一种PWM整流器谐波的抑制系统的制作方法

本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种pwm整流器谐波的抑制系统。

背景技术：

随着社会的高速发展，电能在工农业生产和人民日常生活中发挥着越来越重要的作用，然而与之同时与国民生产生活密切相关的电力电子转换装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种换流装置在广泛的运用中给电网带来了大量的无功功率与严重的谐波污染。随着电力电子技术的发展，pwm整流器应运而生，成功取代不可控二极管整流器和相控的晶闸管整流器，并成为电力电子技术研究的热点。

当pwm整流器处于逆变状态时，电能回馈到电网上。在pwm整流器实际工作过程中，为防止功率器件的开通关断延迟而造成桥臂直通的问题，通常需要在开关管的驱动信号上插入死区时间，由此会产生上下桥臂均关断而导致实际输出电压产生畸变，死区电压通常是以5,7次电流谐波体现的。同时由于电网中本身会带有5,7,11,13次谐波，在d-q两相正交坐标下，电压谐波表现为交流分量，受制于带宽限制传统的pi调节器无法跟踪交流分量，因此电流中会产生幅值较大的5,7次电流谐波。

另一方面，在诸如工厂，学校，商场等负载设备较多的场合，若电网中存在容量较大的不平衡负载或缺少无功治理装置，将加重电网的不平衡度，不平衡电网会造成整流器的输入侧电流含有3次谐波及母线电压含有二倍频分量。

因此在众多因素影响下，pwm整流器的输入电流会带有丰富的谐波，无法满足pwm整流器关于ieee519-92的各项谐波要求。

技术实现要素：

本申请提供一种pwm整流器谐波的抑制系统，能够同时抑制由电网电压及死区效应所引起的6n±1次谐波及由电网不平衡引起的三次谐波。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种pwm整流器谐波的抑制系统，该系统包括：电流调节模块，其包括电流调节器和加法器，用于对电流进行跟踪以得到输出电压；电流调节器包括pi调节器、重复控制器和谐振控制器；pi调节器，用于对电流中的基波电流进行跟踪并得到输出电压第一分量；重复控制器，用于对电流中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波并得到输出电压第二分量；谐振控制器，用于对电流中的二倍频分量进行跟踪以抑制三次谐波并得到输出电压第三分量；加法器，用于将输出电压第一分量、输出电压第二分量、输出电压第三分量进行叠加以得到输出电压。

本申请的有益效果是：本发明的pwm整流器的谐波的抑制系统通过在pi调节器之外设置重复控制器和谐振控制器，其中，重复控制器用于对电流中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波，谐振控制器用于对电流中的二倍频分量进行跟踪以抑制三次谐波，从而能够同时抑制由电网电压及死区效应所引起的5、7次谐波及由电网不平衡引起的三次谐波，满足pwm整流器关于ieee519-92的各项谐波要求。

附图说明

图1是本发明第一实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图；

图2是图1中重复控制器的原理图；

图3是图2所示的重复控制器的伯德图；

图4是在不平衡电网下在电流调节器中添加重复控制器前后的网侧电流thd频谱对比图；

图5是图1中谐振控制器的伯德图；

图6是图5所示谐振控制器中增益系数和三次谐波的关系示意图；

图7是在不平衡电网下在电流调节器中添加谐振制器前后的网侧电流thd频谱对比图；

图8是本发明第二实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图；

图9是图8中限幅模块一实施例的结构示意图；

图10是本发明第三实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图；

图11是本发明第四实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本发明第一实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图。如图1所示，该抑制系统100包括电流调节模块10，电流调节模块10包括电流调节器11和加法器12，用于对电流进行跟踪以得到输出电压。

具体来说，电流调节器11包括pi调节器111、重复控制器112和谐振控制器113。pi调节器111用于对电流中的基波电流进行跟踪并得到输出电压第一分量；重复控制器112用于对电流中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波并得到输出电压第二分量；谐振控制器113用于对电流中的二倍频分量进行跟踪以抑制三次谐波并得到输出电压第三分量。加法器12分别与pi调节器111、重复控制器112和谐振控制器113连接，用于将pi调节器111输出的输出电压第一分量、重复控制器112输出的输出电压第二分量、谐振控制器113输出的输出电压第三分量进行叠加以得到输出电压。

在实际应用中，pi调节器111是在电流调节器11中起主导作用的模块，用来实现对电流基波的无静差控制，但是受电流环带宽的限制，其对电流给定中交流分量的跟踪能力较差，因此对高频信号的控制能力有限，所以增加重复控制器112用来对电流中以六倍频为主的交流分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波。

请一并参考图2，图2是图1中重复控制器的原理图。如图2所示，重复控制器112包括加法单元1121、内模单元1122、周期延迟单元1123、第一补偿单元1124和第二补偿单元1125。

其中，加法单元1121的一输入端作为重复控制器112的输入端，加法单元1121的另一输入端连接内模单元1122的输出端，内模单元1122的输入端分别与加法单元1121的输出端和周期延迟单元1123的输入端连接，周期延迟单元1123的输出端与第一补偿单元1124的输入端连接，第一补偿单元1124的输出端与第二补偿单元1125的输入端连接，第二补偿单元1125的输出端作为重复控制器112的输出端。

其中，内模单元1122包括串联的内模常数单元和内模延迟单元，内模常数单元为q(z)，内模延迟单元为z^-n；周期延迟单元1123为z^-n；第一补偿单元1124包括串联的增益系数单元和相位超前补偿单元，增益系数单元为kr，相位超前补偿单元为z^k；第二补偿单元1125为s(z)，s(z)通常为低通滤波器或1/p(z)，p(z)为被控对象的传递函数；其中，n为一个电流基波周期的采样点数，k为相位补偿系数。

请一并参考图3，图3是图2所示的重复控制器的伯德图。如图3所示，重复控制器112在基波(50hz)的整数倍的频率处都有增益，因此重复控制器112的添加可以加强电流调节器11对整数次谐波的跟踪能力，进而可以实现对6n±1次例如5、7次等谐波的抑制。其中，增益系数单元kr越大，对谐波跟踪能力越强。

需要强调的是，重复控制器112除了对6n±1次谐波有很好的抑制效果，对其他次谐波例如3次谐波也有一定的抑制效果。也就是说，重复控制器112主要是抑制6n±1次谐波，但同时对其他次谐波也会起到抑制作用。

请一并参考图4，图4是在不平衡电网下在电流调节器中添加重复控制器前后的网侧电流thd频谱对比图。如图4所示，添加重复控制器112前也即电流调节器11仅仅包括pi调节器111时，3次谐波含量为3.5％，5、7次谐波分别为0.66％和0.24％，添加重复控制器112后也即电流调节器同时包括pi调节器111和重复控制器112时，3次谐波含量为2.4％，降低了1/3左右，5、7次谐波分别为0.33％、0.13％，降低了1/2左右。

从图4可以看出，在pi调节器111的基础上增加重复控制器112，5、7次谐波得到了很大的抑制，但是3次谐波的含量仍然很大，所以进一步在电流调节器11中增加谐振控制器113以对电流中以二倍频为主的交流分量进行控制，也即加强二倍频的跟踪能力以抑制三次谐波。

在本实施例中，为了保证电流调节器11的稳定性，谐振控制器113优选为准谐振控制器。在实际应用中，理想谐振控制器由于其在谐振频率处的增益无限大，因此会对系统的稳定性产生重大影响，因此在控制领域，为了获得在谐振频率处的高增益同时又不失去系统稳定性，提出一种准谐振控制，它和理想谐振控制器的区别在于它在谐振频率处的增益不是无限大。

在本实施例中，谐振控制器113的传递函数f(s)为：

其中，kf为谐振控制器的增益系数，ωc为谐振控制的品质因数，ωn为谐振频率。

在本实施例中，ωn为两倍的电网角频率，ωc优选为5。

请一并参考图5和图6，图5是图1中谐振控制器的伯德图，图6是图5所示谐振控制器中增益系数和三次谐波的关系示意图。如图5所示，谐振控制器113在谐振点频率也即电流的两倍频附近的增益较大，而对于其他频率的信号衰减明显，因此通过谐振控制器113中能够实现对电流中二倍频的无静差跟踪。如图6所示，随着谐振控制器中增益系数kf的增大，三次谐波大小趋于收敛，因此可以挑选最优的增益系数kf取值从而达到三次谐波的最优抑制效果。

请一并参考图7，图7是在不平衡电网下在电流调节器中添加谐振制器前后的网侧电流thd频谱对比图。如图7所示，添加谐振控制器113前也即电流调节器11包括pi调节器111和重复控制器112时，3次谐波含量为2.4％，5、7次谐波含量分别为0.33％、0.13％。添加谐振控制器113后也即电流调节器11包括pi调节器111、重复控制器112和重复控制器113时，3次谐波含量为0.9％，发生锐减，5、7次谐波含量分别为0.35％、0.12％，几乎未发生变化。

图8是本发明第二实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图。如图8所示，图8所示的抑制系统200与图1所示的抑制系统100的差别在于：电流调节模块10进一步包括限幅模块13。

其中，限幅模块13串联在电流调节器11和加法器12之间，用于对输出电压第一分量、输出电压第二分量、输出电压第三分量进行限幅处理后输出限幅后的输出电压第一分量、输出电压第二分量、输出电压第三分量至加法器12。

请一并参考图9，图9是图8中限幅模块一实施例的结构示意图。如图9所示，限幅模块13包括第一限幅单元131、第一配置单元132、第二限幅单元133、第二配置单元134和第三限幅单元135。

第一限幅单元131用于根据第一幅度值对输出电压第一分量进行限幅处理后输出限幅后的输出电压第一分量。

第一配置单元132与第一限幅单元131连接，用于从第一限幅单元131获取第一幅度值和限幅后的输出电压第一分量后，根据第一幅度值和限幅后的输出电压第一分量获取第二幅度值。其中，第二幅度值为第一幅度值和限幅后的输出电压第一分量的差值。

第二限幅单元133与第一配置单元132连接，用于根据从第一配置单元132配置的第二幅度值对输出电压第二分量进行限幅处理后输出限幅后的输出电压第二分量。

第二配置单元134与第二限幅单元133连接，用于从第二限幅单元133获取第二幅度值和限幅后的输出电压第二分量后，根据第二幅度值和限幅后的输出电压第二分量获取第三幅度值。其中，第三幅度值为第二幅度值和限幅后的输出电压第二分量的差值。

第三限幅单元135与第二配置单元134连接，用于根据从第二配置单元134配置的第三幅度值对输出电压第三分量进行限幅处理后输出限幅后的输出电压第三分量。

在本实施例中，在电流调节器11运行过程中pi调节器111、重复控制器112和谐振控制器113同时作用，pi调节器111作为电流调节器11的主要作用模块起主导作用，重复控制器112与谐振控制器113起补偿作用，其中，重复控制器112用来抑制主要次谐波，例如5、7次谐波，谐振控制器113主要用于电网不平衡条件下的3次谐波抑制。为防止重复控制器112和谐振控制器113参数偏差而影响系统整体的稳定性，限幅模块13采用嵌套式限幅方法，也就是说，pi调节器111作为首要环节先满足其稳定性，因此先利用第一限幅单元131和第一限幅值对其进行限幅，在pi调节器111输出满足条件的情况下，以pi调节器111的限幅值也即第一限幅值与实际输出值也即限幅后的输出电压第一分量的差值作为重复控制器112的限幅值也即第二限幅值，接着利用第二限幅单元133和第二限幅值对重复控制器112进行限幅，在重复控制器112输出满足限幅值的情况下，以重复控制器112的限幅值也即第二限幅值与重复控制器112实际输出也即限幅后的输出电压第二分量的差值也即第三幅度值作为谐振控制器113的限幅值，接着利用第三限幅单元135和第三限幅值对谐振控制器113进行限幅。

可以理解的是，当电流的pi调节器111，重复控制器112，谐振控制器113在d-q坐标系下进行时，可在d-q坐标系下利用限幅模块13做电压限幅处理使得pi调节器111，重复控制器112，谐振控制器113的输出电压总和不会超过实际输出能力，这样可以加快电流调节器11的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

图10是本发明第三实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图。如图10所示，该系统300包括第一坐标转换模块21、第一减法器22、电压调节器23、第二减法器24、第三减法器25、第一电流调节模块26、第二电流调节模块27、第二坐标转换模块28、空间矢量调制模块29和锁相环30。其中，第一电流调节模块26包括第一pi调节器261、第一重复控制器262、第一谐振控制器263、第一加法器264和第一限幅模块265；第二电流调节模块27包括第二pi调节器271、第二重复控制器272、第二谐振控制器273、第二加法器274和第二限幅模块275。

第一坐标转换模块21与pwm整流器310连接，用于对从pwm整流器310获取的三相电流ia、ib和ic进行坐标变换得到d-q两相正交坐标系下的dq轴电流也即q轴电流分量iq和d轴电流分量id。其中，第一坐标转换模块21的坐标变换为克拉克(clarke)及帕克(park)变换。

第一减法器22和pwm整流器310连接，用于将给定参考电压udcref与从pwm整流器310获取的母线电压udc进行减法运算后输出电压差值δudc。

电压调节器23与第一减法器22连接，电压调节器23的输入端接收第一减法器22输出的电压差值δudc，电压调节器23的输出端输出对该电压差值δudc进行跟踪后输出的第一参考电流idref。

第二减法器24与第一坐标转换模块21连接，用于将给定参考电流iqref与第一坐标转换模块21输出的q轴电流分量iq进行减法运算得到q轴误差电流δiq。

第三减法器25分别与第一坐标转换模块21和电压调节器23连接，用于将电压调节器23输出的第一参考电流idref与第一坐标转换模块21输出的d轴电流分量id进行减法运算得到d轴误差电流δid。

第一pi调节器261、第一重复控制器262、第一谐振控制器263的输入端与第二减法器24连接以接收q轴误差电流δiq，第一pi调节器261用于对q轴误差电流δiq中的基波电流进行跟踪并在输出端输出q轴电压分量第一分量uq-pi，第一重复控制器262用于对q轴误差电流δiq中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波并在输出端输出q轴电压分量第二分量uq-rc，第一谐振控制器263用于对q轴误差电流δiq中的二倍频分量进行跟踪以抑制三次谐波并在输出端输出q轴电压分量第三分量uq-r。

第一限幅模块265分别与第一pi调节器261、第一重复控制器262、第一谐振控制器263的输出端连接，用于对q轴电压分量第一分量uq-pi、q轴电压分量第二分量uq-rc、q轴电压分量第三分量uq-r进行限幅处理后输出限幅后的q轴电压分量第一分量uq-pi-out、q轴电压分量第二分量uq-rc-out、q轴电压分量第三分量uq-r-out。

第一加法器264与第一限幅模块265连接，用于将限幅后的q轴电压分量第一分量uq-pi-ou、q轴电压分量第二分量uq-rc-out、q轴电压分量第三分量uq-r-out进行叠加以输出q轴电压分量uq。

第二pi调节器271、第二重复控制器272、第二谐振控制器273的输入端与第三减法器25连接以接收d轴误差电流δid，第二pi调节器271用于对d轴误差电流δid中的基波电流进行跟踪并在输出端输出q轴电压分量第一分量ud-pi，第二重复控制器272用于对d轴相误差电流δid中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波并在输出端输出d轴电压分量第二分量ud-rc，第二谐振控制器273用于对d轴误差电流δid中的二倍频分量进行跟踪以抑制三次谐波并在输出端输出d轴电压分量第三分量ud-r。

第二限幅模块275分别与第二pi调节器271、第二重复控制器272、第二谐振控制器273的输出端连接，用于对d轴电压分量第一分量ud-pi、d轴电压分量第二分量ud-rc、d轴电压分量第三分量ud-r进行限幅处理后输出限幅后的d轴电压分量第一分量ud-pi-out、d轴电压分量第二分量ud-rc-out、d轴电压分量第三分量ud-r-out。

第二加法器274与第二限幅模块275连接，用于将限幅后的d轴电压分量第一分量ud-pi-out、d轴电压分量第二分量ud-rc-out、d轴电压分量第三分量ud-r-out进行叠加以输出d轴电压分量ud。

第二坐标转换模块28分别与第一加法器264和第二加法器274连接，用于对第一加法器264输出的q轴电压分量uq和第二加法器274输出的d轴电压分量ud进行坐标变换得到三相静止坐标系中第一相控制量ua、第二相控制量ub和第三相控制量uc。其中，第二坐标转换模块30的坐标变换为帕克(ipark)及克拉克(iclarke)反变换。

空间矢量调制模块29与第二坐标转换模块28连接，用于接收第二坐标转换模块28输出的第一相控制量ua、第二相控制量ub、第三相控制量uc并进行空间矢量调制输出空间矢量信号ta、tb和tc并传送到pwm整流器310。

锁相环30分别与pwm整流器310、空间矢量调制模块29和第一坐标转换模块21连接，用于对从pwm整流器310获取的三相电压u1、u2和u3进行锁相操作以向空间矢量调制模块31和第一坐标转换模块21提供相位信息θ。

在本实施例中，第一重复控制器262、第二重复控制器272与图1中的重复控制器112类似，第一谐振控制器263、第二谐振控制器273和图1中的谐振控制器113类似，第一限幅模块265、第二限幅模块275和图2中的限幅模块13类似，为简约起见，在此不再赘述。

图11是本发明第四实施例的pwm整流器谐波的抑制系统的结构示意图。如图11所示，抑制系统400与抑制系统300的区别在于：

第一重复控制器262与第一pi调节器261的输出端连接以接收q轴电压分量第一分量uq-pi，第一重复控制器262用于对q轴电压分量第一分量uq-pi中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波并在输出端输出q轴电压分量第二分量uq-rc。

第二重复控制器272与第二pi调节器271的输出端连接以接收d轴电压分量第一分量ud-pi、第二重复控制器272用于对d轴电压分量第一分量ud-pi中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波并在输出端输出d轴电压分量第二分量ud-rc。

本申请的有益效果是：本发明的pwm整流器谐波的抑制系统通过在pi调节器之外设置重复控制器和谐振控制器，其中，重复控制器用于对电流中的六倍频分量进行跟踪以抑制6n±1次谐波，谐振控制器用于对电流中的二倍频分量进行跟踪以抑制三次谐波，从而能够同时抑制由电网电压及死区效应的引起的5,7次谐波及由电网不平衡引起的3次谐波，满足ieee519-92关于入网电流的各项谐波指标要求。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。