三相三开关三电平高功率因数整流器的控制方法与流程
本发明属于电力电子领域，涉及一种高功率因数整流器，尤其是一种三相三开关三电平高功率因数整流器的控制方法。
背景技术：
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随着电力电子技术的发展，交流电源系统的电能质量问题受到越来越多的关注。传统的整流环节广泛采用二极管不控整流或晶闸管相控整流电路.对电网注入了大量的谐波及无功.造成了严重的污染。提高电网侧功率因数以及降低输入电流谐波的单位功率因数整流器成为研究热点。
目前三相三开关三电平高功率因数整流器采用的控制方法主要有三种：
空间矢量脉宽调制：三相三开关三电平整流器由3个桥臂组成，每个桥臂有3个开关状态，总共有27种开关状态。但由于三相电流的对称性，三相电流的极性不能同时为正或为负，故三相三开关三电平整流器没有111和-1-1-1两种开关状态，因此开关状态的总数为25个。使用SVPWM矢量控制，电流区间有6个，每个电流区间的开关状态有8个，因此空间矢量有8*6＝48个，矢量状态多，控制复杂，计算时间长。很难将开关频率提高到10K以上，因此需要高频PWM整流器的场合，矢量控制比较受限。
滞环控制：滞环控制是一个常规的双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环，外环PI调节器输出分别乘以三相电压的相位信号，就得到三相交流电流的基准信号。该基准信号与实际交流电流信号比较后，其误差值送到滞环比较器，由比较器的输出来控制开关的通断。这一控制方法保证了输入电流和电网电压同相，并控制直流输出电压。采用滞环控制的PWM整流器系统结构简单，易于全硬件实现，且系统动态性能优良，电流响应快。但其缺点也很明显：其功率管的开关频率变化剧烈，频率低时跟踪较差，频率高时开关损耗大。
单周控制：就是在每个开关周期内控制开关管的占空比，使开关变量的稳态平均值等于或者与参考量成正比。
空间矢量脉宽调制控制方法，矢量状态多，控制复杂，计算时间长。很难将开关频率提高到10K以上，因此需要高频PWM整流器的场合，矢量控制比较受限。
采用滞环控制的，其功率管的开关频率变化剧烈，频率低时跟踪较差，频率高时开关损耗大。
单周控制，直接控制一个周期的开关管的占空比，属于平均电流控制，对电流跟踪能力差，抗干扰能力差。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种能量单相流动的三相三开关三电平高功率因数整流器，与传统的用于大功率的三相全桥整流器相比，具有一定的优势，三电平特性使开关管上的电压应力只有输出电压的一半，在大功率的应用场合下选择开关管比较容易，输出电压纹波小、输入滤波器体积小，降低了电流THD。与三电平整流器相比，所需开关管由12个降低为3个，成本降低，控制简单。因此，三相三电平高功率因数整流器可取代现有的二极管整流或晶闸管整流，广泛应用于工业系统中，提高电能质量。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
三相三开关三电平高功率因数整流器的控制方法，是将三角波比较控制和单周控制进行结合；采用双闭环控制，外环为直流电压环，内环为交流电流环，最后由三角波比较器的输出来控制开关的通断；三角波比较控制时，在电流为负值时将输出的调制波反向，而单周控制中引入|ia|为反馈量进行。
采集的数据量为三相交流电压va、vb、vc，三相交流电流ia、ib、ic，直流电压Vdc1、Vdc2；使用三相电网电压除以实时电网峰值电压，得到一个与三相电网电压同相位、幅值为1的三相电网同步信号va1、vb1、vc1；上电容电压Vdc1与下电容电压Vdc2相加得到直流电压Vdc。
还包括一个均压环；
直流电压环的组成：直流电压给定Vdcref与直流电压Vdc的差值送入电压环PI调节器，得到电压环PI调节器的输出Vdcpiout；直流电压环的目的为稳定直流端电压；
交流电流环的组成：电压环PI调节器的输出Vdcpiout分别乘以三相电网同步信号va1、vb1、vc1后得到信号iaref、ibref、icref，信号iaref、ibref、icref取绝对值后的信号iaref1、ibref1、icref1电流环的输入给定；三相交流电流ia、ib、ic取绝对值得到电流环输入信号ia1、ib1、ic1；电流给定iaref1、ibref1、icref1与电流环输入信号ia1、ib1、ic1的差值送入电流环PI调节器，得到电流环PI调节器的输出ipiouta、ipioutb、ipioutc；电流环的作用为根据直流端的负荷情况输出有功电流；
上电容电压Vdc1与下电容电压Vdc2的差值送入均压环PI调节器，构成了均压控制环；均压控制环的作用为平衡上下电容电压，使上下电容电压相等；
三相电网同步信号va1、vb1、vc1减去均压控制环后得到信号va2、vb2、vc2，1减去va2、vb2、vc2的绝对值后乘以比例系数k得到三相前馈值A相前馈、B相前馈、C相前馈；
电流环PI调节器的输出ipiouta、ipioutb、ipioutc；加上三相前馈值A相前馈、B相前馈、C相前馈后，送入三角波比较单元，生成3路PWM驱动开关管。
本发明的有益效果在于：是将三角波比较控制和单周控制进行结合。控制依然引入双闭环控制，外环为电压环，内环为电流环，最后由三角波比较器的输出来控制开关的通断。滞环控制时由于UAN不仅与开关状态有关，也与电流方向有关，因此需要在电流为负值时将输出的调制波反向，而单周控制中整流器的占空比与输入电流的绝对值有关，因此，在控制中引入|ia|为反馈量进行，因此不需要像滞环控制中在电流为负值时将输出的调制波反向。
附图说明：
图1为本发明的三相三开关三电平高功率因数整流器结构示意图；
图2为本发明的三相三开关三电平高功率因数整流器控制框图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1、2，是将三角波比较控制和单周控制进行结合；采用双闭环控制，外环为直流电压环，内环为交流电流环，最后由三角波比较器的输出来控制开关的通断；三角波比较控制时，在电流为负值时将输出的调制波反向，而单周控制中引入|ia|为反馈量进行。
当三相电源电压对称时，有：
假定VIENNA工作在CCM模式下，da、db、dc分别为开关管Sa、Sb、Sc驱动信号的占空比，有：
整流器输入输出电压与开关管驱动占空比之间的关系。
为了实现单位功率因数，应该做到各相输入电流分别跟随各相输入电压，即各相的输入阻抗为纯阻性，定义Re为各相输入等效电阻。因此VIENNA整流器的控制目标是要使三相输入电压、输入电流满足：
最终得到整流器输入输出电压与开关管驱动占空比之间的关系。
因此，整流器的占空比与输入电流的绝对值有关，因此，在控制中引入|ia|为反馈量进行。
当三相电源电压对称时，有：
假定VIENNA工作在CCM模式下，da、db、dc分别为开关管Sa、Sb、Sc驱动信号的占空比，有：
整流器输入输出电压与开关管驱动占空比之间的关系。
为了实现单位功率因数，应该做到各相输入电流分别跟随各相输入电压，即各相的输入阻抗为纯阻性，定义Re为各相输入等效电阻。因此VIENNA整流器的控制目标是要使三相输入电压、输入电流满足：
最终得到整流器输入输出电压与开关管驱动占空比之间的关系。
因此，整流器的占空比与输入电流的绝对值有关，因此，在控制中引入|ia|为反馈量。
需要采集的数据量为三相交流电压va、vb、vc，三相交流电流ia、ib、ic，直流电压Vdc1、Vdc2。
本文所述的控制方法，无需三相软件锁相环检测三相电网相位信息，节省计算时间，直接使用三相电网电压除以实时电网峰值电压，得到一个与三相电网电压同相位、幅值为1的三相电网同步信号va1、vb1、vc1。
上电容电压Vdc1与下电容电压Vdc2相加得到直流电压Vdc。
控制部分总共包括三个环路：直流电压环、交流电流环、均压环。
直流电压环的组成：直流电压给定Vdcref与直流电压Vdc的差值送入电压环PI调节器，得到电压环PI调节器的输出Vdcpiout。直流电压环的目的为稳定直流端电压。
交流电流环的组成：电压环PI调节器的输出Vdcpiout分别乘以三相电网同步信号va1、vb1、vc1后得到信号iaref、ibref、icref，信号iaref、ibref、icref取绝对值后的信号iaref1、ibref1、icref1电流环的输入给定。三相交流电流ia、ib、ic取绝对值得到电流环输入信号ia1、ib1、ic1。电流给定iaref1、ibref1、icref1与电流环输入信号ia1、ib1、ic1的差值送入电流环PI调节器，得到电流环PI调节器的输出ipiouta、ipioutb、ipioutc。电流环的作用为根据直流端的负荷情况输出有功电流。
上电容电压Vdc1与下电容电压Vdc2的差值送入均压环PI调节器，构成了均压控制环。均压控制环的作用为平衡上下电容电压，使上下电容电压相等。
三相电网同步信号va1、vb1、vc1减去均压控制环后得到信号va2、vb2、vc2，1减去va2、vb2、vc2的绝对值后乘以比例系数k得到三相前馈值A相前馈、B相前馈、C相前馈。
电流环PI调节器的输出ipiouta、ipioutb、ipioutc。加上三相前馈值A相前馈、B相前馈、C相前馈后，送入三角波比较单元，生成3路PWM驱动开关管。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
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