CN107659130A - 一种三相三电平vienna整流器的控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统及控制方法。本发明所要解决的技术问题是提出一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统及控制方法解决传统单周期控制控制理论下的三相PFC变换器输入电流将会产生较大的三次谐波分量的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统及控制方法，该系统对电压调节器输出信号中所含有的2次谐波分量进行衰减，其他频段的信号不受影响。本发明有效抑制三相输入电流中较大幅值的三相谐波分量，改善整流器输入电流波形质量。

Description

一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统及控制方法。
背景技术
随着功率半导体器件和控制技术的不断发展，电力电子设备的应用越来越广泛，由于电力电子器件存在的固有的非线性特征，因此大部分整流设备在网侧会导致较大的电流谐波和较低的功率因数，为了解决这一问题，功率因数校正电路被越来越广泛的应用。三相三电平VIENNA整流器作为三电平Boost型中点箝位(neutral point clamped,NPC)结构变换器的一种，具有电路结构简单、开关电压应力小、输入电流谐波含量低、可实现输入单位功率因数校正等优点。
单周期控制技术(OCC)是20世纪90年代初由美国加州大学的Keyue M Smedley提出的一种无需乘法器的新颖控制方法。该方法通过对开关占空比进行控制，强迫整流器二极管输出脉冲的平均值在每个开关周期与控制参考量相等或成一定比例。单周期控制通过复位积分器、比较器、控制器达到跟踪指令信号的目的，具有控制与调制的双重作用，是一种典型的非线性控制技术，单周期控制技术在回路中不需要进行误差综合，因此在一个周期内可以自动的消除瞬态及稳态误差，具有开关频率恒定、电路控制简单易实现、响应速度快、鲁棒性强等特点。
单周期控制的三相三电平VIENNA整流器具有动态响应快、开关频率稳定、输入电流畸变率低、易于实现等优点。然而在实际的应用中，由于输入电源通常并非理想的对称电压源，在此情况下，传统单周期控制控制理论下的三相PFC变换器输入电流将会产生较大的三次谐波分量，从而影响输入电流THD(total harmonic distortion总谐波失真)。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统及控制方法，通过对电压调节器输出信号中所含有的2次谐波分量进行衰减，其他频段的信号不受影响，解决了传统单周期控制控制理论下的三相PFC变换器输入电流将会产生较大的三次谐波分量的问题，具有改善整流器输入电流波形质量的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统，对电压调节器输出信号中所含有的2次谐波分量进行衰减，其他频段的信号不受影响。
优选的，所述该系统包括三相三电平VIENNA整流器、电流采样电路、整流电路、载波生成电路、电压调节器和电压采样电路，电流采样电路与三相三电平VIENNA整流器的输入端连接，采集的输入电流信号传送给整流电路，电压采样电路与三相三电平VIENNA整流器的输出端连接，将采集的输出电压信号经电压调节器传送给载波生成电路，载波生成电路和整流电路再共同生成控制信号，对三相三电平VIENNA整流器进行控制，所述该系统还包括谐振控制器，电压调节器通过谐振控制器与载波生成电路连接。
优选的，所述三相三电平VIENNA整流器包括两个电容，两个电容并联在该整流器的输出侧，所述该系统还包括均压调节器，均压调节器一端分别与所述三相三电平VIENNA整流器输出端的电容相连，另一端与所述整流电路相连。
优选的，所述该系统还包括过流保护电路，过流保护电路连接在所述三相三电平VIENNA整流器的输入端。
优选的，所述过流保护电路包括两个比较器和两个反相器，三相电源的其中一相输入分别与两比较器的输入端连接，三相电源的另外两相输入分别与两比较器的输出端连接，两个反相器串联，串联后的输入端与两比较器的输出端相连。
一种三相三电平VIENNA整流器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电流采样电路和电压采样电路分别采集三相三电平VIENNA整流器的三相三电平输入电流和输出侧直流电压；
步骤二：采集的三相三电平输入电流信号传送至整流电路，采集的输出侧直流电压信号送入电压调节器；
步骤三：电压调节器将获取后的信号经过谐振控制器传送给载波生成电路；
步骤四：整流电路和载波生成电路共同生成控制信号，对三相三电平VIENNA整流器进行控制。
优选的，所述该方法的步骤一之前还包括步骤：过流保护电路检测三相三电平VIENNA整流器输入端的电流信号，检测的电流强度超出预设值时，过流保护电路自动执行保护功能，未超出预设值，则不执行保护功能。
优选的，所述该方法的步骤三之前还包括步骤：所述三相三电平VIENNA整流器的输出端的电容电压信号经均压调节器传送给整流电路。
本发明有益效果是:
有效抑制三相输入电流中较大幅值的三相谐波分量，改善整流器输入电流波形质量。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为具体实施方式的VIENNA整流器主电路拓扑图。
图2为具体实施方式的传统的单周期控制示意图。
图3为具体实施方式的控制系统整体框架图。
图4为具体实施方式的控制系统结构图。
图5为具体实施方式的模拟谐振控制器的电路图。
图6为具体实施方式的过流保护电路图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1为三相三电平VIENNA整流器的主电路拓扑图，其中Ua、Ub、Uc为整流器的三相输入电源，Lsa、Lsb、Lsc为交流侧电感，ia、ib、ic为交流侧输入电流，S1、S2、S3为开关管、RL为输出负载电阻，Udc为直流侧输出电压，c1、c2分别为直流支撑电容，Uc1、Uc2则分别是电容俩端的电压。当输入电源为理想的对称平衡电压源时
上式中，Re为系统单位功率因数补偿后的等效电阻。
当输入电源非理想的平衡状态时
其中SA、SB、SC为对应的开关函数，同时由整流器输入交流侧和输出直流侧瞬时功率守恒可得
Uaia+Ubib+Ucic＝Udcidc (3)
由(2)、(3)可得
SAia+SBib+SCic＝2idc (4)
三相输入电流基波为
上式中，Ia、Ib、Ic为输入电流基波的峰值，θa、θb、θc为输入电流基波的初始相位，ω为输入基波的角频率。
开关函数的傅里叶展开式为
上式中，Sn为开关函数各次谐波分量。结合式(4)、(5)、(6)可得
有上式可以看出，当输入为非理想的平衡状态时，通过VIENNA整流器输入侧交流电流的基波分量与开关函数相关作用，将导致输出直流侧产生输入基波频率的倍次谐波分量，且谐波幅值与输入的不平衡状态有关。
图2为传统的单周期控制示意图,其控制的核心方程为
其中Um＝UdcRs/2Re，且Rs为输入电流的采样电阻。
如图2所示，采集输入电流经过整流电路与采集的输出电压经过电压调节器和载波生成器共同生成控制信号对开关管进行控制，当输入电源非理想的平衡状态时，为保证整流器的稳态精度和动态响应性能，电压调节器的低频增益一般均较大，由(7)式可得2次谐波分量为
控制环路中，输出直流电压采样中的2次谐波分量经过电压调节器得到放大，从而使得调节器输出信号含有相应的2次谐波。该谐波分量与开关函数基波分量相互作用得到的三相输入电流为
由上式可知，当三相输入非理想的平衡状态时，将导致整流器三相输入电流产生3次谐波分量，从而会增加输入电流的畸变程度，影响输入电流的波形质量。
如图3和图4，一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统，包括三相三电平VIENNA整流器、电流采样电路、整流电路、载波生成电路、电压调节器和电压采样电路，电流采样电路和电压采样电路分别与三相三电平VIENNA整流器的输入端和输出端连接，并将采集的输入电流信号传送给整流电路，将采集的输出电压信号经电压调节器传送给载波生成电路，载波生成电路和整流电路再共同生成控制信号，对三相三电平VIENNA整流器进行控制，该系统还包括谐振控制器，电压调节器通过谐振控制器与载波生成电路连接。其中谐振控制器为本发明为了抑制当输入电源不平衡时，整流器三相输入电流产生的3次谐波分量而引入的。其主要作用是仅对电压调节器输出信号中所含有的2次谐波分量进行衰减，其他频段的信号不受影响，从而使得载波幅值中所含有的相应的2次脉动分量得到抑制，最终大大削减了输入电流中的3次谐波分量。均压调节器的添加是为保证整流器直流侧俩个输出滤波电容均分输出电压。
图5为模拟谐振控制器内部结构图，谐振控制器的传递函数为
其中
从上式中，可以得知，当Q取不同值的时候，谐振控制器对所需要滤除的指定频率的分量效果也不同，同时，谐振控制器仅对指定频率处的信号具有强抑制作用，对其他频段内的信号没有影响。
图6为采样电路的过流保护电路，其主要由峰值保持电路和由运放组成的PI环节得到一个误差信号，图中仅表示三相采样电路中的ia，ib、ic的过流保护电路与ia的过流保护电路的电路图是一样的。其主要的作用是在当输出的电流超过限定值时，该误差信号就会控制PWM芯片的占空比，从而使输出电流保持在限定值，三相电流采样的输出电流都会集中输出到O点，后续电路是由两个反相器组成的电路，其主要的作用是，当输出电流低于限流值是，从而使电路对占空比的控制不起作用，而输出电流高于限定值时，则会起作用。
一种三相三电平VIENNA整流器的控制方法，具体步骤如下：
步骤一：采集三相三电平VIENNA整流器的三相输入电流ia、ib、ic,输出侧直流电压Udc,输出电容电压UC1和Uc2,输出电压参考值Udcref；
步骤二：将输出电压参考值Udcref与输出侧直流电压Udc送入电压调节器生成Um，Um为电路工作稳态时的电压调节器的输出值；
步骤三：将Um经过谐振控制器和载波生成电路生成Um1，Um1为电压调节器的输出值经过谐波控制器对其所含有的2次谐波分量进行衰减后输出的值；
步骤四：将UC1和Uc2经过均压调节器生成Uf，Uf为经过均压调节器得到的输出滤波电容的均分值；
步骤五：将Uf与采集的三相输入电流ia、ib、ic经过整流电路生成|Uf+Rsix|,其中ix表示ia、ib、ic；
步骤六：载波生成电路输出Um1与整流电路输出|Uf+RSix|共同生成S1、S2、S3的占空比da、db、dc。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种三相三电平VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，该系统对三相三电平VIENNA整流器的输出信号中所含有的2次谐波分量进行衰减，其他频段的信号不受影响。
2.根据权利要求1所述的三相三电平VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述该系统包括三相三电平VIENNA整流器、电流采样电路、整流电路、载波生成电路、电压调节器和电压采样电路，电流采样电路与三相三电平VIENNA整流器的输入端连接，采集的输入电流信号传送给整流电路，电压采样电路与三相三电平VIENNA整流器的输出端连接，将采集的输出电压信号经电压调节器传送给载波生成电路，载波生成电路和整流电路再共同生成控制信号，对三相三电平VIENNA整流器进行控制，所述该系统还包括谐振控制器，电压调节器通过谐振控制器与载波生成电路连接。
3.根据权利要求2所述的三相三电平VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述三相三电平VIENNA整流器包括两个电容，两个电容并联在该整流器的输出侧，所述该系统还包括均压调节器，均压调节器一端分别与所述三相三电平VIENNA整流器输出端的电容相连，另一端与所述整流电路相连。
4.根据权利要求2所述的三相三电平VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述该系统还包括过流保护电路，过流保护电路连接在所述三相三电平VIENNA整流器的输入端。
5.根据权利要求4所述的三相三电平VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述过流保护电路包括两个比较器和两个反相器，三相电源的其中一相输入分别与两比较器的输入端连接，三相电源的另外两相输入分别与两比较器的输出端连接，两个反相器串联，串联后的输入端与两比较器的输出端相连。
6.根据权利要求1-5所述的三相三电平VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：电流采样电路和电压采样电路分别采集三相三电平VIENNA整流器的三相三电平输入电流和输出侧直流电压；
步骤二：采集的三相三电平输入电流信号传送至整流电路，采集的输出侧直流电压信号送入电压调节器；
步骤三：电压调节器将获取后的信号经过谐振控制器传送给载波生成电路；
步骤四：整流电路和载波生成电路共同生成控制信号，对三相三电平VIENNA整流器进行控制。
7.根据权利要求6所述的三相三电平VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，所述该方法的步骤一之前还包括步骤：过流保护电路检测三相三电平VIENNA整流器输入端的电流信号，检测的电流强度超出预设值时，过流保护电路自动执行保护功能，未超出预设值，则不执行保护功能。
8.根据权利要求6所述的三相三电平VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，所述该方法的步骤三之前还包括步骤：所述三相三电平VIENNA整流器的输出端的电容电压信号经均压调节器传送给整流电路。
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