修正注入零序分量的VIENNA整流器调制方法、控制器及系统与流程

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种修正注入零序分量的VIENNA整流器调制方法、控制器及系统。
背景技术：
：三相三电平三开关整流器，即VIENNA整流器，可实现输入单位功率因数校正，具有开关损耗低和电磁干扰小等优点，而且电路结构简单、开关数目少、无桥臂直通等问题，遂成为研究热点。VIENNA整流器的电压空间矢量由开关状态与电流极性共同决定。然而，由于电路中电感等感性负载的作用，使输入电网电流滞后电压，输入电流与参考电压的极性不同，依然使用原参考电压将产生错误的电压空间矢量，导致输入电流谐波增大，限制了VIENNA整流方法的推广应用。因此，实现VIENNA整流器的高效工作具有重要的现实意义。技术实现要素：为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种修正注入零序分量的VIENNA整流器调制方法、控制器及系统。本发明能够解决由于输入电流滞后电压及电流与参考电压极性不同导致的谐波增大问题。而且本发明的修正注入零序分量的VIENNA整流器调制方法简便、高效、易于数值化实现，使VIENNA整流器具有高质量的输入输出，且高效稳定运行，极大拓展了VIENNA整流器应用场合。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供了一种修正注入零序分量的VIENNA整流器调制方法，包括：步骤1：根据三相输入电流的瞬时极性来修正三相参考电压的瞬时极性；步骤2：根据三相参考电压对应的空间矢量参考电压，计算修正后三相参考电压的零序分量；步骤3：注入所述零序分量，进而计算出三相参考电压对应的双载波SVM等效占空比；步骤4：基于双载波SVM等效占空比，生成PWM调制信号来驱动VIENNA整流器。SVM等效增益为三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压的取值范围为[-1.15～1.15]。根据三相输入电流的瞬时极性来修正三相参考电压的瞬时极性的过程为：计算三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压；在空间矢量各个扇区内，若一相输入电流的瞬时极性为正，则相应扇区内该相参考电压对应的空间矢量参考电压保持不变；否则，该相参考电压对应的空间矢量参考电压叠加一修正值，其中，修正值等于三相参考电压的最大值。计算修正后三相参考电压的零序分量的过程为：将修改后三相参考电压对应的空间矢量参考电压按大小排序，得到空间矢量参考电压最大值V’max、空间矢量参考电压中间值V’mid和空间矢量参考电压最小值V’min；修正后三相参考电压的零序分量V′com＝(1-V′max+V′min)·K-V′min，其中，K值用于调整VIENNA整流器的中点平衡，为常系数。VIENNA整流器等效空间矢量调制SVM时，K取值为1/2。本发明还提供了一种修正注入零序分量的VIENNA整流器的控制器，包括：三相参考电压的瞬时极性修改模块，其用于根据三相输入电流的瞬时极性来修正三相参考电压的瞬时极性；零序分量计算模块，其用于根据三相参考电压对应的空间矢量参考电压，计算修正后三相参考电压的零序分量；等效占空比计算模块，其用于注入所述零序分量，进而计算得到三相参考电压对应的双载波SVM等效占空比；调制信号生成模块，其用于基于双载波SVM等效占空比，生成PWM调制信号来驱动VIENNA整流器。所述三相参考电压的瞬时极性修改模块，还用于计算三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压；在空间矢量各个扇区内，若一相输入电流的瞬时极性为正，则相应扇区内该相参考电压对应的空间矢量参考电压保持不变；否则，该相参考电压对应的空间矢量参考电压叠加一修正值，其中，修正值等于三相参考电压的最大值。SVM等效增益为三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压的取值范围为[-1.15～1.15]。零序分量计算模块包括：空间矢量参考电压排序模块，其用于将修改后三相参考电压对应的空间矢量参考电压按大小排序，得到空间矢量参考电压最大值V’max、空间矢量参考电压中间值V’mid和空间矢量参考电压最小值V’min；零序分量获取模块，其用于根据V′com＝(1-V′max+V′min)·K-V′min，得到修正后三相参考电压的零序分量，其中，K值用于调整VIENNA整流器的中点平衡，为常系数。VIENNA整流器在等效空间矢量调制SVM时，K取值为1/2。基于所述修正注入零序分量的VIENNA整流器的控制器，本发明还提供了一种VIENNA整流器控制系统，包括所述的控制器；所述控制器用于接收三相输入电流和三相参考电压，输出PWM调制信号来驱动VIENNA整流器。本发明的有益效果为：(1)参考电压滞后电网电流θ角度内，该方法通过修正零序分量，解决了电流的极性与参考电压极性不同引起的电流谐波畸变问题，改善了电能质量；(2)该方法可减小交流侧滤波器设计容量，节约三电平VIENNA整流器体积、成本；(3)该方法等效空间矢量调制(SVM)，简化了VIENNA调制方法，降低了计算量，易于数字化实现。附图说明图1为三电平VIENNA整流器拓扑图；图2为所提出新型VIENNA整流器的修正零序分量注入调制原理图；图3为VIENNA整流器矢量图；图4(a)为加入零序分量前，扇区I内a，b，c三相参考电压幅值及所对应的开关状态；图4(b)为扇区I内a，b，c三相瞬时极性修正后的参考电压幅值及所对应的开关状态；图4(c)为加入零序分量修正后，扇区I内a，b，c三相参考电压幅值及所对应的开关状态；图5为等效空间矢量三相参考电压波形图；图6为加入算法后修正空间矢量三相参考电压波形图；图7为加入算法产生的零序分量及三相等效占空比仿真波形图；图8为未加入算法时交流测仿真结果；图9为本发明的交流测仿真结果。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：以如图1所示三电平VIENNA整流器结构阐述整流器控制策略。三电平VIENNA整流器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的快恢复二极管，各相桥臂的中点一侧串联等效双向开关Sa、Sb、Sc，即两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与电网连接；在并联的各桥臂输入端接入两个容值相同的电容C1、C2；分立电容中点O连接各相桥臂方向不同IGBT管的另一侧；两个电容中点连接各相桥臂的两个方向不同IGBT管的另一端，两个电容直流输出端并联负载电阻RL，三相串联的两个IGBT管可由一路PWM信号电路驱动。所述滤波器为滤波电感La、Lb、Lc。该拓扑属于BOOST结构，利用两个开关管反向串联同样可以实现双向开关的作用，由于每一相的两个开关管控制方式相同，不仅减少了功率器件，降低了电路的成本，同时也降低了控制的复杂程度。电感工作在BOOST状态下，电感上的电流连续，不存在零序电流；开关管承受的最大压降为母线电压的一半，降低了开关管的耐压，能够很好的应用于高电压场合；输入电流纹波低，功率密度较高，输入电感体积小；能够以单位功率因数运行。但是由于VIENNA整流器中存在滤波器，导致输入电流总滞后输入电压，从图3可以明显看出参考电压滞后电网电流θ角度，整流器可实现单位功率因数。角度θ内输入电流的极性与参考电压极性不同，当输入电流极性改变之后，参考电压极性仍未改变，这将导致电路谐波增大以及无法保证单位功率因数等问题。因此本发明目的是解决参考电压滞后电网电流θ角度内输入电流的极性与参考电压等效占空比极性不同的问题，从而实现单位功率可靠运行。本发明中VIENNA整流器的修正零序分量注入调制方法原理如图2所示，包括：步骤1：根据三相输入电流的瞬时极性来修正三相参考电压的瞬时极性；步骤2：根据三相参考电压对应的空间矢量参考电压，计算修正后三相参考电压的零序分量；步骤3：注入所述零序分量，进而计算得到三相参考电压对应的双载波SVM等效占空比；步骤4：基于双载波SVM等效占空比，生成PWM调制信号来驱动VIENNA整流器。根据三相输入电流的瞬时极性来修正三相参考电压的瞬时极性的过程为：计算三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压；在空间矢量各个扇区内，若一相输入电流的瞬时极性为正，则相应扇区内该相参考电压对应的空间矢量参考电压保持不变；否则，该相参考电压对应的空间矢量参考电压叠加一修正值，其中，修正值等于三相参考电压的最大值。步骤1中，三相参考电压Uaref，Ubref，Ucref乘以SVM等效增益相对应的空间矢量参考电压Vas，Vbs，Vcs，Vxs(x取a，b，c)取值范围为[-1.15～1.15]。SVM等效增益是固定不变的。三相参考电压为m*cos(θ1)，m*cos(θ1+2π/3)，m*cos(θ1-2π/3)，其中，m为三相参考电压的调制比，调制比为m∈[0，1]；θ1为三相参考电压的调制角度，θ1∈[0，2π]。因此最大调制比mmax＝1。例如mmax乘以SVM等效增益正弦幅值最大可达1.15。通过注入零序分量后，调制波形最大幅值可重新限制为1，即SVM调制的直流电压利用率是SPWM调制的倍(SVM调制方式固有优势)。因此零序分量注入的调制方式可与SVM调试方式等效，调制比为m∈[0，1]。实际仿真波形如图5所示，由图5所示，三相参考电压的调制比为m＝1。举例若参考电压在在扇区I内，此时三相参考电压a，b，c三相参考电压幅值及所对应的开关状态如图4(a)所示。根据输入电流ia，ib，ic瞬时极性，而非Vxs极性，分别修正Vxs，修正规则如表1所示。表1各扇区参考电压修正值如果ix≥0，则V’xs＝Vxs，否则V’xs＝Vxs+1。修正后空间矢量参考电压实际波形如图6所示，图6所示三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压是根据表1的修正规则得到的。举例若参考电压在在扇区I内，此时三相参考电压a，b，c三相瞬时极性修正后的参考电压幅值及所对应的开关状态如图4(b)所示。步骤2中，将步骤1中所获得的V’as，V’bs，V’cs按大小排序分别为V’max，V’mid，V’min如下式所示：然后计算零序分量V’com，表达式为V′com＝(1-V′max+V′min)·K-V′minK值可用于调整三电平VIENNA整流器的中点平衡，等效空间适量调制时取值1/2。步骤3中，三相空间矢量参考电压Vas，Vbs，Vcs加上零序分量V’com得到双载波SVM的等效占空比d’a、d’b、d’c，表达式为修正后零序分量V’com及等效占空比d’a、d’b、d’c的实际波形如图7所示，举例若参考电压在在扇区I内，此时三相参考电压a，b，c三相参考电压幅值及所对应的开关状态如图4(c)所示。步骤4中，双载波SVM的等效占空比d’a、d’b、d’c通过双载波PWM调制得到VIENNA整流器的开关信号Sa，Sb，Sc。通过MATLAB仿真验证输入电流谐波畸变率THD，证明提出的新方法效果显著。仿真软件选用MATLAB/simulink2014A，仿真参数如表2所示，仿真结果证明了提出的新方法解决了参考电压滞后电网电流θ角度内存在的输入电流与参考电压等效占空比极性不一致问题。表2各扇区参考电压修正值电网相电压有效值Vg(RMS)220V直流侧电压Vdc600V直流侧电容C1、C21000μF输出频率f50Hz滤波电感L3mH线路电阻Rs0.05Ω仿真步长2.5μs图8为根据参考电压极性修正时，VIENNA整流器输入电流ia、ib、ic的实际仿真波形。由FFT分析0.1s至0.2s三相电流波形可知，此时含大量因滞后角θ引起的谐波，电流总谐波畸变率(THD)为THD＝3.64％。图9为加入本发明算法后的交流测仿真结果，经测算其输入电流总谐波畸变率THD＝2.06％。对比图7与图8分析结果可知，本发明提出的修正注入零序分量的VIENNA整流器新型调制方法，能够降低VIENNA整流器输入电流谐波畸变率，并能保障高功率因数下稳定运行。本发明还提供了一种修正注入零序分量的VIENNA整流器的控制器，包括：三相参考电压的瞬时极性修改模块、零序分量计算模块、等效占空比计算模块和调制信号生成模块。(1)三相参考电压的瞬时极性修改模块，其用于根据三相输入电流的瞬时极性来修正三相参考电压的瞬时极性。三相参考电压的瞬时极性修改模块，还用于计算三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压；在空间矢量各个扇区内，若一相输入电流的瞬时极性为正，则相应扇区内该相参考电压对应的空间矢量参考电压保持不变；否则，该相参考电压对应的空间矢量参考电压叠加一修正值，其中，修正值等于三相参考电压的最大值。(2)零序分量计算模块，其用于根据三相参考电压对应的空间矢量参考电压，计算修正后三相参考电压的零序分量。零序分量计算模块还包括：空间矢量参考电压排序模块，其用于将修改后三相参考电压对应的空间矢量参考电压按大小排序，得到空间矢量参考电压最大值V’max、空间矢量参考电压中间值V’mid和空间矢量参考电压最小值V’min；零序分量获取模块，其用于根据V′com＝(1-V′max+V′min)·K-V′min，得到修正后三相参考电压的零序分量，其中，K值用于调整VIENNA整流器的中点平衡，为常系数。(3)等效占空比计算模块，其用于注入所述零序分量，进而计算得到三相参考电压对应的双载波SVM等效占空比。(4)调制信号生成模块，其用于基于双载波SVM等效占空比，生成PWM调制信号来驱动VIENNA整流器。SVM等效增益为三相参考电压乘以SVM等效增益后对应的空间矢量参考电压的取值范围为[-1.15～1.15]。VIENNA整流器在等效空间矢量调制SVM时，K取值为1/2。本发明通过修正零序分量，解决了电流的极性与参考电压极性不同引起的电流谐波畸变问题，改善了电能质量；本发明可减小交流侧滤波器设计容量，节约三电平VIENNA整流器体积、成本；本发明简化了VIENNA调制方法，降低了计算量，易于数字化实现。基于所述修正注入零序分量的VIENNA整流器的控制器，本发明还提供了一种VIENNA整流器控制系统，包括所述的控制器；所述控制器用于接收三相输入电流和三相参考电压，输出PWM调制信号来驱动VIENNA整流器。本发明通过修正零序分量，解决了电流的极性与参考电压极性不同引起的电流谐波畸变问题，改善了电能质量；本发明可减小交流侧滤波器设计容量，节约三电平VIENNA整流器体积、成本；本发明简化了VIENNA调制方法，降低了计算量，易于数字化实现。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页1 2 3