VIENNA整流器输入电流畸变抑制方法及系统

vienna整流器输入电流畸变抑制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及三电平整流器技术领域，具体涉及一种vienna整流器输入电流畸变抑制方法及系统。


背景技术：

2.随着电动汽车工业技术水平的不断发展，电力电子变流装置在电动汽车领域的应用范围愈来愈广泛。由于vienna整流器功率密度高、开关器件少、无需设置驱动死区等特点，vienna整流器拓扑被广泛应用于电动汽车充电桩的前级整流电路。作为并网设备，vienna整流器的谐波特性，功率因数等参数至关重要，以上参数的优劣受vienna整流器的调制策略影响。
3.目前，采用的主要调制策略为空间矢量调制，空间矢量调制技术可以有效控制直流侧电容电位差，同时可以提高电压利用率。vienna整流器拓扑如图1所示，ea，eb，ec为三相电压，l为网侧滤波电感，d
1-d6为快恢复二极管，双向开关sa，sb，sc由一对开关管组成，c
p
和cn为直流侧上下平衡电容。通过对三电平vienna整流器结构分析可知，由于网侧滤波电感的存在，会导致vienna整流器的电流滞后于电压一个角度，调制波在穿越零点时主要是受调制波中零序电压分量影响，在空间矢量调制下，调制波在相电流过零点区域会发生较大突变，由于调制波会滞后网侧电压一定的相角，此时调制波的突变会导致网侧电流发生畸变，网侧电流thd升高。
4.相关技术中，《电工技术学报》2019年9月第34卷第18期刊登的名称为“用于改善电流过零点畸变的vienna整流器空间矢量调制策略”的文章提出了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。但所提调制方式只选用了单一的冗余矢量，对电流过零区域，调制波钳位至零电平，但对中点电位波动的抑制效果较差。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于如何降低电流谐波畸变率。
6.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
7.一方面，本发明提出了一种vienna整流器输入电流畸变抑制方法，所述方法包括：
8.采样vienna整流器的电量信息，所述电量信息包括直流侧电压和网侧电流；
9.基于所述电量信息，确定电流非畸变区域和电流畸变区域；
10.分别在所述电流非畸变区域注入与空间矢量调制对应的第一零序分量，在所述电流畸变区域注入用于抑制电流畸变的第二零序分量，获得三相调制波，其中，所述第二零序分量的公式表示如下：
11.u2＝0.25sin(3ωt)
12.式中，ω表示电网电压角频率，t表示时间变量。
13.本发明通过基于vienna整流器的电量信息，确定电流畸变区域和电流非畸变区
域，并对畸变区域注入抑制电流畸变的零序分量，非畸变区域注入空间矢量调制模式下的零序分量，获得全新的调制波；不仅保留了空间矢量调制模式下对vienna整流器中点电位的平衡控制，同时解决了空间矢量调制模式下输入电流畸变引起thd升高的问题，而且可以提高直流侧电压利用率，易于工程实现。
14.进一步地，所述基于所述电量信息，确定电流非畸变区域和电流畸变区域，包括：
15.将所述直流侧电压和所述网侧电流经pi控制器双闭环控制，得到三相正弦调制波；
16.基于所述三相正弦调制波的正负关系，进行矢量划分，得到六个主扇区，每个所述主扇区角度为60
°
；
17.基于两电平扇区划分方式，将每个所述主扇区划分为六个子扇区，确定电流非畸变区域和电流畸变区域。
18.进一步地，所述pi控制器的控制环包括电压外环和电流内环，所述将所述直流侧电压和所述网侧电流经pi控制器双闭环控制，得到三相正弦调制波，包括：
19.将所述电压外环的给定值和作为所述电压外环实际值的所述电量信息经所述pi控制器输出作为所述电流内环d轴的给定值，所述电流内环q轴的给定值为0；
20.所述电流内环经解耦控制后进行dq反变换至abc坐标系下，得到所述三相正弦调制波。
21.进一步地，所述第二零序分量的计算过程包括：
22.向桥臂的开关函数中注入零序电压分量，得到所述开关函数的调制波的表达式为：
[0023][0024]
式中，da，db，dc为所述开关函数的基波分量，d0为向开关函数中注入的零序分量；
[0025]
将所述开关函数的调制波的表达式代入所述vienna整流器的中线电流表达式，得到新的中线电流表达式：
[0026]-in＝da|ia|+db|ib|+dc|ic|+d0(|ia|+|ib|+|ic|)
[0027]
式中：ia，ib，ic为网侧电流；
[0028]
令所述新的中线电流表达式为0可解的最佳零序分量表达式为：
[0029][0030]
对所述最佳零序分量表示式进行傅里叶分析，得到所述第二零序分量。
[0031]
进一步地，所述第一零序分量的计算过程包括：
[0032]
确定目标矢量位于的子扇区位置，选择该子扇区的临近三矢量，对所述目标矢量进行合成；
[0033]
按照七段式矢量合成顺序，得到空间矢量调制模式下该子扇区对应的第一零序分量，所述第一零序分量为：
[0034]
u1＝f(1-m
max
+m
min
)-m
min
[0035]
式中：f为冗余矢量分配系数，m
max
和m
min
分别为修正后三相调制波m
x
(x＝a,b,c)中的最大值和最小值。
[0036]
具体地，所述确定目标矢量位于的子扇区位置，选择该子扇区的临近三矢量，对所述目标矢量进行合成，包括：
[0037]
基于所述目标矢量位于的区域位置，根据空间矢量合成法则，选择最近的三个矢量对所述目标矢量合成，得到合成结果；
[0038]
对所述合成结果标幺化后转换至abc坐标系下，得到转换公式；
[0039]
基于所述合成结果和所述转换公式，计算最近的三个矢量的作用时间；
[0040]
通过分配冗余小矢量的作用时间来控制流入中点的电流。
[0041]
此外，本发明还提出了一种vienna整流器输入电流畸变抑制系统，所述系统包括：
[0042]
采样模块，用于采样vienna整流器的电量信息，所述电量信息包括直流侧电压和网侧电流；
[0043]
区域确定模块，用于基于所述电量信息，确定电流非畸变区域和电流畸变区域；
[0044]
抑制模块，用于分别在所述电流非畸变区域注入与空间矢量调制对应的第一零序分量，在所述电流畸变区域注入用于抑制电流畸变的第二零序分量，获得三相调制波，其中，所述第二零序分量的公式表示如下：
[0045]
u2＝0.25sin(3ωt)
[0046]
式中，ω表示电网电压角频率，t表示时间变量。
[0047]
进一步地，所述区域确定模块包括：
[0048]
控制单元，用于将所述直流侧电压和所述网侧电流经pi控制器双闭环控制，得到三相正弦调制波；
[0049]
第一划分单元，用于基于所述三相正弦调制波的正负关系，进行矢量划分，得到六个主扇区，每个所述主扇区角度为60
°
；
[0050]
第二划分单元，用于基于两电平扇区划分方式，将每个所述主扇区划分为六个子扇区，确定电流非畸变区域和电流畸变区域。
[0051]
进一步地，所述系统还包括第二零序分量计算模块，用于：
[0052]
向桥臂的开关函数中注入零序电压分量，得到所述开关函数的调制波的表达式为：
[0053][0054]
式中，da，db，dc为所述开关函数的基波分量，d0为向开关函数中注入的零序分量。
[0055]
将所述开关函数的调制波的表达式代入所述vienna整流器的中线电流表达式，得到新的中线电流表达式：
[0056]-in＝da|ia|+db|ib|+dc|ic|+d0(|ia|+|ib|+|ic|)
[0057]
式中：ia，ib，ic为网侧电流；
[0058]
令所述新的中线电流表达式为0可解的最佳零序分量表达式为：
[0059][0060]
对所述最佳零序分量表示式进行傅里叶分析，得到所述第二零序分量。
[0061]
进一步地，所述系统还包括第一零序分量计算模块，用于：
[0062]
确定目标矢量位于的子扇区位置，选择该子扇区的临近三矢量，对所述目标矢量进行合成；
[0063]
按照七段式矢量合成顺序，得到空间矢量调制模式下该子扇区对应的第一零序分量。
[0064]
本发明的优点在于：
[0065]
(1)本发明通过基于vienna整流器的电量信息，确定电流畸变区域和电流非畸变区域，并对畸变区域注入抑制电流畸变的零序分量，非畸变区域注入空间矢量调制模式下的零序分量，获得全新的调制波；不仅保留了空间矢量调制模式下对vienna整流器中点电位的平衡控制，同时解决了空间矢量调制模式下输入电流畸变引起thd升高的问题，而且可以提高直流侧电压利用率，易于工程实现。
[0066]
(2)在三电平整流器中，空间矢量调制通过分配冗余小矢量的作用时间来控制流入中点的电流，以使网侧电流维持在稳定范围内。
[0067]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0068]
图1是本发明背景技术部分提及的三相电平vienna整流器电路结构图；
[0069]
图2是本发明中vienna整流器输入电流畸变抑制方法的流程示意图；
[0070]
图3是本发明中vienna整流器扇区护划分及矢量分布示意图；
[0071]
图4是本发明中小扇区划分及矢量合成示意图；
[0072]
图5是本发明中vienna整流器空间矢量调制波示意图；
[0073]
图6是本发明中抑制电流畸变调制波示意图；
[0074]
图7是本发明中空间矢量调制模式下网侧电流及中点电位波形图；
[0075]
图8是本发明中抑制电流畸变调制模式下网侧电流及中点电位波形图；
[0076]
图9是本发明中vienna整流器输入电流畸变抑制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0077]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0078]
如图2所示，本发明第一实施例提出了一种vienna整流器输入电流畸变抑制方法，所述方法包括以下步骤：
[0079]
s10、采样vienna整流器的电量信息，所述电量信息包括直流侧电压和网侧电流。
[0080]
需要说明的是，本实施例可利用微处理器的ad采样口采样得到vienna整流器的直流侧电压和网侧电流。
[0081]
s20、基于所述电量信息，确定电流非畸变区域和电流畸变区域。
[0082]
s30、分别在所述电流非畸变区域注入与空间矢量调制对应的第一零序分量，在所述电流畸变区域注入用于抑制电流畸变的第二零序分量，获得三相调制波，其中，所述第二零序分量的公式表示如下：
[0083]
u2＝0.25sin(3ωt)
[0084]
式中，ω表示电网电压角频率，t表示时间变量。
[0085]
本实施例在空间矢量调制的基础上，在调制波穿越零点区域加以修正，即网侧电流发生畸变区域在调制波中注入一个抑制电流谐波的第二零序分量以此抑制谐波电流，而电流未发生畸变区域在调制波中注入空间矢量调制模式下的零序分量，获得全新的调制波；不仅保留了空间矢量调制模式下对vienna整流器中点电位的平衡控制，同时解决了空间矢量调制模式下输入电流畸变引起thd升高的问题，而且可以提高直流侧电压利用率，易于工程实现。
[0086]
在一实施例中，所述步骤s20，包括以下步骤：
[0087]
s21、将所述直流侧电压和所述网侧电流经pi控制器双闭环控制，得到三相正弦调制波。
[0088]
需要说明的是，本实施例利用微处理器的ad采样口采样得到vienna整流器的直流侧电压和网侧电流，并将以上电量信息在处理器中通过pi双闭环控制后得到三相正弦调制波。
[0089]
s22、基于所述三相正弦调制波的正负关系，进行矢量划分，得到六个主扇区，每个所述主扇区角度为60
°
。
[0090]
具体地，本实施例根据三相正弦调制波的正负值关系，将空间矢量划分为6个主扇区，记为i，ii，iii，iv，v，vi，每个主扇区的角度为60
°
。该种大扇区划分方式能够避免复杂的三角函数计算，节省微处理器计算单元，提高程序运行速度，扇区及矢量分布如图3所示。
[0091]
s23、基于两电平扇区划分方式，将每个所述主扇区划分为六个子扇区，确定电流非畸变区域和电流畸变区域。
[0092]
具体地，在6个主扇区内，将每个主扇区划分为6个小的子扇区，在子扇区划分时，不再套用大扇区划分方式，而是采用基于两电平的小扇区划分方式，以第i大扇区为例，电流发生畸变区域为每个大扇区的第2，3，4，5小扇区，如图4所示。
[0093]
在一实施例中，所述pi控制器的控制环包括电压外环和电流内环，所述步骤s31，包括以下步骤：
[0094]
将所述电压外环的给定值和作为所述电压外环实际值的所述电量信息经所述pi控制器输出作为所述电流内环d轴的给定值，所述电流内环q轴的给定值为0。
[0095]
所述电流内环经解耦控制后进行dq反变换至abc坐标系下，得到所述三相正弦调制波。
[0096]
在一实施例中，所述步骤s40中，所述第二零序分量的计算过程包括：
[0097]
(1)电流经中线流入直流侧电容中点时，三相电流发生不平衡现象，导致网侧电流畸变，电流thd升高，vienna整流器流入中线的电流表达式位：
[0098]-in＝da|ia|+db|ib|+dc|ic|
[0099]
式中：ia，ib，ic为网侧电流，da，db，dc为开关函数的基波分量，当功率因数为1时，其表达式为：
[0100][0101]
式中：im为电流幅值，ω为电压角频率。
[0102]
开关函数的基波分量的表达式如下：
[0103][0104]
式中：m为调制度。
[0105]
(2)向桥臂的开关函数中注入零序电压分量，得到所述开关函数的调制波的表达式为：
[0106][0107]
式中，da，db，dc为所述开关函数的基波分量，d0为向开关函数中注入的零序分量。
[0108]
(3)将所述开关函数的调制波的表达式代入所述vienna整流器的中线电流表达式，得到新的中线电流表达式：
[0109]-in＝da|ia|+db|ib|+dc|ic|+d0(|ia|+|ib|+|ic|)
[0110]
式中：ia，ib，ic为网侧电流。
[0111]
(4)令所述新的中线电流表达式为0可解的最佳零序分量表达式为：
[0112][0113]
对所述最佳零序分量表示式进行傅里叶分析，得到基波表达式作为所述第二零序分量，如下：
[0114]
u2＝0.25sin(3ωt)
[0115]
本实施例在电流畸变区域，即2，3，4，5小扇区注入抑制电流畸变的第二零序分量，如表1所示：
[0116]
表1抑制电流畸变调制扇区i的第二零序分量
[0117][0118]
在一实施例中，所述步骤s30中，所述第一零序分量的计算过程包括：
[0119]
s31、确定目标矢量位于的子扇区位置，选择该子扇区的临近三矢量，对所述目标矢量进行合成。
[0120]
具体地，空间矢量调制原理通过目标矢量所在三角形的临近三矢量对目标矢量合成。以图4目标矢量为例，采用空间矢量调制方式，当目标矢量落在第i扇区第1子扇区时，根据空间矢量合成法则，选择最近的三个矢量v3，v2，v4对目标矢量合成，由伏秒平衡得合成结果表达式如下：
[0121]
t
4v4
+t
3v3
+t
2v2
＝t
svref
[0122]
式中：ts为采样周期；v
ref
为目标矢量。
[0123]
对由伏秒平衡得合成结果表达式标幺化后转换至abc坐标系下，得：
[0124][0125]
式中：ua、ub、uc为正弦调制模式下三相调制波，u4、u3、u2分别代表矢量v4、v3、v2标幺化后的模长，结合伏秒平衡得合成结果表达式和abc坐标系下公式可计算出v2，v3，v4的作用时间：
[0126][0127]
式中：v3所对应矢量为poo和oon一对冗余小矢量，在三电平整流器中，空间矢量调制通过分配冗余小矢量的作用时间来控制流入中点的电流，以使网侧电流维持在稳定范围内。成对的冗余小矢量的作用时间需满足以下关系：
[0128]
(1-f)u
3+
＝f u
3-[0129]
式中：f为冗余矢量分配系数，u
3+
为poo矢量，u
3-为onn矢量。
[0130]
s32、按照七段式矢量合成顺序，得到空间矢量调制模式下该子扇区对应的第一零序分量。
[0131]
具体地，当目标矢量落在第i扇区2子扇区时，根据七段式矢量合成顺序poo-pon-pnn-onn-pnn-pon-poo，可以得到空间矢量调制下的三相调制波表达式
[0132][0133]
式中：u
a*
、u
b*
和u
c*
为空间矢量调制的三相调制波。对上式重新改写为：
[0134][0135]
式中：u
x*
为调制波，u
’0为待注入的第一零序分量，按照以上步骤可得到注入其他扇区的第一零序分量，为简化计算步骤，获得统一计算表达式，重新定义三相调制波：
[0136][0137]
注入调制波中的第一零序分量统一表达式为：
[0138]
u1＝f(1-m
max
+m
min
)-m
min
[0139]
式中，m
max
和m
min
分别为修正后三相调制波m
x
(x＝a,b,c)中的最大值和最小值。
[0140]
需要说明的是，本实施例通过在电流畸变区注入第二零序分量，在电流非畸变区注入第一零序分量，得到一个全新的调制波如图6所示，与图5示出的传统的vienna整流器空间矢量调制波相比，本实施例将调制波和载波比较得到vienna整流器开关管信号，调制波在空间矢量的调制基础上含有抑制电流畸变的零序分量，因此可以抑制网侧电流畸变。
[0141]
为了进一步说明本发明的技术效果，以下结合实验结果作进一步说明；
[0142]
图7示出了空间矢量调制模式下输入电流波形图，在相电流穿越零点附近，电流存在明显畸变现象，导致输入电流thd升高。
[0143]
图8示出了采用抑制电流畸变的调制方法时，输入电流无畸变现象，中点电位抑制在更低的范围内，网侧电流thd较低，电能质量良好。
[0144]
此外，如图9所示，本发明第二实施例还提出了一种vienna整流器输入电流畸变抑制系统，所述系统包括：
[0145]
采样模块10，用于采样vienna整流器的电量信息，所述电量信息包括直流侧电压和网侧电流；
[0146]
区域确定模块20，用于基于所述电量信息，确定电流非畸变区域和电流畸变区域；
[0147]
抑制模块30，用于分别在所述电流非畸变区域注入与空间矢量调制对应的第一零序分量，在所述电流畸变区域注入用于抑制电流畸变的第二零序分量，获得三相调制波，其中，所述第二零序分量的公式表示如下：
[0148]
u2＝0.25sin(3ωt)
[0149]
式中，ω表示电网电压角频率，t表示时间变量。
[0150]
在一实施例中，所述区域确定模块包括：
[0151]
控制单元，用于将所述直流侧电压和所述网侧电流经pi控制器双闭环控制，得到三相正弦调制波；
[0152]
第一划分单元，用于基于所述三相正弦调制波的正负关系，进行矢量划分，得到六
个主扇区，每个所述主扇区角度为60
°
；
[0153]
第二划分单元，用于基于两电平扇区划分方式，将每个所述主扇区划分为六个子扇区，确定电流非畸变区域和电流畸变区域。
[0154]
在一实施例中，所述系统还包括第二零序分量计算模块，用于：
[0155]
向桥臂的开关函数中注入零序电压分量，得到所述开关函数的调制波的表达式为：
[0156][0157]
式中，da，db，dc为所述开关函数的基波分量，d0为向开关函数中注入的零序分量。
[0158]
将所述开关函数的调制波的表达式代入所述vienna整流器的中线电流表达式，得到新的中线电流表达式：
[0159]-in＝da|ia|+db|ib|+dc|ic|+d0(|ia|+|ib|+|ic|)
[0160]
式中：ia，ib，ic为网侧电流；
[0161]
令所述新的中线电流表达式为0可解的最佳零序分量表达式为：
[0162][0163]
对所述最佳零序分量表示式进行傅里叶分析，得到所述第二零序分量。
[0164]
在一实施例中，所述系统还包括第一零序分量计算模块，用于：
[0165]
确定目标矢量位于的子扇区位置，选择该子扇区的临近三矢量，对所述目标矢量进行合成；
[0166]
按照七段式矢量合成顺序，得到空间矢量调制模式下该子扇区对应的第一零序分量。
[0167]
具体地，第一零序分量为：
[0168]
u2＝f(1-m
max
+m
min
)-m
min
[0169]
式中，m
max
和m
min
分别为修正后三相调制波m
x
(x＝a,b,c)中的最大值和最小值。
[0170]
本实施例通过基于vienna整流器的电量信息，确定电流畸变区域和电流非畸变区域，并对畸变区域注入抑制电流畸变的零序分量，非畸变区域注入空间矢量调制模式下的零序分量，获得全新的调制波；不仅保留了空间矢量调制模式下对vienna整流器中点电位的平衡控制，同时解决了空间矢量调制模式下输入电流畸变引起thd升高的问题，而且可以提高直流侧电压利用率，易于工程实现。
[0171]
需要说明的是，本发明所述vienna整流器输入电流畸变抑制系统的其他实施例或具有实现方法可参照上述各方法实施例，此处不再赘余。
[0172]
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行
系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0173]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0174]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0175]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0176]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。