少输入电流过零点附近的纹波大小。最后，通过仿真并在一台交错并联Vienna整流器系统实验，验证了所提改进措施的有效性和理论分析的正确性。
图18 Vienna整流器实验平台
三电平SVM的等效调制波在过零处存在突变，当Vienna整流器输入电流与调制波相位不同时，这会引起输入电流过零点附近产生畸变。本文针对交错并联Vienna整流器，分析了传统SVM下输入电流过零点附近的畸变机理，并提出了一种过零钳位型SVM策略（ZCC-SVM），保证输入电流顺利过零，有效抑制了输入电流带宽附近的谐波，改善了波形质量。这种调制方式的特点总结如下：
1）不仅能够抑制输入电流过零点畸变，显著地降低了难以抑制的控制带宽附近的谐波，优化了输入电流质量，而且能够减少输入电流过零点附近的纹波。
2）实现方式简单，无需增加额外的计算。
3）适用范围广，在额定工作条件（380V交流输入，750V电压输出）下允许滞后电压的相位14.1°，远远满足实际工作要求。
4）少量增加中点电压波动，但对输入电流谐波造成的影响较小。