一种用于优化Vienna整流器输入电流的方法与流程

本发明涉及高功率因数变换装置技术领域，特别是一种用于优化vienna整流器输入电流的方法。

背景技术：

随着工业技术的不断发展，电力电子变换装置的广泛应用给电能变换带来了极大的方便，同时变换装置上的电力电子器件也对电力系统产生了严重的谐波以及无功污染，降低了网侧电能质量。其中整流装置必不可少。因此，在如今的电力电子研究领域内，pwm整流装置应该满足具有高功率因数和低输入电流谐波畸变率(totalharmonicdistortion，thd)的特点，这也是目前的一个研究热点。

vienna整流器是由kolar教授于1994年提出的一个三电平pwm整流器拓扑，与其他类型变换器相比具有效率高的特点。该拓扑结构简单，开关器件少；每个功率器件承受的最大电压为输出电压的一半；无输出电压桥臂直通从而无需设置开关死区、以及可实现输入单位功率因数校正等优点，得到各国研究者的广泛关注。

目前，滤波器已经大范围的应用于vienna整流器中。lcl滤波器是一种比较通用的滤波器，可以有效减少输入电流中的高次谐波，使整流器能实现单位功率因数运行。相比l型滤波器，可以以较小的电感量满足滤除同样谐波含量的要求，从而可以减小滤波器的体积、提高功率密度、降低成本。但是由于滤波器中的电感压降与电阻分量的存在，使得电网侧电流与整流器三相参考电压存在一定的相位差及幅值差，从而造成输入电流畸变。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够有效地减少lcl滤波器装置引起的电流畸变从而提高功率因数的用于优化vienna整流器输入电流的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于优化vienna整流器输入电流的方法，包括以下步骤：

步骤1，采用开关频率优化pwm方法建立三相参考电压，生成基本调制波；

步骤2，计算因滤波器存在而产生的电压相位角，确定补偿范围；

步骤3，通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，与上下幅值和相位相同的三角波双载波交截，最终得到控制vienna整流器的pwm波。

进一步地，步骤1所述采用三相开关频率优化pwm方法建立三相参考电压，生成基本调制波，包括以下步骤：

(1)每一时刻计算得出a、b、c三相参考电压uaref、ubref、ucref中的最大值及最小值，并求该最大值和最小值的平均值，作为一个偏置值uoffset；

(2)原三相参考电压每一相减去这个偏置值uoffset，作为基本调制波。

进一步地，步骤2所述计算因滤波器存在而产生的电压相位角，确定补偿范围，具体如下：

因滤波器存在而产生的电压相位角，是由于滤波器中的电感压降与电阻分量的存在，使得电网侧电流与整流器三相参考电压存在相位差及幅值差；

计算出因滤波器存在而产生的相位角后，通过调制波过零点时的判断，确定增加补偿电压的范围。

进一步地，步骤3所述通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，与上下幅值和相位相同的三角波双载波交截，其中：

所述补偿电压的目的是使得过零点时的调制波在需补偿范围内的值为0，从而获得能够减小电流畸变的新调制波；

所述上下幅值和相位相同的三角波双载波，是指分别处于坐标轴正负半轴，以零轴为参考轴的幅值与相位相同的两个三角载波。

进一步地，步骤3所述控制vienna整流器的pwm波，具体为：

通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，正半轴与负半轴的新调制波分别与不同的三角波进行交截得到pwm波，每相上的两路pwm波分别控制六开关管vienna整流器同一桥臂上的两个开关管，或者每相上的两路pwm波相与之后控制三开关管vienna整流器各相桥臂上的开关管。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)可以有效地减少输入电流过零点时的畸变，使得输入电流跟踪输入电压，从而提高功率因数，满足电网及用电设备对谐波标准的严格要求；(2)调制波的生成是在开关频率优化pwm(sfopwm)方法的基础上进行补偿的，因而可以有效降低开关频率、增大调制范围；(3)载波为上下幅值和相位相同的三角波双载波，生成的pwm波既可以分别控制六开关管vienna整流器同一桥臂上的两个开关管，也可以每相两路pwm信号相与之后控制三开关管vienna整流器各相桥臂上的开关管；(4)灵活性较好，针对不同的lcl滤波器，可以进行不同范围内的补偿，容易实现。

附图说明

图1是本发明中三相三电平vienna整流器的拓扑结构图。

图2是本发明中vienna整流器dq旋转坐标系下的整体控制结构图。

图3是本发明中lcl滤波器的内部结构图。

图4是本发明中输入电流与参考电压的相位差示意图。

图5是本发明中单相滤波器上电压电流分解示意图。

图6是本发明中单相滤波器上电压电流矢量分解图。

图7是本发明中基本调制波与补偿区域示意图。

图8是本发明中一相调制波与三角波双载波交截示意图。

图9是本发明中补偿后的三相调制波图。

具体实施方式

本发明用于优化vienna整流器输入电流的方法，包括以下步骤：

步骤1，采用开关频率优化pwm方法建立三相参考电压，生成基本调制波，包括以下步骤：

(1)每一时刻计算得出a、b、c三相参考电压uaref、ubref、ucref中的最大值及最小值，并求该最大值和最小值的平均值，作为一个偏置值uoffset；

(2)原三相参考电压每一相减去这个偏置值uoffset，作为基本调制波。

步骤2，计算因滤波器存在而产生的电压相位角，确定补偿范围，具体如下：

因滤波器存在而产生的电压相位角，是由于滤波器中的电感压降与电阻分量的存在，使得电网侧电流与整流器三相参考电压存在相位差及幅值差；

计算出因滤波器存在而产生的相位角后，通过调制波过零点时的判断，确定增加补偿电压的范围。

步骤3，通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，与上下幅值和相位相同的三角波双载波交截，最终得到控制vienna整流器的pwm波。

所述通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，与上下幅值和相位相同的三角波双载波交截，其中：

所述补偿电压的目的是使得过零点时的调制波在需补偿范围内的值为0，从而获得能够减小电流畸变的新调制波；

所述上下幅值和相位相同的三角波双载波，是指分别处于坐标轴正负半轴，以零轴为参考轴的幅值与相位相同的两个三角载波。

所述控制vienna整流器的pwm波，具体为：

通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，正半轴与负半轴的新调制波分别与不同的三角波进行交截得到pwm波，每相上的两路pwm波分别控制六开关管vienna整流器同一桥臂上的两个开关管，或者每相上的两路pwm波相与之后控制三开关管vienna整流器各相桥臂上的开关管。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，图1为三相三电平vienna整流器的拓扑结构图，其中网侧采用了lcl滤波器。

如图2所示，图2为vienna整流器dq旋转坐标系下的整体控制结构图。输出电压给定udc^*与测得的直流侧输出电压差udc经过pi调节后作为有功分量q轴的给定iq^*，再与输入电流的q轴分量iq经过pi调节器作为参考电压q轴分量uqref；无功分量d轴的给定id^*(一般取值为0)与d轴分量id经过pi调节器作为参考电压d轴分量udref，再通过dq/abc坐标系转换得到三相参考电压uaref、ubref、ucref。三相参考电压再加上本发明中针对lcl滤波器的补偿电压设计，以及另外的中性点电压平衡控制部分，生成控制开关管通断的pwm波。

本发明用于优化vienna整流器输入电流的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，采用开关频率优化pwm(sfopwm)方法建立三相参考电压，生成基本调制波，具体包括以下步骤：

通过dq/abc坐标系转换得到三相参考电压uaref、ubref、ucref之后，

(1)每一时刻计算得出a、b、c三相参考电压uaref、ubref、ucref中的最大值及最小值，并求该最大值和最小值的平均值，作为一个偏置值uoffset(如公式1所示)；

(2)原三相参考电压每一相减去这个偏置值uoffset，作为基本调制波(如公式2所示)。

步骤2，计算滤波器存在产生的电压相位角，确定补偿范围；

如图3所示，实际滤波器中还存在电阻分量，输入电流流入滤波器后，在电感分量以及电阻分量上有较大的压降，以及经过电容的一部分分流后，同时还存在着一定的相位差，使得参考电压与网侧电压有一定的相位差，如图4所示。由滤波器产生的相位差始终存在，并且这个值会随着电感量的增加以及输入电流的增大而增大。这一段区域内由于输入电流对电压的跟踪性无法满足，从而使得电流产生畸变。

计算滤波器相角可以观察其中一相，如图5所示，输入电流与输入电压相位一致，流过网侧电感电阻分量后，出现相位角θ1，电压为uc∠θ1，经过两条支路分流后，流过整流器侧的电感电阻分量的电流值为ir∠θr，最后得到的参考电压为uref∠θz。具体电压电流矢量分解如图6所示，其中θz＝θ1+θ2。

θz的计算公式如下：

首先计算出uc∠θ1，其中ω＝2πfs。(3)

uc∠θ1＝(ug-rgig)-jωlgig＝m+jn，m＝ug-rgig，n＝-ωlgig(5)

再用同样的方法得到uref∠θz，计算公式如下：

ir∠θr＝ig∠0-ic∠θc(7)

ic∠θc＝jωc·uc∠θ1(8)

将式(7)和式(8)代入公式(6)，得到如下公式：

最后可得经过滤波器的电压相位差如下表示：

其中ug、ig分别为相电压、相电流的有效值；rg、rr分别为网侧和整流器侧的电阻分量；lg、lr分别为网侧和整流器侧的电感分量；c是滤波器电容容值，ω是电网电压角频率。

得出θz之后，需要确定补偿范围，由图4得出，该范围出现在参考电压过零点处，因此补偿范围如图7阴影部分所示。

步骤3，通过在三相参考电压上增加补偿电压，生成新调制波，与上下幅值和相位相同的三角波双载波交截，最终得到控制vienna整流器的pwm波。

其中补偿电压的目的是使得过零点时的调制波在需补偿范围内的值为0，从而获得能够减小电流畸变的新的优化调制波，具体调制波的补偿值如表1所示：

表1补偿电压分配表

按照公式(14)，计算得出新的优化调制波。

结合图8，上下幅值和相位相同的三角波双载波是指分别处于坐标轴正负半轴，以零轴为参考轴的幅值与相位相同的两个三角载波。新的优化调制波，其正半轴与负半轴的新调制波分别与不同的三角波进行交截得到pwm波，每相上的两路pwm波分别控制六开关管vienna整流器同一桥臂上的两个开关管，或者每相上的两路pwm波相与之后控制三开关管vienna整流器各相桥臂上的开关管。三相优化调制波如图9所示。

综上所述，本发明方法针对不同的lcl滤波器，可以进行不同范围内的补偿，灵活性较好，实现容易。可以有效地减少输入电流过零点时的畸变，使得输入电流跟踪输入电压，从而提高功率因数，满足电网及用电设备对谐波标准的严格要求。