Vienna整流器的控制及其电流过零畸变的抑制方法

vienna整流器的控制及其电流过零畸变的抑制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种vienna整流器的控制及其电流过零畸变的抑制方法。


背景技术：

2.电力电子技术从20世纪70年代发展至今，不同的拓扑结构及其控制方法得到了深入研究，并广泛应用于生活生产等各个领域。但由于电力电子装置的非线性特性会产生大量无功功率和谐波，这不可避免地对电网造成了污染，提高电力电子装置电能质量对电力系统环境净化具有重要意义。据相关报告统计，在各类电力电子装置中，整流器所占比例达到70％以上，如果不能选取合适的拓扑结构和控制策略，不仅会增加功率器件的开关应力，而且会造成严重的电网污染，如何在保证这些不同类型整流装置正常工作的前提下，同时减少对电网谐波污染和无功损耗具有重要实践意义。
3.目前，解决整流装置带来的谐波污染和无功损耗问题的方法主要有两种：一是在电网中加入有源滤波器(active power filter，apf)，对网侧谐波和无功进行补偿；二是采用功率因数校正(power factor correction，pfc)技术，与apf相比，pfc技术能从源头出发解决整流装置产生谐波和向电网注入谐波的问题，能极大地减小补偿装置的使用，经济性更好。在各类两电平和三电平整流器中，vienna整流器以其结构简单、控制方案简单、驱动电路少、器件电压应力低、功率密度高等优点备受关注。在包括插电式混合动力汽车和电动汽车的充电桩等领域得到了广泛应用与传统的两电平整流器相比，vienna整流器由于电平数增加，在抑制交流侧谐波的效果更好，在相同输入电压的情况下，每个开关管上的电压应力小，开关损耗低，能显著提高电能利用率，满足人们对高压和大功率的应用要求。与传统的三电平整流器相比，vienna整流器所需的功率器件数量少且无桥臂直通问题，因此具有很好的应用前景。
4.然而，在实际工作中，电网电压往往会出现不平衡的情况。传统的vienna整流器控制策略将会失效，并且将会在直流侧产生偶次谐波，交流侧产生奇次谐波。同时，vienna整流器存在固有的电流过零畸变问题，对电网造成一定的谐波污染，导致功率因数下降。因此，需要采用合适的控制和调制策略，使vienna整流在电网电压不平衡时也能够稳定运行，并降低甚至完全消除电流过零畸变问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种vienna整流器的控制及其电流过零畸变的抑制方法。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
7.一种vienna整流器的控制及其电流过零畸变的抑制方法，包括以下步骤：
8.s1：采集电网电压瞬时值进行正负序分离，计算出正负序相位角，进而得到电网电压在d轴下的正、负序分量
9.s2：基于电网电压在d轴下的正、负序分量计算出vienna整流器在电网电压不平衡下的参考电流；
10.s3：根据所述参考电流计算出vienna整流器在abc轴系下的参考电压；
11.s4：对所述参考电压的瞬时值排序，得到参考电压的max相、mid相和min相，所述参考电流的max相、mid相和min相对应所述参考电压排序结果，进而得到参考电流的mid相；
12.s5：根据所述参考电压的max相、mid相、min相与参考电流的mid相之间的关系，分析参考电压所在区域，判断电流过零点是否发生畸变，采用合成误差最小的合成方法计算出调制电压。
13.作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s1具体包括以下步骤：
14.s101：采集电网的电压瞬时值；
15.s102：对所述电压瞬时值进行正负序分离，得到电压瞬时值在αβ轴下的正负序分量
16.s103：根据电压瞬时值在αβ轴下的正负序分量计算出电网电压正负序分量的瞬时相位角δ
+
、δ-；
17.s104：根据电网电压正负序分量的瞬时相位角δ
+
、δ-计算出电网电压在d轴下的正、负序分量
18.作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2具体包括以下内容：基于vienna整流器在电网电压不平衡下采用均衡电流控制方法，并计算出参考电流：
19.保持交流侧输入平均功率为直流侧需求功率，三相电流正弦且对称，参考电流计算公式如下：
[0020][0021]
式中，分别表示参考电流在dq轴下的正负序分量，p
0,ref
表示直流侧需求功率。
[0022]
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2具体包括以下内容：基于vienna整流器在电网电压不平衡下采用瞬时功率控制方法，并计算出参考电流：
[0023]
保证交流侧输入功率瞬时值等于直流侧需求功率，三相电流正弦但不对称，参考电流计算公式如下：
[0024][0025]
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s3具体包括以下步骤：
[0026]
s301：将dq轴下的参考电流变换到αβ轴下，得到αβ轴下的参考电流，公式如下：
[0027][0028]
s302：根据αβ轴下的参考电流计算出vienna整流器在αβ轴下的参考电压，计算公式如下：
[0029][0030]
式中，e
α
、e
β
分别为电网电压在αβ轴下的分量，l为电感量，ts为采样周期，δu
α
和δu
β
分别为电感压降在αβ轴下的分量；
[0031]
s303：将αβ轴下的参考电压变换到abc轴系下，计算公式如下：
[0032][0033]
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s4中对参考电压的瞬时值排序的公式如下：
[0034][0035]
式中u
max
、u
mid
、u
min
分别为参考电压的max相、mid相和min相。
[0036]
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s5具体包括以下内容：根据所述参考电压的max相、mid相、min相与参考电流的mid相之间的关系：
[0037]
①
若u
midimid
≥0，其中i
mid
为参考电流的mid相，此时位于非电流过零区域，则调制电压为：
[0038][0039]
②
若u
mid
＞0,i
mid
＜0且u
mid-u
min
《0.5u
dc
或u
mid
＜0,i
mid
＞0且u
max-u
mid
》0.5u
dc
，此时位于电流过零畸变区域但可以采用dpwm调制方法来完全消除电流过零畸变，其调制电压应为：
[0040][0041]
③
若u
mid
＞0,i
mid
＜0且u
mid-u
min
＞0.5u
dc
或u
mid
＜0,i
mid
＞0且u
max-u
mid
》0.5u
dc
，此时
位于电流过零畸变区域采用垂足近似合成法来缓解电流过零畸变问题，其中：
[0042]
若u
mid
＞0,i
mid
＜0且u
mid-u
min
＞0.5u
dc
，其调制电压应为：
[0043][0044]
若u
mid
＜0,i
mid
＞0且u
max-u
mid
》0.5u
dc
，其调制电压应为：
[0045][0046]
本发明的有益效果在于：
[0047]
1、本发明基于不同的控制目标，采用对应的控制方法，使vienna整流器在电网电压不平衡时，也能够稳定运行；
[0048]
2、本发明针对vienna整流器电流产生过零畸变的根本原因，从本质上有效地降低了电流畸变；
[0049]
3、本发明无需增加任何外设，适用性强，控制简单，易于实现。
附图说明
[0050]
图1为本发明的流程框图；
[0051]
图2为vienna整流器的拓扑图；
[0052]
图3为电网电压a相突然跌落30％，采用均衡电流控制的实验结果图；
[0053]
图4为电网电压a相突然跌落30％，采用瞬时功率控制的实验结果图；
[0054]
图5为电网电压跌落10％、瞬时功率控制时，传统调制方法的实验结果图；
[0055]
图6为电网电压跌落10％、瞬时功率控制时，采用本发明调制方法的实验结果图；
[0056]
图7为电网电压跌落30％、瞬时功率控制时，传统调制方法的实验结果图；
[0057]
图8为电网电压跌落30％、瞬时功率控制时，采用本发明调制方法的实验结果图。
具体实施方式
[0058]
下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
[0059]
实施例1
[0060]
如图1-8所示，一种vienna整流器的控制及其电流过零畸变的抑制方法，包括以下步骤：
[0061]
表1本发明实施案例中整流器系统的参数
[0062][0063]
步骤s1、对采集的电网电压瞬时值做正负序分离，得到并计算出正负序相角δ
+
、δ-，进而得到
[0064]
步骤s2、基于vienna整流器在电网电压不平衡下的控制目标选择控制方法，计算出参考电流；
[0065]
vienna整流器在电网电压不平衡下的控制目标有如下两种，及其参考电流计算方法：
[0066]
①
均衡电流控制
[0067]
保持交流侧输入平均功率为直流侧需求功率，三相电流正弦且对称。
[0068][0069]
式中，分别表示参考电流在dq轴下的正负序分量，p
0,ref
表示直流侧需求功率，表示电网电压在d轴下的正序分量。
[0070]
②
瞬时功率控制
[0071]
保证交流侧输入功率瞬时值等于直流侧需求功率，三相电流正弦但不对称。
[0072][0073]
式中，表示电网电压在d轴下的负序分量。
[0074]
图3给出了电网电压a相突然跌落30％，均衡电流控制的电流、电压和直流侧波形结果。图4给出了电网电压a相突然跌落30％，瞬时功率控制的电流、电压和直流侧波形结果。其中，采用均衡电流控制时，三相电流正弦且对称，但直流侧母线电压会出现波动；采用
瞬时功率控制时，直流侧母线电压几乎无波动，但三相电流正弦不对称。
[0075]
步骤s3、把s2中dq轴下的电流变换到αβ轴下，计算出vienna整流器在αβ轴下的参考电压，并将其变换到abc轴系下；
[0076]
把步骤s2中dq轴下的电流变换到αβ轴下：
[0077][0078]
式中，δ
+
、δ-分别表示电网电压正负序分量的瞬时相位角。
[0079]
根据下式，计算出整流器在αβ轴下的参考电压：
[0080][0081]
式中，e
α,ref
、e
β,ref
分别为电网电压下个周期在αβ轴下的分量，l为电感量，本例中取5mh，ts为采样周期，取0.1ms，δu
α
和δu
β
分别为电感压降在αβ轴下的分量。
[0082]
将其变换到abc轴系下为：
[0083][0084]
步骤s4、对参考电压的瞬时值排序，得到参考电压的max相、mid相和min相，电流的max相、mid相和min相跟随电压排序结果；
[0085]
参考电压的排序公式为：
[0086][0087]
步骤s5、根据u
max
、u
mid
、u
min
以及i
mid
之间的关系，分析参考电压所在区域，采用合成误差最小的合成方法计算出调制电压。
[0088]
①
若u
midimid
≥0，此时位于非电流过零区域，则调制电压为：
[0089][0090]
②
若u
mid
＞0,i
mid
＜0且u
mid-u
min
《0.5u
dc
或u
mid
＜0,i
mid
＞0且u
max-u
mid
》0.5u
dc
，此时位于电流过零畸变区域但可以采用dpwm方法来完全消除电流过零畸变，其调制电压应为：
[0091][0092]
③
若u
mid
＞0,i
mid
＜0且u
mid-u
min
＞0.5u
dc
或u
mid
＜0,i
mid
＞0且u
max-u
mid
》0.5u
dc
，此时位于电流过零畸变区域采用垂足近似合成法来缓解电流过零畸变问题，其中：
[0093]
若u
mid
＞0,i
mid
＜0且u
mid-u
min
＞0.5u
dc
，其调制电压应为：
[0094][0095]
若u
mid
＜0,i
mid
＞0且u
max-u
mid
》0.5u
dc
，其调制电压应为：
[0096][0097]
图图5和图6分别给出了a相电网电压跌落10％、采用瞬时功率控制时，传统调制方法与本发明调制方法的结果。图7和图8分别给出了a相电网电压跌落30％、采用瞬时功率控制时，传统调制方法与本发明调制方法的结果。对比图5和图6、图7和图8可知，在电网电压不平衡时，采用本发明的调制方法能够降低电流过零畸变程度，显著提高了电流的thd，并且随着电网电压跌落程度越深，改善效果越明显。
[0098]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。