本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种计及不平衡的电压振荡抑制方法、控制器及系统。
背景技术：
有源功率因数校正技术是解决非线性元件对电网注入大量谐波问题的有效途径。三相三电平vienna整流可实现输入单位功率因数校正，不仅具有谐波小、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、无桥臂直通问题，适合能量单向的高压大功率变换场合。为进一步提高功率密度，减小体积与成本，降低直流母线电容已成为国内外学术热点及工业应用的新趋势。减少并联的直流母线电容数目，可进一步提高vienna整流器功率密度。然而当vienna整流器要选择小于500uf的直流母线电容时，无论是传统的正弦脉宽调制(spwm)，还是空间矢量脉宽调制(svpwm)调制或零序分量注入的载波调制技术均会引起直流电压振荡及电流畸变问题。尤其在直流电压不平衡时振荡及畸变加剧，并与期望值产生偏差，严重影响后级直流用电质量。综上所述，为提高vienna整流器功率密度，降低成本，亟需一种新型的调制方法来抑制直流电压振荡，消除电流畸变，提高在直流电压平衡与不平衡条件下电能质量，保障系统安全稳定运行。技术实现要素：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种计及不平衡的直流电压振荡抑制载波调制方法，其能够减少vienna整流器直流电容，具有在平衡或不平衡条件下，均能有效抑制直流电压振荡，同时降低输入电流谐波含量，改善交流侧和直流侧电能质量的效果。本发明的一种计及电压不平衡的载波调制方法，包括：将直流分量注入至vienna整流器的三相调制信号，得到直流补偿后的三相调制信号；根据vienna整流器的三相输入电流的极性来判断扇区，并依据直流补偿后的三相调制信号与三相输入电流极性的一致性，判定当前扇区是否属于正常区间；在不正常区间内，向直流补偿后的三相调制信号注入补偿分量，以用于消除交流侧电流畸变；在正常区间内，向直流补偿后的三相调制信号注入优化的零序分量，以抑制直流侧电压振荡；其中，直流分量由调节直流电压差值的控制器输出与直流母线电压不平衡系数之和构成；所述直流母线电压不平衡系数为正直流母线电压与负直流母线电压两者之差与两者之和的比值。进一步的，在不正常区间内，向直流补偿后的三相调制信号注入补偿分量的过程中，对于p类型不正常区间，对相同极性的调制波形补偿，补偿分量与钳位相补偿分量一致。进一步的，在不正常区间内，向直流补偿后的三相调制信号注入补偿分量的过程中，对于p类型不正常区间，对不同极性的调制波形补偿，补偿分量与钳位相补偿分量使用转换系数t1，其中，t1＝(1-k)/(1+k)，k为直流母线电压不平衡系数。进一步的，在不正常区间内，向直流补偿后的三相调制信号注入补偿分量的过程中，对于n类型不正常区间，对相同极性的调制波形补偿，补偿分量与钳位相补偿分量一致。进一步的，在不正常区间内，向直流补偿后的三相调制信号注入补偿分量的过程中，对于n类型不正常区间，对不同极性的调制波形补偿，补偿分量与钳位相补偿分量使用转换系数t2，其中，t2＝(1+k)/(1-k)，k为直流母线电压不平衡系数。进一步的，获取优化的零序分量的过程为：求取当前扇区的共同变量；将当前扇区的共同变量作为被除数，当前相输入电流信号的符号值与直流母线电压不平衡系数的相乘后累加1后作为除数，进而求商，得到优化的零序分量；其中，当前扇区的共同变量为一商值，其中，被除数为三相直流补偿后的调制信号与输入电流的绝对值乘积之和，除数为当前相输入电流信号的符号值与直流母线电压不平衡系数的相乘后与1的累加值。本发明还提供了一种计及电压不平衡的载波调制控制器。本发明的一种计及电压不平衡的载波调制控制器，所述计及电压不平衡的载波调制控制器被配置为运行上述所述的计及电压不平衡的载波调制方法。本发明还提供了一种计及电压不平衡的载波调制控制系统。本发明的一种计及电压不平衡的载波调制控制系统，包括上述所述的一种计及电压不平衡的载波调制控制器。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明的计及电压不平衡的载波调制方法，用于减少vienna整流器直流电容，提高功率密度；在直流电压平衡与不平衡条件下，实现了vienna整流器的交流侧电流低谐波运行，确保电网侧较低的谐波污染；(2)本发明的计及电压不平衡的载波调制方法在直流电压平衡与不平衡条件下，实现了vienna整流器直流电压的振荡抑制，保障后级用电设备的电能质量；(3)本发明的计及电压不平衡的载波调制方法减小了中线电流的幅值，可有效降低直流电容的设计容量，大幅降低了vienna整流器的体积与成本，提高了整流器的功率密度；(4)本发明的计及电压不平衡的载波调制方法易数字化实现，可推广应用于电池测试、分布式充电设施、新能源发电系统、微电网等领域。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是vienna整流器应用于不平衡直流电压的典型拓扑图；图2是直流电压平衡状态下，直流分量注入后调制波形及不正常区间判断；图3是直流电压不平衡状态下，直流分量注入后调制波形及不正常区间判断；图4是直流电压平衡状态下，优化的零序分量与补偿分量注入后调制波形；图5是直流电压不平衡状态下(k属于0～1时)，优化的零序分量与补偿分量及注入后的调制波形；图6是直流电压不平衡状态下(k属于-1～0时)，优化的零序分量与补偿分量及注入后的调制波形；图7(a)是电压平衡状态下，仅在不正常区间注入补偿分量后，输入电流及直流电压振荡仿真波形；图7(b)是电压平衡状态下，在不正常区间注入补偿分量，在正常区间注入优化的零序分量后，输入电流及直流电压振荡仿真波形；图8(a)是电压不平衡状态下，仅在不正常区间注入补偿分量后，输入电流及直流电压振荡仿真波形；图8(b)是电压不平衡状态下，在不正常区间注入补偿分量，在正常区间注入优化的零序分量后，输入电流及直流电压振荡仿真波形；图9是本发明的减少vienna整流器直流电容且计及电压不平衡的载波调制方法原理图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本发明提出三种分量注入的载波调制结构：1、直流分量注入，用于vienna整流器中点电位控制；2、补偿分量注入，用于消除交流侧电流畸变；3、优化的零序分量注入，用于抑制直流电压振荡。所述载波调制方法适用调制于vienna整流器。本发明的载波调制方法，先注入直流分量，后注入交流分量。其中，直流分量为测量的不平衡系数计算结果与调节直流电压差值的控制器(例如：pi控制器、pid控制器)输出相加；例如：pi控制器的作用是调节直流电压差值，如总母线700v，顶端与底端电容电压期望的差值为δuref＝100v，则u1与u2可分别控制在400v与300v。所述交流分量包括：优化的零序分量和补偿分量。本发明设计直流母线电容的容值小于500uf，减少了直流母线电容并联数目，降低了vienna整流器体积及成本；本发明所提载波调制方法抑制了直流电压振荡，针对电压不平衡时高品质的交流侧、直流侧电能质量，本发明不仅提高了vienna整流器运行的高可靠性，也极大地拓展了宽电压输出应用。本发明的载波调制方法，其主要功能是在直流电压不平衡时，确保交流侧电流含较少谐波前提下，有效抑制直流电压振荡。本发明所提的一种优化零序分量注入载波调制方法适用于如图1所示vienna整流器拓扑结构。本发明中调制方法原理，如图9所示，技术实现步骤包括：步骤1：将直流分量注入至vienna整流器的三相调制信号，得到直流补偿后的三相调制信号。其中，直流分量由调节直流电压差值的控制器输出与直流母线电压不平衡系数之和构成；所述直流母线电压不平衡系数为正直流母线电压与负直流母线电压两者之差与两者之和的比值。具体地，测量正直流母线电压为u1，负直流母线电压为u2，则定义直流母线电压不平衡系数k，pi控制器输出与k之和构成直流分量k′。vienna整流器三相调制信号va_ref,vb_ref,vc_ref注入直流分量k′后分别为注入直流分量k′后，在直流电压平衡时，所得调制波形如图2所示；在直流电压不平衡时，所得调制波形如图3所示。步骤2：根据vienna整流器的三相输入电流的极性来判断扇区，并依据直流补偿后的三相调制信号与三相输入电流极性的一致性，判定当前扇区是否属于正常区间。例如：当采集vienna整流器三相输入电流ia>0,ib<0,ic<0时，扇区r＝1；当ia>0,ib>0,ic<0时，扇区r＝2；当ia<0,ib>0,ic<0时，扇区r＝3；当ia<0,ib>0,ic>0时，扇区r＝4；当ia<0,ib<0,ic>0时，扇区r＝5；当ia>0,ib<0,ic>0时，扇区r＝6。按照直流补偿后所得调制波形va，vb，vc，判断每一个扇区中正常区间与不正常区间并编号。判断方法为调制波形与相电流极性或符号不一致的区域，定义为不正常区间，一致的区域为正常区间。例如：区间r＝1时，ia>0,ib<0,ic<0。如果vc与ic极性不一致(ic<0，vc>0)，则此区间定义为p_a不正常区间；如果vb与ic极性不一致(ib<0，vb>0)，则此区间定义为p_b不正常区间；其余区间定义为扇区1的正常区间。同理，其他扇区的正常区间与不正常区间辨别如表1所示。表1正常区间与不正常区间判断条件在不正常区间内注入补偿分量，注入表达式为式中补偿分量vza，vzb，vzc在各个不正常区间内取值如表2所示。以扇区1为例，在不正常区间p_a中，首先由于vc的极性与电流ic极性不一致，其注入直流分量后的调制波形vc应被钳位至零电平。因此c相被称为钳位相，其补偿量vzc＝-vc。其次对非钳位相补偿时，因为vb与vc极性相同，得vzb＝vzc＝-vc。最后va与vc极性相反，因此vza与vzc之间的关系存在一个转换系数(t1＝(1-k)/(1+k))，即vza＝-t1*vc。在不正常区间p_b中，首先由于vb的极性与电流ib极性不一致，其注入直流分量后的调制波形vb应被钳位至零电平。因此b相被称为钳位相，其补偿量vzb＝-vb。其次对非钳位相补偿时，因为vb与vc极性相同，得vzb＝vzc＝-vb，最后va与vb极性相反，因此vza与vzb之间的关系存在同样的转换系数(t1＝(1-k)/(1+k))，即vza＝-t1*vb。以扇区2为例，在不正常区间n_a中，首先由于vb极性与电流ib不一致，其注入直流分量后的调制波形vb应被钳位至零电平。因此b相被称为钳位相，其补偿分量为vzb＝-vb。其次因vb与va极性相同，得vza＝vzb＝-vb。最后vc与vb极性相反，因此vzc与vzb之间的关系存在另一转换系数(t2＝(1+k)/(1-k))，即vzc＝-t2*vb。在不正常区间n_b中，首先由于va极性与电流ia不一致，其注入直流分量后的调制波形va应被钳位至零电平。因此a相被称为钳位相，其补偿分量为vza＝-va。其次因va与vb极性相同，得vzb＝vza＝-vb。最后vc与va极性相反，因此vzc与vza之间的关系存在同样存在另一转换系数(t2＝(1+k)/(1-k))，即vzc＝-t2*va。在p类型不正常区间，对与钳位相调制波形极性相同的非钳位相调制波形补偿时，补偿分量与钳位相补偿分量相等；对调制波形极性相反的非钳位相补偿时，补偿分量与钳位相补偿分量使用转换系数t1。(解释：当判断扇区不正常区间时，比较电压与电流的极性。只有一个钳位相的电压与电流极性不一致；其余两个非钳位相的电压与电流极性一致。因此对非钳位相而言，当决定补偿量之间是否存在转换系数时，比较电压与电流极性同比较电流与电流极性的效果是等效的。原文我已经统一改为判断电压与电压的极性)在n类型不正常区间，对与钳位相调制波形极性相同的非钳位相调制波形补偿时，补偿分量与钳位相补偿分量相等；对调制波形极性相反的非钳位相补偿时，补偿分量与钳位相补偿分量使用转换系数t2。表2不正常区间的补偿分量计算在正常区间内注入优化的零序分量。假设每个扇区r均有共同变量vz1～vz6，例如扇区r＝1内共同变量vz1，计算公式为三相调制信号与输入电流的绝对值乘积之和与三相输入电流的绝对值除以对应的不平衡系数。共同变量的计算公式：优化的零序分量计算公式为：其中x＝a,b,c。优化的零序分量详细计算如表3所示。表3优化的零序分量计算在直流电压平衡条件下，根据补偿分量与优化的零序分量及注入后的调制波形如图4所示；在直流电压不平衡条件下，且k属于0～1范围时，根据补偿分量与优化的零序分量及注入后的调制波形如图5所示；在属于-1～0范围时，所得波形如图6所示。根据以上步骤所得的三相调制波形v’a,v’b,v’c计算中线电流平均值inp。计算公式如下inp＝v′a|ia|+v′b|ib|+v′c|ic|针对vienna整流器选取较小直流电容时，通过软件仿真验证本发明所提载波调制方法能够在直流母线电压在平衡与不平衡条件下，有效抑制交流侧电流谐波含量及直流电压振荡，显著改善输入输出侧电能质量。仿真软件选用matlab/simulink2016b，仿真参数如表4所示。表4仿真参数电网相电压有效值vg(rms)220v电网频率f50hz直流侧电压vdc800v直流侧电容c1、c2470μf滤波电感l3mh线路电阻rs0.05ω仿真步长2.5μs直流负载r35ω应用本发明所提的载波调制方法，图7是电压平衡状态下调制、输入电流、直流电压及中线电流的仿真波形。其中图7(a)仅在不正常区间内注入补偿分量；图7(b)为应用本发明所提载波调制方法，不仅在不正常区间注入补偿分量，也在正常区间注入优化的零序分量。通过对比图7(a)与图7(b)可知，本发明所提的调整方法在直流电压平衡条件下，能使vienna整流器直流电压振荡幅值减小并且保持交流输出侧较低电流谐波。图8是电压不平衡状态下调制、输入电流、直流电压及中线电流的仿真波形。其中图8(a)仅在不正常区间内注入补偿分量；图8(b)为应用本发明所提载波调制方法。通过对比图8(a)与图8(b)可知，本发明的调制方法在直流电压不平衡条件下，同样较大幅度减小直流电压振荡并且确保交流侧较高电能质量。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12