一种宽范围不平衡电网下优化VIENNA整流器输入电流的方法

一种宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法
技术领域
1.本发明属于电力电子变换装置技术领域，特别是一种宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法。


背景技术：

2.随着半导体技术和微处理技术的迅猛发展，电力电子技术在近三十年发生了巨大的变化，并越来越广泛地被应用于国民经济的各个领域，其中包括各种高品质电源、柔性交流输电系统(flexible ac transmission system，facts)、高压直流输电(high voltage direct current)及航空航天等应用领域。同时，这些设备及系统的非线性、冲击性和不平衡性将会导致电网中的电压波形与电流波形发生畸变，从而降低输入电流品质，使设备和系统的效率大大降低。
3.在1980年的ieee工业应用(isa)年会上，日本的a.nabae提出三电平中点箝位式结构；随后，j.w.kolar等人于1994年提出了vienna整流器结构，其因输入电流正弦化且畸变率低、能够实现单位功率因数运行等优点而引起学界关注与研究。三相三电平vienna整流器具有高功率密度、高系统可靠性等方面的优点被广泛应用于航空交流供电系统中。相对于传统的二极管箝位型、飞跨电容箝位型三电平整流器，其拓扑结构更加简单，所需的功率器件较少，无桥臂直通风险无需设置死区时间。因此，在一些大功率，高功率密度的场合，vienna整流器是一种非常理想的拓扑。
4.然而，三电平vienna整流器拓扑结构具有一定的特殊性，滤波电感上的压降使得电流矢量和参考电压矢量存在一定的相位差，当电流过零点时导致vienna整流器输出了错误的电压，使得三相电流波形畸变，对电网造成一定的谐波污染，导致功率因数下降。实际上，对vienna整流器输入电流畸变的研究基本上都是假定在电网平衡的单位功率因数条件下，此时电网电压与电流同相位，但实际由于电网电压相位、幅值存在偏移情形，电网往往处于不平衡状态，在此情况下控制目标分为：抑制有功功率二次波动、抑制负序电流和抑制无功功率二次波动三种。这三种控制方式都存在网侧电压与电流有相位差的问题。因为vienna整流器拓扑的约束，vienna整流器稳定工作状态下的限制条件为：整流器三相参考电压极性必须与相应交流侧输入电流极性保持一致。网侧电压与电流之间的相位差会造成整流器网侧电流发生畸变，严重时，甚至会导致系统无法工作。因此，解决电网不平衡时vienna整流器三相电流畸变问题能够减少系统向电网注入的谐波电流。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法，可有效抑制电网不平衡时vienna整流器由网侧电流与参考电压相位不一致而引起的电流畸变，降低网侧电流谐波畸变率，同时提高vienna整流器的效率。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法，其特征在于，包括vienna整流器、数字处理控制模块和驱动电路，其中数
字处理控制模块包括采样单元、电压控制单元、参考电流计算单元、准pr电流控制单元和正弦脉宽调制单元；其中：
7.(1)采样单元分别采集vienna整流器直流侧上下电容电压信号、vienna整流器交流侧的三相电压信号、vienna整流器交流侧的三相电流信号；
8.(2)电压控制单元将直流侧上、下电容电压信号处理为有功功率参考信号；
9.(3)参考电流计算单元将有功功率参考信号以及坐标变换后得到的电压、电流信号处理为静止坐标系下电流参考信号；
10.(4)准pr电流控制单元将电流参考信号进行处理得到调制波信号，送至正弦脉宽调制单元；
11.(5)正弦脉宽调制单元的输出端经过驱动电路，接入三电平vienna整流器中每相桥臂的各个开关管。
12.2、根据权利要求1所述的一种宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法，其特征在于，所述数字处理控制模块为tms320f28377d和epm1270t芯片。
13.3、根据权利要求1所述的一种宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：
14.步骤1、根据vienna整流器自身固有拓扑特性计算其静态工作范围。
15.(1)建立三相参考电压与三相开关管占空比方程；
16.(2)针对占空比在区间[0，1]范围内有解可以求得此时对参考电压的约束，即vienna整流器的静态工作范围；
[0017]
步骤2、计算vienna整流器参考电流指令与参考电压之间的相位差，在静态工作范围内，通过注入零序分量使调制波在畸变区间内钳位为零的方法抑制输入电流畸变；在静态工作范围外，引入负序电流调节系数k，通过调整k的取值将参考电压约束在静态工作范围内，再通过区间钳位的方法抑制输入电流畸变，包括以下步骤：
[0018]
(1)通过双二阶广义积分器锁相环(double second order generalized integrator phase-locked loop，dsogi-pll)提取电网电压正、负序分量及负序分量初始相位角；
[0019]
(2)计算以抑制有功功率二次波动控制策略下的电流参考并计算此时的参考电压；
[0020]
(3)判断此时参考电压是否在静态工作范围内，当在静态工作范围内，提出一种调制波区间钳位的方法，判断参考电压与参考电流极性不一致的区间，此区间即为电流的畸变区间，在畸变区间内叠加零序分量，使原调制波在畸变区间内钳位为零来抑制输入电流畸变；
[0021]
(4)当参考电压在静态工作范围外，提出一种基于负序电流调节的区间钳位方法，引入负序电流调节系数k，重新计算参考电流与参考电压，通过调整k的取值将参考电压约束在静态工作范围内，再通过区间钳位的方法抑制输入电流畸变。
[0022]
步骤3、将得到的调制波通过正弦脉宽调制得到宽范围不平衡电网下vienna整流器开关的脉宽调制波。
[0023]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过采样交流侧三相电压分别计算出电网电压正、负序分量及负序分量初始相位角，结合vienna整流器拓扑约束计算其静态
工作区间，针对不同的电网情况，采用区间钳位的方法和电流指令调节的区间钳位方法有效抑制电网严重不平衡时vienna整流器由网侧电流与参考电压相位不一致而引起的电流畸变，降低网侧电流谐波畸变率，同时提高vienna整流器的效率；(2)适用于宽范围不平衡电网下vienna整流器运行的情况，运算可靠、硬件成本低、控制准确、灵活性好、容易实现。
附图说明
[0024]
图1是本发明中三相三电平vienna整流器的拓扑结构图。
[0025]
图2是本发明中电网受干扰时vienna拓扑alpha-beta静止坐标系下整体控制结构图。
[0026]
图3是本发明中vienna整流器的等效电路图。
[0027]
图4是本发明中调制波区间钳位及零序电压波形示意图。
[0028]
图5是本发明中不平衡电网条件1下三相电压波形图。
[0029]
图6是本发明中不平衡电网条件2下三相电压波形图。
[0030]
图7是本发明中不平衡电网条件1下优化输入电流方法前后三相网侧电流波形图，其中(a)是传统控制下电流的仿真波形，(b)是使用调制波区间钳位方法下的电流仿真波形。
[0031]
图8是本发明中不平衡电网条件1下优化输入电流方法前后a相电流谐波分布对比图，其中(a)是传统控制下电流的谐波分布图，(b)是使用调制波区间钳位方法下的电流的谐波分布图。
[0032]
图9是本发明中不平衡电网条件2下优化输入电流方法前后三相网侧电流波形图，其中(a)是调制波区间钳位的仿真波形，(b)是使用基于电流指令调节的调制波区间钳位方法下的电流仿真波形。
[0033]
图10是本发明中不平衡电网条件2下优化输入电流方法前后a相电流谐波分布对比图，其中(a)是调制波区间钳位下电流的谐波分布图，(b)是使用基于电流指令调节的调制波区间钳位方法下的电流的谐波分布图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细阐述。
[0035]
如图1所示，图1为三相三电平vienna整流器的拓扑结构图。
[0036]
如图2所示，图2为电网不平衡时vienna拓扑alpha-beta静止坐标系下整体控制结构图。
[0037]
在每个开关周期内，数字控制模块的采样单元分别采集交流侧三相电压ea、eb、ec，交流侧三相电流ia、ib、ic，直流侧上电容电压u
c1
和直流侧下电容电压u
c2
；
[0038]
交流侧三相电压通过双二阶广义积分器锁相环单元提取电网电压正序分量e
αp
、e
βp
，负序分量e
αn
、e
βn
，不平衡度λ，负序分量初始相位角θn；
[0039]
输出电压给定u
dc_ref
与测得直流侧输出电压u
dc
作差后经过pi调节器得到输出直流电流给定i
dc_ref
，与输出电压相乘后作为有功功率直流分量的给定信号p0。
[0040]
将p0、e
αp
、e
βp
、e
αn
、e
βn
、λ、θn输入电流负序分量调节系数计算单元得到电流负序分量调节系数k，进一步得到改进后的电流给定，并通过准pr控制器实现网侧电流的跟踪控
制。
[0041]
准pr控制器的输出经过电网电压前馈解耦得到系统的调制波。
[0042]
基于调制波区间钳位方法将调制波叠加零序分量以达到抑制输入电流畸变的目的。
[0043]
最后经过正弦脉宽调制(spwm)得到可控制vienna整流器开关管的脉宽调制波，最终实现vienna整流器的输入电流畸变抑制。
[0044]
进一步地，步骤1根据vienna整流器固有拓扑特性计算其静态工作范围。包括以下步骤：
[0045]
(1)建立三相参考电压与三相开关管占空比方程；设三相参考电压瞬时值为v
a_ref
、v
b_ref
和v
c_ref
；每相开关管的占空比为da、db和dc；对于vienna整流器，有如下等式：
[0046][0047]
将式(1)的通解整理化简可以表述为：
[0048][0049]
其中d0为任意常数。
[0050]
(2)针对占空比在区间[0，1]范围内有解可以求得此时对参考电压的约束，即vienna整流器的静态工作范围；
[0051]
当vienna整流器可以正常工作时，上述矩阵方程中的da、db和dc应在范围[0，1]之间有解。以ia＞0，ib＜0，ic＜0为例，分析公式(2)中对三相参考电压为v
a_ref
、v
b_ref
和v
c_ref
的约束，即vienna整流器的静态工作范围。在此电流条件下公式(2)可简化为：
[0052][0053]
(1)当v
a_ref
＜0、v
b_ref
＜0和v
c_ref
＞0时，d0无解，vienna整流器无法正常工作；
[0054]
(2)当v
a_ref
＜0、v
b_ref
＞0和v
c_ref
＞0时，d0无解，vienna整流器无法正常工作；
[0055]
(3)当v
a_ref
＜0、v
b_ref
＞0和v
c_ref
＜0时，d0无解，vienna整流器无法正常工作；
[0056]
(4)当v
a_ref
＞0、v
b_ref
＜0和v
c_ref
＜0时，d0＝0即可，vienna整流器可以正常工作；
[0057]
(5)当v
a_ref
＞0、v
b_ref
＜0和v
c_ref
＞0时，此时c相参考电压与参考电流极性不一致，
为保证不等式成立，则：
[0058][0059]
对于d0的取值，为保证其余两相都满足不等式的要求，此时可取|d0|
min
，对于不等式(4)，此时取不等式右侧，带入到公式(4)，化简可得：
[0060][0061]
因此，当v
a_ref
＞0、v
b_ref
＜0、v
c_ref
＞0时，vienna整流器正常工作需满足公式(5)。
[0062]
(6)当v
a_ref
＞0、v
b_ref
＞0和v
c_ref
＜0时，与上述方法类似，可得此时的约束方程为：
[0063][0064]
因此，当v
a_ref
＞0、v
b_ref
＞0、v
c_ref
＜0时，vienna整流器正常工作需要满足公式(6)。同理可以推导出不同的电流极性和参考电压极性条件下vienna整流器的工作区间。
[0065]
表1列举了vienna整流器参考电压的约束条件。表中约束公式如下所示：
[0066][0067][0068][0069][0070]
可以发现，当参考电压极性与电流极性存在两相不同时，vienna整流器无法工作。
[0071]
表1 vienna整流器静态工作范围
[0072]
[0073]
进一步地，步骤2计算vienna整流器参考电流指令与参考电压之间的相位差，在静态工作范围内，通过注入零序分量使调制波在畸变区间内钳位为零的方法抑制输入电流畸变；在静态工作范围外，引入负序电流调节系数k，通过调整k的取值将参考电压约束在静态工作范围内，再通过区间钳位的方法抑制输入电流畸变，包括以下步骤：
[0074]
(1)通过双二阶广义积分器锁相环(double second order generalized integrator phase-locked loop，dsogi-pll)提取电网电压正、负序分量及负序分量初始相位角；
[0075]
不平衡电网下基于对称分量法三相电网电压可以分解为正序、负序以及零序分量，对于三相三线制vienna整流器，由于不存在零序电流通路，所以零序电压对功率不产生影响，故而不考虑零序电压的影响，在此条件下，电网电压的表达式可写为：
[0076][0077]
其中a
p
、an为正序、负序基波电压峰值；假设电网电压正序分量的初始相位角为0，电网电压负序分量的初始相位角为θn。
[0078]
(2)计算以抑制有功功率二次波动控制策略下的电流参考并计算此时的参考电压；
[0079]
不平衡电网下vienna整流器存在三种电流控制策略，一般地，选取抑制有功功率为控制目标的电流控制策略，abc坐标系下抑制vienna整流器有功二次波动控制策略的参考电流表达式为：
[0080][0081]
图3为vienna整流器与电网之间的单相等效电路，由图可建立如下等式：
[0082][0083]
通过引入欧拉公式对计算进行简化，将电网电压公式(11)及输入电流指令公式(12)表示为实虚数形式，如下所示：
[0084]
[0085][0086]
联立公式(13)(14)(15)，令λ＝an/a
p
；m＝ωlp0；忽略电感等效电阻r，令：
[0087][0088]
由上可知参考电流及参考电压二者相位差为：
[0089]
δθ
x
＝θ
ix-θ
vx
(x＝a，b，c)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0090]
则θ
vx
、θ
ix
可表示为：
[0091][0092][0093]
其中s
x
、t
x
、m
x
、n
x
的具体表达式为：
[0094][0095][0096][0097][0098]
(3)判断此时参考电压是否在静态工作范围内，当在静态工作范围内，提出一种调制波区间钳位的方法，判断参考电压与参考电流极性不一致的区间，此区间即为电流的畸变区间，在畸变区间内叠加零序分量，使原调制波在畸变区间内钳位为零来抑制输入电流畸变；
[0099]
由公式(20)-(23)的计算可知，在abc坐标系下，参考电流与参考电压可以表示为：
[0100][0101]
其中：
[0102][0103]
基于vienna整流器的拓扑限制，即使参考电压在vienna整流器的静态工作范围内，使用常规的载波调制方法输入电流依然会发生畸变，其主要原因是参考电压与参考电流极性不一致造成的，电流发生畸变的区间即两者极性不一致的区间，由公式(2)可知，通过在畸变区间注入零序分量可以使得三相参考电压与三相电流保持极性一致，因此可以通过在畸变区间将对应相调制波钳位为零的方式抑制输入电流畸变。
[0104]
针对上述调制波区间钳位方法，首先，需要确定电流的畸变区间，即钳位区间。根据式(19)-(23)求解出参考电压和参考电流二者的相位，并确定二者之间的相位差，此时二者的相位差即为畸变区间，即：参考电压和参考电流二者的过零点之间。根据公式(17)，当δθ
x
＞0，此时参考电流超前参考电压，则钳位区间的起点为-θ
ix
，终点为-θ
vx
；当δθ
x
＜0，此时参考电流滞后参考电压，则钳位区间的起点为-θ
vx
，终点为-θ
ix
。在工频周期内，每相参考电压与参考电流各有两次过零点，存在6段钳位区间，三相参考电压钳位区间的分布如表2所示。
[0105]
表2 三相参考电压钳位区间
[0106][0107]
结合vienna整流器静态工作范围，则基于调制波区间钳位方法的零序电压为：
[0108][0109]
以a相为例，在sector a区间内，首先判断此时是否在静态工作范围内，即|v
b，ref-v
a，ref
|≤u
dc
/2，|v
c，ref-v
a，ref
|≤u
dc
/2。当在静态工作范围内，对a相参考电压进行钳位；当超出静态工作范围，不进行钳位，需要重新计算参考电流。基于调制波区间钳位的示意图如图4所示。
[0110]
(4)当参考电压在静态工作范围外，提出一种基于负序电流调节的区间钳位方法，引入负序电流调节系数k，重新计算参考电流与参考电压，通过调整k的取值将参考电压约束在静态工作范围内，再通过区间钳位的方法抑制输入电流畸变。
[0111]
当公式(26)判断此时参考电压在静态工作范围外，此时仅通过区间钳位的方法无
法有效抑制vienna整流器输入电流畸变。本专利基于传统不平衡电网下三种电流控制策略，提出一种新的电流控制策略，在电流指令中引入负序电流控制系数k，将k定义在连续区间(-1，1)之间，令d(k)＝1.5(a
p2
+ka
n2
)；则abc坐标系下网侧三相电流表达式为：
[0112][0113]
对于上述公式，当k＝-1时为抑制有功二次波动控制策略；当k＝0时为抑制电流负序分量控制策略；当k＝1时为抑制无功二次波动控制策略。
[0114]
与上述方法类似，需计算引入k后输入电流参考指令与参考电压之间的相位差。令：
[0115][0116]
此时参考电流及参考电压二者的相位差为：
[0117]
δθ
x
(k)＝θ
ix
(k)-θ
vx
(k)(x＝a，b，c)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0118]
θ
vx
、θ
ix
可表示为：
[0119][0120][0121]
式中m
x
(k)、n
x
(k)、s
x
(k)、t
x
(k)的具体表达式如下所示：
[0122][0123][0124][0125][0126]
将公式(26)引入参数k后可简化为：
[0127][0128]
对于公式(36)，通过调整k的取值满足上述不等式即可保证vienna整流器运行在静态工作范围内，即保证区间钳位后三相调制波与电流极性抑制且不出现过调制现象。以b相为例，设在b相畸变区间内a相为正且a相不出现过调制，可令：
[0129][0130]
求解上述方程即可得到目标k的取值。考虑到电感压降较小，调整k的取值对参考电压的影响较小，因此可以忽略k取值的变化对于参考电压的影响，从而简化计算，令公式(37)中参考电压幅值va(k)、vb(k)与相位θ
va
(k)、θ
vb
(k)中的参数k为-1。
[0131]
将公式(28)-(35)带入上述方程，化简可得：
[0132][0133]
令：
[0134][0135]
考虑到求解函数fb(k)过于复杂，因此可以通过函数拟合的方式等效替代fb(k)，取fb(k)的两端点连线的斜率且经过点(0，fb(0))的直线来等效函数fb(k)，其具体表达式为：
[0136][0137]
将fb(k)等效替代为yb(k)，联立公式(38)(40)，可解得在b相钳位区间，当a相出现过调制且v
a_ref
＞0时k的取值k
ba
为：
[0138][0139]
同理，当计算其他两相时，使用相同的等效方式，因此，fa(k)，fc(k)，ya(k)，yc(k)的表达式如下所示：
[0140][0141][0142]
为方便区分不同电网条件下k的取值，以k
ba
为例，其表示b相区间钳位时a相过调制，其他情况以此类推，则k的取值如下：
[0143]
[0144][0145][0146][0147][0148]
上述公式展示了当在钳位区间进行钳位时，某相参考电压出现过调制且大于0时k的取值，当参考电压小于零时，仅需要将公式中的u
dc
/2替代成-u
dc
/2。即：
[0149][0150][0151]
[0152][0153][0154][0155]
当确定k值后，由式(29)-(35)可知此时的钳位区间δθ
x
，此时按照表3.2所述的钳位区间对参考电压进行钳位即可。综上所述，可得在不同电网条件下k的取值为：
[0156][0157]
其中k＝-1表示仅需对畸变区间进行钳位即可抑制输入电流畸变，参考电压未超出vienna整流器的静态工作范围。进一步地，步骤3将得到的调制波通过正弦脉宽调制得到宽范围不平衡电网下vienna整流器开关的脉宽调制波。
[0158]
实施例1
[0159]
本实施例利用matlab中的simulink工具搭建了三相vienna整流电路，输入电压经三相vienna整流电路整流后得到直流电。仿真过程中的电气参数设置如表3：
[0160]
表3
[0161][0162]
本次仿真选取两种电网条件：
[0163]
(1)设置a相电网初始相位为0；b相电网电压相比于a相，幅值升高20％，相位滞后120
°
，即b相电网电压的初始相位为-120
°
；c相电网电压相比于a相，幅值升高40％，相位超前120
°
，即c相电网电压的初始相位为120
°
；
[0164]
(2)设置a相电网初始相位为0；b相电网电压相比于a相，幅值升高10％，相位滞后100
°
，即b相电网电压的初始相位为-100
°
；c相电网电压相比于a相，幅值升高30％，相位超前140
°
，即c相电网电压的初始相位为140
°
。
[0165]
图5是本发明中不平衡电网条件1下三相电压波形图。
[0166]
图6是本发明中不平衡电网条件2下三相电压波形图。
[0167]
图7是本发明中不平衡电网条件1下优化输入电流方法前后三相网侧电流波形图，其中(a)是传统控制下电流的仿真波形，(b)是使用调制波区间钳位方法下的电流仿真波形。
[0168]
图8是本发明中不平衡电网条件1下优化输入电流方法前后a相电流谐波分布对比图，其中(a)是传统控制下电流的谐波分布图，(b)是使用调制波区间钳位方法下的电流的谐波分布图。
[0169]
此时以抑制有功二次波动控制策略为控制目标的vienna整流器运行在静态工作区间内，使用调制波区间钳位即可有效的抑制交流侧电流的畸变问题。
[0170]
图9是本发明中不平衡电网条件2下使用负序电流调节前后三相网侧电流波形图，其中(a)是调制波区间钳位的仿真波形，(b)是使用负序电流调节的调制波区间钳位方法下的电流仿真波形。
[0171]
图10是本发明中不平衡电网条件2下使用负序电流调节前后c相电流谐波分布对比图，其中(a)是调制波区间钳位下电流的谐波分布图，(b)是使用基于电流指令调节的调制波区间钳位方法下的电流的谐波分布图。
[0172]
此时以抑制有功二次波动控制策略为控制目标的vienna整流器运行在静态工作区间外，使用调制波区间钳位无法有效的抑制交流侧电流的畸变问题，使用基于电流指令调节的调制波区间钳位方法才能有效抑制交流侧电流的畸变。
[0173]
综上所述，本发明阐述的一种用于宽范围不平衡电网下优化vienna整流器输入电流的方法，通过采样三相电网电压，计算出三相电流和三相参考电压，结合vienna整流器自身拓扑约束，确定vienna整流器的静态工作范围，在静态工作范围内，提出一种基于调制波区间钳位的方法抑制输入电流畸变，在静态工作范围外，提出一种基于电流指令调节的调制波区间钳位方法抑制输入电流畸变。本发明可有效抑制电网受干扰时vienna整流器由网侧电流与参考电压相位不一致而引起的电流畸变，提高系统功率因数，降低网侧电流谐波畸变率，同时提高vienna整流器的效率，满足电网及用电设备对谐波标准的严格要求。