一种VIENNA整流器次谐波振荡抑制系统的制作方法

本发明属于电源变换技术领域，具体为一种vienna整流器次谐波振荡抑制系统。

背景技术：

常用的二极管整流技术会产生大量电流谐波污染，尤其在三相大功率电能变换领域，对电网电能质量的影响比较严重，已经引起各国的高度重视。基于全控型电力电子器件的有源功率因数校正(apfc)技术效率高，体积小，整流效果好，已经广泛应用于交流-直流变换领域，是治理电网电流谐波污染的一种有效途径。目前主要有单开关、双开关、三开关、六开关等几种主要的拓扑结构，其中又以三相三开关vienna整流器综合性能最优，三相vienna整流器电路拓扑简洁、三电平结构、有源器件应力低、不存在开关管桥臂直通问题、也基本没有功率开关元器件反并二极管反向恢复问题、可以工作于很高的开关频率下，所以效率和功率密度都很高,已经在一次电源模块、电机驱动前端、有源滤波器和不间断电源供应中得到广泛应用。

经过多年的研究，业内人士对vienna整流器提出了一系列控制方法，主要分为两类：abc自然坐标系下的控制和dq旋转坐标系下的控制。svpwm属于dq旋转坐标系下的典型控制方法，需要先在自然坐标系中变换，然后在旋转坐标系中进行控制，三电平vienna整流器涉及空间矢量较多，区间划分较为复杂，运算量大，所以不利于提高开关频率，减小设备体积。abc自然坐标系下主要有平均电流控制和峰值电流控制两种方法，前者使用电压外环和电流内环双pi调节器控制，稳定性好，但暂态响应较峰值电流控制模式慢，对于负载经常处于0～100％阶跃状态的工作模式，适应性较差，而峰值电流控制模式则可弥补这一不足。单周期控制方法本质上属于峰值电流控制方法，动态响应好但存在次谐波振荡问题，当系统工作于峰值电流控制模式且占空比s>0.5时，外部扰动可能造成系统控制稳定性问题，产生次谐波振荡现象。

技术实现要素：

本发明提出了一种一种vienna整流器次谐波振荡抑制系统。

实现本发明的技术解决方案为：一种vienna整流器次谐波振荡抑制系统，包括：

三相电流互感器模块、三相输入升压电感模块、三相整流桥模块、三相有源全控型双向开关模块、输出滤波电容模块、输出电压采样电路模块、数字控制器模块以及设置在数字控制器模块的次谐波振荡抑制算法模块，所述三相输入升压电感模块一端通过三相电流互感器模块与电网三相电压连接，另一端与三相整流桥模块和三相有源全控型双向开关模块连接，所述三相电流互感器模块用于将三相输入升压电感模块中流过的电流值转换为小信号输出给数字控制器模块，所述输出滤波电容模块与三相有源全控型双向开关模块连接，所述输出电压采样电路模块用于对输出滤波电容模块两端的高电压进行采样，所述数字控制器模块中的次谐波振荡抑制算法模块对采样数据进行计算，得到需要的占空比数据，所述数字控制器模块根据占空比数据产生控制脉冲，驱动三相有源全控型双向开关模块进行开关动作。

优选地，所述三相输入升压电感模块包括三个升压电感，所述升压电感的前端分别连接公用电网a、b、c三相交流输入电压，后端连接三相整流桥模块和三相有源全控型双向开关模块，三相有源全控型双向开关模块的三路双向开关在输出滤波电容模块的电容中点短接，构成三相boost升压结构。

优选地，所述三相电流互感器模块包括三个独立的电流互感器，分别串联在公用电网a、b、c三相主电路中，每个互感器负责测量三相输入升压电感模块的一相电流，把采样值转换为ma级的小电流信号，送入数字控制器模块。

优选地，所述次谐波振荡抑制算法模块斜坡补偿时的核心控制方程为：

idc0*(1-ksk)(1-sk)＝|ik|

式中，idco＝vm/rs，vm＝vo*rs/2re，vo为输出电压，rs为等效采样电阻，re为等效三相输入负载，sk，k＝a、b、c为占空比，ik，k＝a、b、c为三相电流，k是含有斜坡补偿因子的系数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、本发明不改变硬件电路结构，不额外增加电路面积开销，通过软件进行斜坡补偿运算，有利于减小体积，提高功率密度；2、本发明可以实时修改斜坡补偿系数，方便对比不同系数值对次谐波振荡抑制效果的影响，快速选择最优值。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为三相vienna数字整流器电路拓扑图。

图2为s<0.5时三相电流互感器模块(1)波形图。

图3为s>0.5时三相电流互感器模块(1)波形图。

图4为加入抑制算法后的三相电流互感器模块(1)波形图。

具体实施方式

一种vienna整流器次谐波振荡抑制系统，对三相vienna整流器通用单周期控制公式按照斜坡补偿原理重新推导，得到补偿后的控制算法，能够有效抑制次谐波振荡现象。

如图1所示，一种vienna整流器次谐波振荡抑制系统，包括：三相电流互感器模块1，三相输入升压电感模块2，三相整流桥模块3，三相有源全控型双向开关模块4,输出滤波电容模块5,输出电压采样电路模块6，数字控制器模块7，次谐波振荡抑制算法模块8，所述三相输入升压电感模块2一端连接电网三相电压输入，另一端连接三相整流桥模块3和三相有源全控型双向开关模块4，三相电流互感器模块1串联在电网三相a、b、c电压输入与三相输入升压电感模块2之间，将三相输入升压电感模块2中流过的电流值转换为小信号输出给数字控制器模块7。输出电压采样电路模块6对输出滤波电容模块5两端的高电压进行采样，然后送入数字控制器模块7。数字控制器模块7中的次谐波振荡抑制算法模块8对采样数据进行计算后得到需要的占空比数据，送入数字控制器模块7的epwm模块产生控制脉冲，驱动三相有源全控型双向开关模块4的六个开关动作，稳定输出电压同时达到功率因数校正和谐波抑制的目的。

进一步的实施例中，三相输入升压电感模块2包括三个升压电感，前端连接公用电网a、b、c三相交流输入电压，后端连接三相整流桥模块3和三相有源全控型双向开关模块4，三相有源全控型双向开关模块4的三路双向开关在输出滤波电容模块5的电容中点短接，构成典型的三相boost升压结构。

进一步的实施例中，三相电流互感器模块1包括三个独立的电流互感器，分别串联在公用电网a、b、c三相主电路中，每个互感器负责测量三相输入升压电感模块2的一相电流，把采样值转换为ma级的小电流信号，送入数字控制器模块7。

进一步的实施例中，输出电压采样电路模块6对输出滤波电容模块5两端的高电压进行采样，送入数字控制器模块7。

进一步的实施例中，数字控制器模块7将上述采样数据内部传递给次谐波振荡抑制算法模块8。

基于图1所示的三相vienna数字整流器电路拓扑可得到单周期控制通用方程：

其中，vm＝vo*rs/2re，vo为输出电压，rs为等效采样电阻，re为等效三相输入负载。

通用控制方程1可以表示为

idc0*(1-sk)＝|ik|(2)

其中，idc0＝vm/rs，skk＝a、b、c为占空比，ikk＝a、b、c。为三相电流。

由于单周期控制技术属于峰值电流控制，工作在ccm连续电流控制模式模式下的开关变换器电感电流第k个周期的扰动量在t＝ts时刻与t＝0时刻关系为

k1为上升沿斜率，k2为下降沿斜率。δi1(k)为t＝ts时刻电感电流变化量，δi0(k)为t＝0时刻电感电流扰动量。

图2为三相电流互感器模块1采集到的任一相电流波形，当k2/k1<1时，外部扰动经过n个开关周期后会逐渐衰减到零，系统趋于稳定；当k2/k1>1时，变换器受到扰动后电感电流放大，系统出现次谐波振荡，图3所示为三相电流互感器模块1采集到的任一相电流波形显示，经过n个开关周期后开关变换器会将外部扰动逐渐放大，出现次谐波振荡。

本发明通过次谐波振荡抑制算模块8，将三相vienna数字整流器单周期控制通用方程2，创新引入斜坡补偿算法，推导出新的控制方程。具体方法如下：

如图4所示，在控制信号处添加某一斜率-k的锯齿波信号，增加斜坡补偿后的开关变换器电感电流第k个周期的扰动量在t＝ts时刻与t＝0时刻关系变为

由式4可知，的分子比k2小，分母比k1大，比值比k2/k1更小，因此可以扩展占空比范围，增大系统稳定工作域。调整补偿斜率k，使其与原斜率k1、k2之间满足以下关系

那么无论占空比在0～1之间如何变化占空比变化可以对应到k1与k2的比值，经过n个周期后，扰动电流均将逐渐减少到接近零，没有次谐波振荡问题。

由单周期控制原理可知，控制稳定系统占空比s和电感电流斜率满足：

s*k1＝(1-s)*k2(6)

联立方程(5)(6)消去k1，可得设计需要的系统稳定的斜坡补偿斜率为：

由于始终小于0.5，当补偿斜率k取值大于电感电流下降斜率k2的一半时，即满足

k＞0.5k2(8)

那么在0<s<1的范围内，系统都将始终保持稳定运行。

经过上述推导，考虑斜坡补偿时的核心控制方程2就变为

idc0*(1-ksk)(1-sk)＝|ik|(9)

其中，k是含有斜坡补偿因子的系数。将9式加入次谐波振荡抑制算法模块8，经软件运算后可得到补偿后的三相占空比计算值，再写入数字控制器模块7的epwm比较子模块，驱动三相有源全控型双向开关模块4工作，可以有效消除峰值电流控制中占空比0.5时外部扰动造成的次谐波振荡问题，保证系统稳定工作。