CN108306527A - 一种抑制单向三相星接可控整流器线电流过零畸变的方法 - Google Patents

一种抑制单向三相星接可控整流器线电流过零畸变的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，具体实现步骤如下：1、根据三相输入电流不发生畸变时三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN应满足条件得出相应的给定值2、根据判断条件判断是否有某相输入电流进入过零畸变区；3、若所有相输入电流均工作在正常工作区，则令三相星接整流器输入端电压的给定值等于4、若某一相输入电流isK,K＝A,B,C，进入过零畸变区，则令该电流对应相整流桥输入端电压uKO为零，并对另两相整流桥输入端电压的给定值进行修正，即令H＝A,B,C且H≠K，使另两相整流桥输入端电压的基波分量跟随新的给定值变化。从而抑制了三相星接可控整流器输入电流的过零畸变。

Description

一种抑制单向三相星接可控整流器线电流过零畸变的方法
技术领域
本发明属于电力电子技术、新能源发电与智能电网研究领域，特别涉及能量单向流动的三相星接可控整流器输入电流过零畸变的抑制。
背景技术
在相当多的实际工业应用中，电能并不需要在两个方向传输，如风机，泵类电动机节能调速控制电源、通信电源、电力合闸电源、电动汽车充电电源等。因此，近年来能量单方向流动的可控整流器在电力电子技术领域受到广泛关注。与能量双向流动的可控变流器相比较，能量单向流动的整流器可以使用较少的全控型器件，具有相对简单的控制电路，较高的系统稳定性，以及较低的生产成本，展现出了明显的应用优势。其中，能量单向流动的三相可控整流器因可以以高功率密度和高效率在大功率应用领域使用，因而受到了更多的关注，其应用和控制技术在近几十年得到了长足的发展。
但是，在诸多能量单向流动的可控整流器中，无论是单相电路(如单相无桥整流器及其级联电路)，还是三相电路(如三相VIENNA整流器、三相星接无桥整流器及所有星接级联型三相可控整流器拓扑)，由于输入侧电感的存在，本质上均无法实现真正意义的单位功率因数运行，电感电流只有在滞后电源电压某一个合适的角度(该角度取决于电感值以及负载电流大小)时，才能够以正弦波形运行，因此当电流以超前功率因数、滞后功率因数(滞后角度不等于原始正弦电流滞后角度)或单位功率因数运行时，电流在过零点附近都会产生畸变，对于上述问题，目前尚没有有效的解决方案。因此造成的电网谐波污染，系统稳定性下降和运行效率降低等问题都严重制约了能量单向流动的可控整流器的发展和在更大范围的应用，且电流畸变问题在能量单向流动的三相可控整流器中尤为突出，因为每一相电流的过零畸变都会使另外两相电流也同时产生对应的畸变，因而成倍的扩大了电流畸变的危害。因此，十分有必要提出一种能够有效解决能量单向流动的三相可控整流器电流过零畸变问题，且能在实际的应用场合方便使用的控制策略。
本发明的目的是提供一种通过控制三相星接可控整流器输入端中点与三相电源中点之间电压uON来抑制或消除三相输入电流过零畸变的方法。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供的一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，其特征在于：
设输入三相电源电压为平衡的三相正弦波电压，若整流电路三相电流为依次相差120°的三相平衡的正弦波电流，则三相输入电感上的电压也为依次相差120°的三相平衡的正弦波电压，此时，根据电路KVL定律，可得出三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的正弦变化规律，并根据此变化规律可得出相应的给定值因此当三相星接可控整流器在超前、滞后或单位功率因数下运行，且未有任何一相输入电流进入过零畸变区时，按常规规律对三相可控整流器各相整流桥输入端电压uAO、uBO、uCO进行控制，即令其参考值分别与uAN、uBN、uCN的给定参考值 相等，此时为同样的依次相差120°的三相正弦波形，此时三相星接可控整流器入端中点与三相电源中点之间电压uON将等于零，忽略高次谐波，三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的基波分量与三相整流桥输入端电压uAO、uBO、uCO的基波分量均跟随其给定值按照三相平衡的正弦规律变化。从而保证三相输入电流不发生畸变，按照三相平衡的正弦波运行。
当三相星接可控整流器在超前、滞后或单位功率因数下运行，且三相整流电路某一相输入电流参考值与其对应相整流桥与电感连接的输入端对三相电源中点电压uKN的参考值极性相反时，其中K＝A,B,C，则该相电流进入过零畸变区，由于在所有能量单向流动的三相可控整流器中，无法使isK与其对应相整流桥输入端电压uKO反极性运行，因此常规控制时令等于的控制策略不再适用，需要实施补偿控制策略。首先控制该相整流桥输入端电压uKO＝0，并控制三相星接可控整流器输入端中点与三相电源中点之间电压uON的基波按的正弦规律变化，为达到此目的，此时还需对三相整流器另两相整流桥输入端电压uHO(H＝A,B,C且H≠K)的给定值进行修正，即令使另外两相整流桥输入端电压的基波分量跟随新的给定值变化。通过以上控制方法使得在电流过零畸变区，三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN基波分量仍能跟随其参考值按照依次相差120°的三相正弦规律变化，从而达到抑制三相输入电流在过零区域可能发生畸变的目的。本专利所提方法对应电路拓扑如图2所示，控制结构图如图1所示。
以图3所示三相星接无桥整流器为例来进一步介绍本专利所提方法，所述一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法步骤如下：
1)分析三相输入电流不发生畸变时，三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN应满足的变化规律，并依此变化规律计算得到uAN、uBN、uCN基波分量的给定值
2)确定整流器任一相输入电流进入过零畸变区的判断条件，并依此判断条件确定是否有某一相输入电流进入过零畸变区；
3)当未有任何一相输入电流进入过零畸变补偿区时，按常规规律对三相可控整流器各相整流桥输入端电压uAO、uBO、uCO进行控制，即令其基波分量参考值分别与三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的给定参考值相等；
4)当判断三相整流电路某一相输入电流isK进入过零畸变区，则控制该电流对应相整流桥输入端电压uKO＝0，K＝A,B,C，并对三相整流器另两相整流桥输入端电压uHO进行控制，其中H＝A,B,C且H≠K，使uHO的基波与此时的uON的基波相加后能够按步骤1所确定的正弦规律变化。此种控制方式将使得此时的uON的基波按照步骤1所确定的正弦规律变化。即，在过零畸变区的控制方式将使得三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN基波分量仍能按照步骤1所确定的给定值变化，从而达到抑制三相输入电流可能发生的畸变的目的。
以图3所示三相星接无桥整流器拓扑为例，所述步骤1中，设三相输入电源电压为如式(1)所示的平衡的三相正弦电压，当三相输入电流为如式(2)所示的平衡的三相正弦电流时，三相电感电压为如式(3)所示的平衡的三相正弦电压，其中ω为电网角频率，L为电感值，为功率因数角，isA、isB、isC为三相输入电流，根据电路KVL定理可得式(4)和式(5)：
显然只要uAN、uBN、uCN按照式(4)所确定的正弦规律变化，即可保证三相输入电流不畸变。由式(4)所确定的uAN、uBN、uCN的给定参考值可在如图1所示的传统三相VSR DQ坐标系下通过解耦控制得到。
所述步骤2中，分析输入电流畸变成因，可知输入电流过零畸变发生在K相输入电流isK与其对应相整流桥与电感连接的输入端对三相电源中点电压uKN极性相反时，其中K＝A,B,C，可以定义进入输入电流畸变区条件如式(6)所示，式中flagK为逻辑函数，其值为1表示进入输入电流过零畸变区，其值为0表示处于正常工作区。
所述步骤3中，在输入电流处于正常工作区时，可按常规规律进行控制，即按公式(7)对 与进行控制：
所述步骤4中，当K相输入电流isK进入过零畸变区时，为使三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN基波分量仍能按照步骤1所确定的给定参考值变化；此时按公式(8)对与进行控制：
分析公式(6)(7)(8)可看出，所述步骤3和所述步骤4中的两种控制方式可以用一个如式(9)所示的统一表达式表示，：
作为调制信号送入调制环节，调制环节输出对应的PWM开关信号控制相应的电力电子开关器件，使各相整流桥输入侧电压uAO、uBO、uCO的基波跟随其给定值变化，从而使三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的基波始终能够跟随其给定值变化，达到抑制三相输入电流过零畸变的目的。
附图说明
图1为抑制单向三相星接可控整流器输入电流过零畸变方法的控制结构；
图2为相电压级联式单向三相星接可控整流器拓扑结构；
图3为三相无桥整流器拓扑结构；
图4为单位功率因数下实施所述控制方法前后输入电压电流的波形；
图5为超前功率因数下实施所述控制方法前后输入电压电流的波形；
图6为滞后功率因数下实施所述控制方法前后输入电压电流的波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式以图3所示的三相无桥整流器为例，对本发明作进一步说明，其中输入三相电源电压平衡。
本发明采取的技术方案如图1所示，以三相无桥整流器为例，一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，包括以下步骤：
1)采用图1所示的传统三相VSR dq坐标系下解耦控制得到三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的给定值
2)按照公式(1)，确定flagK,K＝A,B,C的数值，并根据该数值判断整流器是否有某相输入电流进入过零畸变区，flagK为1表示K相输入电流进入过零畸变区，flagK为0表示K相处于正常工作区；
3)将flagA、flagB与flagC的值和代入公式(2)中，得到三相整流器输入端电压的基波分量给定值与三相星接可控整流器输入端中点与三相电源中点之间电压给定值的值；
4)作为调制信号送入调制环节，调制环节输出对应的PWM开关信号控制相应的电力电子开关器件，使各相整流桥输入侧电压uAO、uBO、uCO的基波跟随其给定值变化，从而使三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的基波始终能够跟随其给定值变化，达到抑制三相输入电流过零畸变的目的。
实施例：仿真结果分析。
在MATLAB/Simulink中搭建三相星接无桥整流器模型，仿真参数如下：三相交流输入电压为380V，每相直流输出电压为400V，负载电阻50Ω。
图4为单位功率因数下实施所述控制方法前后输入电压电流的波形，图5为超前功率因数下实施所述控制方法前后输入电压电流的波形，图6为滞后功率因数下实施所述控制方法前后输入电压电流的波形。均在0.3s处加入该控制方法。可以看出，实施所述控制方法后，抑制了输入电流过零畸变。
从以上实施例可看出，采用本发明提出的方法可以有效地抑制能量单向流动三相星接可控整流器输入电流的过零畸变。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明作出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
1)分析三相输入电流不发生畸变时，三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN应满足的变化规律，并依此变化规律计算得到uAN、uBN、uCN的给定值
2)确定整流器任一相输入电流进入过零畸变区的判断条件，并依此判断条件确定是否有某一相输入电流进入过零畸变区；
3)当未有任何一相输入电流进入过零畸变补偿区时，按常规规律对三相可控整流器各相整流桥输入端电压uAO、uBO、uCO进行控制，即令其基波分量参考值分别与三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN的给定参考值相等；
4)当判断三相整流电路某一相输入电流isK进入过零畸变区，则控制该电流对应相整流桥输入端电压uKO＝0，K＝A,B,C，并对三相整流器另两相整流桥输入端电压uHO进行控制，其中H＝A,B,C且H≠K，使uHO的基波与此时的uON的基波相加后能够按步骤1所确定的正弦规律变化，此种控制方式将使得此时的uON的基波按照步骤1所确定的正弦规律变化，即在过零畸变区的控制方式将使得三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN基波分量仍能按照步骤1所确定的给定值 变化，从而达到消除或抑制三相输入电流可能发生的畸变的目的。
2.根据权利要求1所述的一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，其特征在于：所述步骤1中，设三相输入电源电压为如式(1)所示的平衡的三相正弦电压，当三相输入电流为如式(2)所示的平衡的三相正弦电流时，三相电感电压为如式(3)所示的平衡的三相正弦电压，其中ω为电网角频率，L为电感值，为功率因数角，isA、isB、isC为三相输入电流，根据电路KVL定理可得式(4)和式(5)：
显然只要uAN、uBN、uCN按照式(4)所确定的正弦规律变化，即可保证三相输入电流不畸变，由式(4)所确定的uAN、uBN、uCN的给定参考值可在如图1所示的传统三相VSRDQ坐标系下通过解耦控制得到。
3.根据权利要求1所述的一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，其特征在于：所述步骤2中，分析输入电流畸变成因，可知输入电流过零畸变发生在K相输入电流isK与其对应相整流桥与电感连接的输入端对三相电源中点电压uKN极性相反时，其中K＝A,B,C，可以定义进入输入电流畸变区条件如式(6)所示，式中flagK为逻辑函数，其值为1表示进入输入电流过零畸变区，其值为0表示处于正常工作区。
4.根据权利要求1所述的一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，其特征在于：所述步骤3中，在输入电流处于正常工作区时，可按常规规律进行控制，即按公式(7)对与进行控制：
5.根据权利要求1所述的一种抑制所有能量单向流动的三相星接可控整流器线电流过零畸变的控制方法，其特征在于：所述步骤4中，当K相输入电流isK进入过零畸变区时，为使三相整流电路与电感连接的输入端对三相电源中点电压uAN、uBN、uCN基波分量仍能按照步骤1所确定的给定参考值变化；此时按公式(8)对与进行控制：
分析公式(6)(7)(8)可看出，所述步骤3和所述步骤4中的两种控制方式可以用一个如式(9)所示的统一表达式表示：
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