一种三相电流型七电平PWM整流器的空间矢量调制策略的制作方法

本发明涉及一种三相电流型七电平pwm整流器的空间矢量调制策略属于智能电网运行控制技术领域，属于电力电子在电力系统中的应用技术领域。

背景技术：

随着电力电子装置在工业市场和应用等领域的不断扩大，特别是电力变换器的大功率化，带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。为了节约能源、降低成本、减少污染，越来越多的电气设备对电能的质量提出了新的要求。世界各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究，取得了大量的科研成果。电力系统谐波的主要来源之一是电网中的电力电子设备。而在这些设备中，各种整流装置所占的比例最大。目前常用的整流装置几乎都采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，它们对电网注入大量谐波及无功功率，网侧电流波形畸变严重、谐波含量高,造成严重的电网“污染”。随着这类非线性负载容量逐年增加，电力电子装置的谐波污染问题成为电气工程领域关注的焦点问题之一。

解决谐波问题的思路无非有两种：一是在谐波产生后用滤波装置进行滤除二是对污染源进行改造，从根本上消除谐波。当然,用有源滤波或者无源滤波等方式进行谐波抑制都是被动的方法,积极的方法。迄今为止，有关七电平逆变器的研究己经很充分，但对7电平整流器尤其是电流型七电平整流器的研究则相对较少。七电平整流器(multilevelcurrentsourcerectifier,mcsr)可以实现交流侧电流正弦化、运行于单位功率因数或者可做到功率因数可调、谐波含量很小。由于七电平整流器可以实现能量的双向流动，不但能实现由交流侧电网向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特性，被称为新型四象限运行的整流器，有效地节约和利用了能源。

技术实现要素：

基于当前三相电流型七电平整流器还未采用空间矢量调制的现状，基于现有的pwm整流器技术，本发明提出一种三相电流型七电平整流器的空间矢量调制策略，使系统能够实现网侧单位功率运行，而直流侧保持电流稳定。

本发明一种三相电流型七电平pwm整流器的空间矢量调制策略，所述三相电流型七电平整流器包括并联的三个整流桥模块，每个整流桥模块分别由相应的调制波控制；

所述空间矢量调制策略包含以下步骤：

步骤1、建立三相电流型七电平pwm整流器的空间电流矢量图：

(1)建立abc三相坐标系，以a轴作为α轴，逆时针方向旋转90度作为β轴，以坐标轴原点为中心点作六边形并使得a、b和c轴分别与六边形的某条边垂直；

(2)分别连接六边形顶点和坐标轴原点，将六边形划分为六个区域，从α轴所处区域起按照逆时针方向顺序记为第1至第6扇形区域；

(3)对任一扇形区域，将其均分为九个三角形区域，每个三角形区域的边长i为每个整流桥模块直流侧输出直流电流大小；九个扇形区域内的三角形区域按照由外向内且逆时针方向顺序记为第①至第⑨三角形区域；

(4)以坐标轴原点为端点分别向每个三角形区域的顶点作射线，形成37个空间矢量；

步骤2、对目标电流矢量所在扇形区域和三角形区域进行判定；

步骤3、目标电流矢量由其所在三角形区域的三个顶点与坐标轴原点连接而成的三个空间矢量合成，计算这三个空间矢量的作用时间；

步骤4、设定每个整流桥模块中的两个开关管作用对应的矢量为基础矢量，基础矢量与扇形区域以及开关管组合方式的对应关系如下：

第1扇形区域：

第2扇形区域：

第3扇形区域：

第4扇形区域：

第5扇形区域：

第6扇形区域：

其中，为基础矢量，n＝1,2,3表示三个整流桥模块，sn1、sn2和sn3表示三个整流桥模块a相、b相和c相上桥臂的开关管，sn4、sn5和sn6表示三个整流桥模块a相、b相和c相下桥臂的开关管；

步骤5，根据以下空间矢量与基础矢量之间的关系，确定步骤3中所述三个空间矢量对应的基础矢量；

步骤6，根据目标电流矢量所在扇形区域，目标电流矢量的开关管组合方式，其中步骤3中所述三个空间矢量的作用时间即为其对应开关管组合的作用时间。

进一步，所述步骤2中的目标电流矢量所在扇区编号n＝na+2nb+4nc，其中，iar,ibr,icr分别为在a,b,c轴的投影大小；

目标电流矢量所在三角形区域的判定方法为：以α轴为x轴，β轴为y轴，建立平面直角坐标系，在此坐标系下，设若则位于第①三角形区域；若则位于第②三角形区域；若则位于第③三角形区域；若则位于第④三角形区域；若则位于第⑤三角形区域。

进一步，所述步骤3中，根据等效原则：

式中，目标电流矢量所在三角形区域的三个顶点与坐标轴原点连接而成的三个空间矢量分别为tx、ty、tz分别为的作用时间，t为调制周期。

进一步，步骤1的(4)中37个空间矢量按照矢量大小分为6类：

1)矢量大小为0的零矢量

2)矢量大小为i的短矢量以第2扇形区域中接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向顺序编号；

3)矢量大小为的中短矢量以第2扇形区域中的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向顺序编号；

4)矢量大小为2i的中矢量以第2扇形区域中接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向顺序编号；

5)矢量大小为的中长矢量以第2扇形区域中接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向顺序编号；

6)矢量大小为3i的长矢量以第2扇形区域中接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向顺序编号。

进一步，步骤5中空间矢量与基础矢量之间的关系为：

有益效果

本发明所提出的调制策略基于采用了三个模块并联的三相电流型组合式结构电路拓扑，有效降低了三相电流型pwm整流器网侧谐波含量，并使得网侧滤波电感和滤波电容的体积有所减小。另外，本发明首次在三相电流型七电平pwm整流器中采用空间矢量调制策略，并通过电压电流双闭环控制，实现网侧单位功率因数运行和直流侧电流跟踪给定值。

附图说明

图1是本发明三相电流型七电平整流器结构图；

图2是图1中的三相电流型七电平整流器的控制框图，其中，(a)、(b)和(c)分别是三个整流桥模块的双闭环控制单元；

图中的各标号定义如下：1.1为交流电网，1.2为交流侧滤波电感，1.3为全桥整流模块，1.4为整流桥滤波电感，1,5为交流侧滤波电容，1.6为直流侧滤波电感，1.7为直流侧负载电容，1.8为整流桥滤波电感，2.1为电网电压传感器，2.2为电网电流传感器，2.3为直流电流传感器，2.4为直流电流给定值，2.5为锁相环，2.6为三相静止坐标系到两相旋转坐标系转化矩阵，2.7为d轴给定电流值，2.8为pi控制器，2.9为pi控制器，2.10为pi控制器，2.11为两相旋转坐标系到三相静止坐标系转化矩阵，2.12为空间矢量调制单元；

图3是三相电流型七电平整流器拓扑图；

图4是三相电流型七电平整流器的空间电流矢量分布图；

图5是第一模块空间矢量调制方法框图；

图6是第二扇区空间矢量和子区域划分图；

图7是a相网测电流和电压波形；

图8是a相交流侧电流波形；

图9是三个单模块直流侧电流波形。

具体实施方式

下面结合附图做更进一步的解释：

本发明所述的空间矢量调制策略首次应用于三相电流型七电平pwm整流器拓扑中。如图1和2所示，三相电流型七电平整流器拓扑以三个模块并联的三相电流型整流器为例。如图3所示，整个拓扑是组合式结构，每个模块都由相应的调制波控制。ek为三相电网相电动势瞬时值；vk为三相csr交流猜测相电压瞬时值；ik为三相csr网侧相电流瞬时值；ikt为三相csr交流侧相电流瞬时值；c、l、r——交流侧滤波电容、电感、电阻；idc为三相csr直流输出电流瞬时值；其中k＝a,b,c。

本发明包括五个步骤：

步骤1、建立七电平空间电流矢量图模型并划分扇形区域及其子区域；

步骤2、分析空间矢量；

步骤3、提出基础矢量与合成矢量的概念；

步骤4、对矢量作用时间进行计算；

步骤5、分析矢量合成方式并确定开关管组合方式。

建立七电平空间电流矢量图模型并划分扇形及其子区域：

(1)如图4所示将矢量图划分为六个扇形区域，并标序号为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、v、ⅵ。

(2)针对每个扇形区域再对其进行子区域划分，以扇区ⅱ为例，如图5所示将其划分为九个三角形区域。

首先建立abc三相坐标系，并以a轴作为α轴，逆时针方向旋转90度作为β轴，作出六边形，使得坐标轴原点为六边形的中心点，abc三轴分别与六边形的某条边垂直。连接六边形顶点和坐标轴原点，使得六边形划分为六个三角形区域，称为扇形区域，以α轴所处扇形区域为扇形区域ⅰ，以逆时针方向为标准，划分扇形区域ⅱ、ⅲ、ⅳ、v、ⅵ。对于每个扇形区域，做三组平行线，每组平行线平行于三角形的某条边，并将该边等分为三段，于是扇形区域被均分为九个小三角形区域。每条边的长度为3i，i为每个模块直流侧输出直流电流大小。

在扇形区域中，扇形区域和六边形重合的边以及和该边平行的两条线段将九个小三角形区域又分为三组区域，每组分别包含5、3、1个小三角形，以逆时针方向为标准，对三组区域进行编号，为①、②、③、…、⑨。

如图6所示，首先对目标电流矢量进行扇区判定。

所在扇区对于对称的三相对称的指令电流为可以按其每60度划分区间，一个工作周期被划分为6个区间。此区间的划分特点是在每个区间中，保证有两相电流的符号是相同的，而与另一项的符号相反，所以控制系统只需检测三相指令电流的正与负就可以判断参考电流所在的扇区，设目标矢量电流iar,ibr,icr为在a,b,c三轴的投影大小，则：

n＝na+2nb+4nc

计算得到n与目标矢量电流所在扇区的对应关系为：n＝1，扇区为ⅰ；n＝3，扇区为ⅱ；n＝2，扇区为iii；n＝6，扇区为ⅳ；n＝4，扇区为v；n＝5，扇区为ⅵ。

再进行扇区内子区域判定，以α轴为x轴，β轴为y轴，建立平面直角坐标系，在此坐标系下，设依据线性规划知识判定。由于要实现网侧7电平，故只能位于①、②、③、④、⑤，5个子区域内，判定具体所在区域方法以位于扇区ⅱ内时为例：

当位于扇区ⅱ内时，

若

则位于子区域①；

若

则位于子区域②；

若

则位于子区域③；

若

则位于子区域④；

若

则位于子区域⑤。

步骤2、分析空间矢量

三相csr空间矢量的定义：设三相csr交流侧电流瞬时值为iat、ibt、ict,当采用“等量”坐标变换时，可将三相静止坐标系(a,b,c)变换成两相静止坐标系(α，β)中的三相csr交流侧电流瞬时值可表达为：

其中，α轴和a轴重合。

在复平面(α，β)电流矢量描述，即：

若只考虑三相csr交流侧对称基波电流，且令

式中，it1m为csr交流侧对称基波电流峰值。

代入可得

此式表明，三相对称基波电流可以由一空间同步旋转矢量描述。

将坐标轴的原点和六边形中所有小三角形的顶点相连，形成37个空间矢量，矢量的箭头方向朝外。37个空间矢量按照矢量长短可分为零矢量、短矢量、中短矢量、中矢量、中长矢量、长矢量。

其中具体可分为：

1)零矢量：即原点矢量；

2)短矢量：以扇区ⅱ中的并且接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向排序；

3)中短矢量：以在扇区ⅱ中的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向排序；

4)中矢量：以扇区ⅱ中的并且接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向排序；

5)中长矢量：以扇区ⅱ中的并且接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向排序；

6)长矢量：以扇区ⅱ中的并且接近α轴的空间矢量为其余矢量按照逆时针方向排序。

以α轴为复数坐标系的实轴，β轴为复数坐标系的虚轴，用复数表示出图中37个矢量可得：

上式为36个矢量在复平面上的表达式，设

步骤3、提出基础矢量与合成矢量的概念：

上述37种矢量可称之为合成矢量，于电流型整流器的特性可知，在每个调制周期内，每个模块上下桥臂始终只有一个开关管导通，三个并联模块中的六个开关管导通即构成了一个合成矢量。每个模块有两个开关管导通，分别是上桥臂和下桥臂开关管，将每个模块中的两个开关管作用对应的矢量称为基础矢量。

设定基础矢量为：且基础矢量与开关管对应关系如下：

设在每个扇区有相应的基础矢量，基础矢量与扇区以及开关管组合方式对应关系如下：

第1扇区：

第2扇区：

第3扇区：

第4扇区：

第5扇区：

第6扇区：

即每个扇区内的基础矢量都有唯一的开关管组合与之对应，只要确定合成矢量和基础矢量的关系，即可得到合成矢量与开关管组合方式的对应关系。下面详细列举合成矢量和基础矢量的关系。由于采用7电平调制方式，故合成矢量中的零矢量和短矢量无需考虑，下面说明合成矢量与基础矢量关系。

长矢量：

中长矢量：

中矢量：

中短矢量：

由扇区的对称性，以第二扇区为例说明合成矢量与基础矢量和开关管的对应关系。

设定基础矢量表示为其中对应每个模块a相上下桥臂开关管，即对应(s11s14)，对应(s21s24)，对应(s31s34)；对应每个模块a相上桥臂开关管和b相下桥臂开关管，即对应(s11s12)，对应(s21s22)，对应(s31s32)；对应每个模块a相上桥臂开关管和c相下桥臂开关管，即对应(s11s16)，对应(s21s26)，对应(s31s36)。

步骤4、对矢量作用时间进行计算：

每个扇区被划分为9个三角形区域，当目标矢量落在某个三角形区域时，其可由三角形的三个顶点与原点连接而成的矢量合成，设三个相邻矢量分别为矢量作用时间为tx、ty、tz，t为调制周期。由等效原则可得：

由于每个扇区分为9个三角形区域，设目标矢量并假设落在第二扇区第一区域，有：

将代入可得：

其中k＝ir/i，故可求出另外8个区域的矢量作用时间。由对称性，可推得另外五个扇区的矢量作用时间。

步骤5、分析目标电流矢量的合成方式并确定开关管组合方式：

目标电流矢量由其所在三角形区域的三个顶点与坐标轴原点连接而成的三个空间矢量合成，所述三个空间矢量的作用时间即为其对应开关管组合的作用时间。根据以下空间矢量与基础矢量之间的关系，确定上述三个空间矢量对应的基础矢量。根据目标电流矢量所在扇形区域，确定目标电流矢量的开关管组合方式。

以当目标电流矢量落在第二扇区第一区域时为例，此时有：

为合成矢量，将其用基础矢量的形式表示出来，可设为：代入可得：

考虑到三个模块的对称性，设

将矢量作用时间均分成三等分，即矢量可在这三段时间中分别起作用，用以表示矢量作用顺序。

设模块一、模块二、模块三各自合成的目标矢量为总的目标矢量

可得：

对于各模块，可知其合成目标电流矢量:

由于

代入将上式进行简化可知：

对于模块二和模块三，同理可得：

即：

故可知采用此合成模式可使模块间达到均流状态。

实施例

在matlab/simulink中对于该系统进行仿真，仿真参数取为：电网相电压峰值ea/f频率为220v/50hz，交流侧滤波电感lk(k＝a,b,c)为1mh，滤波电容ck(k＝a,b,c)为50μf，直流侧电感l为0.4h，直流侧负载为20ω，采样频率为10khz，单模块给定电流为6.5a，仿真时间为0.2s。

根据如图7至9的仿真波形，可以得出几个结论，一、a相交流侧实现了7电平运行状态；二、网测可迅速达到单位功率运行状态；三、三个模块直流侧大概在0.1s达到给定值6.5a,即模块间均流目标已经实现。