一种三相变流器及其控制方法与流程

本发明涉及能源供电领域，尤其涉及一种三相变流器及其控制方法。

背景技术：

1、随着经济社会的发展，能源危机逐步凸显以及全球环境的逐渐恶化，发展和使用清洁替代能源已成为的能源行业的重要目标。伴随新能源发电、储能以及新能源汽车产业的不断发展，作为核心能源控制装置的变流器成为清洁能源应用的关键因素之一，其中变流器是实现可再生能源—太阳能光伏能源向电网传递的必不可少单元。

2、在众多种类的变流器中，三相变流器是应用最为广泛的变流器之一，用于连接三相交流电力系统以及直流电力系统并实现两个系统之间能量传递。根据能量流向的不同又区分为整流和逆变两种工作状况，其中能量从直流系统传递到交流系统被称为逆变，而从交流系统传递到直流系统称为整流。

3、因此，大部分应用场景下，整流和逆变均可采用同样的系统来实现，其典型系统结构如图1所示，三相变流器连接在直流系统和交流直通之间，其包括开关网络、滤波器以及对开关网络进行控制的控制器。

4、对于三相逆变器来说，转换效率和电能质量是三相变流器的两个关键技术指标，而调制方式直接影响着开关器件的通断状态，因此是影响其转换效率和电能质量的关键因素之一。

5、常用的调制方式为脉冲宽度调制pwm，即对开关网络中各器件的驱动脉冲的宽度进行控制。最直接的实现形式为将载波与调制波进行比较，以比较结果来控制开关器件的通断状态。

6、pwm又可以分为连续脉冲宽度调制cpwm和不连续脉冲宽度调制dpwm，其中cpwm是指在每个开关周期内每相桥臂总有一个开关动作，常见的方式有正弦脉宽调制spwm，空间矢量脉宽调制svpwm和三次谐波注入脉宽调制thipwm；dpwm是指在一定的开关时期内，变流器的某相桥臂被钳位在正直流母线或者负直流母线，在该钳位时间内，该相开关器件常通或常断，没有开关动作。常见的dpwm调制包括dpwm0，dpwm1，dpwm2，dpwm3，dpwmmax，dpwmmin和gdpwm等方式。

7、和cpwm相比，dpwm的开关次数更少，因此开关损耗较小，由此带来的益处即是能够提高变流器的效率。

8、在具体实现上，dpwm调制波可以通过在cpwm调制波上叠加等效共模分量来实现。例如，将一个工频周期(50hz)内的dpwm调制波形与spwm调制波形进行对比，如图2所示，两调制波之差即是图2中所示共模信号波形。

9、由于dpwm的调制波可以等效于spwm与共模信号之和，因此dpwm的输出特性受到spwm输出特性与共模信号输出特性的共同影响，会在变流器桥臂端口形成额外的共模电压源，该共模电压源与系统中的共模回路相互作用，会影响系统性能。

10、如图3所示，典型的三电平加lcl滤波器变流器通常为了降低变流器传递至交流系统中的共模电流，会将lcl滤波器的电容中点抽回至直流母线电容中点，从而形成新的共模回路，相当于对变流器产生的共模电流进行了分流，使得大部分共模电流都通过lcl滤波器抽回回路引回至变流器直流侧。但在抽回回路中存在电感与电容的串联，存在自然串联谐振频率，若该频率与因dpwm调制而产生的共模电压源频率范围重叠，则会产生串联谐振，引起共模电流的大幅震荡，从而影响系统稳定性。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种三相变流器及其控制方法，用于减少三相变流器中的共模电流，从而有效提高变流器的稳定性以及效率。

2、第一方面，提供了一种三相变流器，用于连接在直流系统和交流系统之间进行直流和交流的相互变换，所述三相变流器包括开关网络、连接开关网络的三相滤波器、连接所述三相滤波器的采样单元、连接所述三相采样单元的控制单元、同时连接所述控制单元和采样单元的有源阻尼单元和连接在所述有源阻尼单元以及开关网络之间的调制单元；所述采样单元用于获取三相滤波器输出的三相电流ia、ib和ic，并将所述三相电流ia、ib和ic发送给所述有源阻尼单元；所述有源阻尼单元用于根据所述三相电流ia，ib和ic，获取与所述三相电流ia，ib和ic一一对应的调节分量v’a、v’b以及v’c，再根据所述调节分量v’a、v’b以及v’c获取零序调节分量v0，并将所述零序调节分量v0与所述控制单元输出的三相调制波va、vb、vc分别相加，得到新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod，并将所述新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod传输给所述调制单元；所述调制单元用于将所述新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod调制为开关网络的驱动信号，以驱动所述开关网络进行工作。

3、结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，所述有源阻尼单元包括电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc分别一一对应接收所述三相电流ia，ib和ic，并分别通过各自独立的调节函数对所述三相电流ia，ib和ic进行调节获得与所述三相电流ia，ib和ic一一对应的调节分量v’a、v’b以及v’c。

4、结合第一方面或第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种实现方式中，所述有源阻尼单元还包括零序调节分量计算器，所述零序调节分量计算器接收所述电流调节器ga、电流调节器gb、电流调节器gc分别输出的调节分量v’a、v’b以及v’c，并计算所述调节分量v’a、v’b以及v’c的平均数或者加权平均数，所述平均数或加权平均数的结果等于所述零序调节分量v0。

5、结合第一方面或第一方面的第一种实现方式或第一方面的第二种实现方式，在第一方面的第三种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为比例积分(pi)调节器，所述pi调节器的调节函数g为：

6、

7、其中，kp为比例系数，ki为积分系数，s为用复数来表示输入信号的频率和相位的复频率。

8、结合第一方面或第一方面的上述三种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第四种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为比例谐振(pr)调节器，所述pr调节器的调节函数g为：

9、

10、其中，g为输出电压与输入电流的比值，例如，g＝v’a/ia；此外，kp、kr均为比例常数，其中kp为比例系数，kr为谐振系数，ω0为所述变流器电路的谐振频率，s为用复数来表示输入信号的频率和相位的复频率。

11、结合第一方面或第一方面的上述四种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第五种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为微分调节器，所述微分调节器的调节函数g为：

12、g＝ks；

13、其中，k为比例系数，s为复频率。

14、结合第一方面或第一方面的上述五种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第六种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为高通滤波器，所述高通滤波器的调节函数g为：

15、

16、其中，k为比例系数，ωhf为截止频率，s为复频率。

17、结合第一方面或第一方面的上述六种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第七种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为超前滞后调节器，所述超前滞后调节器的调节函数g为：

18、

19、其中，k为比例系数，ωmax为最大相移频率，kf为调节系数，s为复频率。

20、结合第一方面或第一方面的上述七种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第八种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为二阶广义积分调节器，所述二阶广义积分调节器的调节函数g为：

21、

22、其中，ω1为谐振频率，k为阻尼系数，s为复频率。

23、结合第一方面或第一方面的上述八种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第九种实现方式中，所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc中至少一个为零极点配置调节器，所述零极点配置调节器的调节函数g为：

24、

25、其中，k为比例系数，z1、z2…zm为零点，p1、p2…pn为极点，s为复频率。

26、结合第一方面或第一方面的上述九种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第十种实现方式中，所述开关网络包括第一分压电容c1、第二分压电容c2、第一开关组合sa、第二开关组合sb以及第三开关组合sc；所述第一分压电容c1以及第二分压电容c2相互串联在所述直流电源的正负极之间，用于对所述直流电源进行分压；所述第一开关组合sa、第二开关组合sb以及第三开关组合sc相互并联在所述直流电源的正负极之间；

27、所述所述第一分压电容c1以及第二分压电容c2组成的串联组合与所述第一开关组合sa、第二开关组合sb以及第三开关组合sc之间并联连接。

28、结合第一方面或第一方面的上述十种实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第十一种实现方式中，所述第一开关组合sa包括分别连接所述直流电源正负两端的第一连接端sa1和第二连接端sa2、共同与所述第一分压电容c1以及第二分压电容c2组成的串联组合的中点连接的第三连接端sa3以及与所述三相滤波器的一输入端连接的第四连接端sa4；所述第二开关组合sb包括分别连接所述直流电源正负两端的第一连接端sb1和第二连接端sb2、共同与所述第一分压电容c1以及第二分压电容c2组成的串联组合的中点连接的第三连接端sb3以及分别与所述三相滤波器的三个输入端连接的第四连接端sb4；所述第三开关组合sc包括包括分别连接所述直流电源正负两端的第一连接端sc1和第二连接端sc2、共同与所述第一分压电容c1以及第二分压电容c2组成的串联组合的中点连接的第三连接端sc3以及分别与所述三相滤波器的三个输入端连接的第四连接端sc4；所述三个开关组合的第三连接端sa3、sb3、sc3分别连接所述三相滤波器202的三个输入端；所述第四连接端sa4、sb4、sc4可择性地与自身所属开关组合中的第一、二以及三连接端中的任一进行导通连接或断开连接，以实现直流与交流之间的变换。

29、第二方面提供了一种三相变流器的控制方法，用于控制连接在直流系统和交流系统之间的三相变流器进行直流和交流的相互变换，所述方法包括：步骤101、获取三相变流器中的三相电流ia，ib和ic，并将所述三相电流ia，ib和ic分别一一输入对应的电流调节器ga、gb以及gc，得到调节分量v’a、v’b以及v’c；步骤102、根据所述调节分量v’a、v’b以及v’c，计算获得零序调节分量v0；步骤103、将所述零序调节分量v0与三相调制波va、vb、vc分别相加，得到新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod；步骤104、将所述新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod与所述三相变流器的载波信号进行比较输出与所述三相变流器的开关器件的驱动信号。

30、结合第二方面，在第二方面的第一种实现方式中，所述根据所述调节分量v’a、v’b以及v’c，计算获得零序调节分量v0，包括：

31、计算所述调节分量v’a、v’b以及v’c的平均数或者加权平均数，所述平均数或加权平均数的结果等于所述零序调节分量v0。

32、结合第二方面或第二方面的第一种实现方式，在第二方面的第二种实现方式中，所述根据所述调节分量v’a、v’b以及v’c，计算获得零序调节分量v0，包括：

33、计算所述调节分量v’a、v’b、v’c的加权平均数获得获得零序调节分量v0，中所述计算公式为：

34、所述零序调节分量

35、其中k1，k2，k3为三相加权系数。

36、第三方面提供了一种光伏系统，包括光伏电池板以及连接在光伏电池板与交流电网之间的三相变流器，所述三相变流用于根据所述三相变流器中的三相电流ia，ib和ic获得到调节分量v’a、v’b以及v’c，所述三相变流器根据所述调节分量v’a、v’b以及v’c，计算获得零序调节分量v0，再将所述零序调节分量v0与三相调制波va、vb、vc分别相加，得到新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod，最后将所述新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod与所述三相变流器的载波信号进行比较输出与所述三相变流器的开关器件的驱动信号，以将所述光伏电池板输出的直流电转变为交流电来输入所述交流电网。

37、第四方面提供了一种电动车动力系统，包括直流电源、电动机以及连接在所述直流电源与电动机之间的三相变流器，所述三相变流器包括电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc以及零序调节分量计算器；所述三相变流用于将所述三相变流器中的三相电流ia，ib和ic一一对应地输入所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc，以分别获得到对应的调节分量v’a、v’b以及v’c；所述零序调节分量计算器接收所述电流调节器ga、电流调节器gb、电流调节器gc分别输出的调节分量v’a、v’b以及v’c，并计算所述调节分量v’a、v’b以及v’c的平均数或者加权平均数，所述平均数或加权平均数的结果等于所述零序调节分量v0。所述电流调节器ga、电流调节器gb以及电流调节器gc分别一一对应接收所述三相电流ia，ib和ic，并分别通过各自独立的调节函数对所述三相电流ia，ib和ic进行调节获得与所述三相电流ia，ib和ic一一对应的调节分量v’a、v’b以及v’c；所述三相变流器将所述新的三相调制波va_mod、vb_mod、vc_mod与所述三相变流器的载波信号进行比较输出与所述三相变流器的开关器件的驱动信号，以将所述直流电源输出的直流电转变为交流电来输入所述电动机。

38、上述三相变流器在直接使用所述控制单元生的三相调制波控制所述开关网络的开关管会产生较大共模电流的情况下，所述有源阻尼单元根据三相滤波器中三相电流中各相电流的不同情况，分别确定各相电路的调节分量，再将所述各相电路的调节分量分别与控制单元产生的三相调制波叠加产生修正后的三相调制波，然后使用修正后的三相调制波对开关网络的开关管进行控制以减少所述三相变流器的共模电流。