CN108649779A - 一种抑制pwm电流源型整流器共模电压的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制PWM电流源型整流器共模电压的控制方法，该方法采用三相全桥拓扑结构，筛选出引起较小共模电压的零矢量，能够显著降低共模电压，省去了额外的共模电压抑制装置，节省了成本，提高了运行效率。没有引入额外的低次谐波，保证了空间矢量脉宽调制原有的电流控制精度。同时也不会影响网侧的功率角，能够保证电网运行在一个很高的功率因数状态下。

Description

一种抑制PWM电流源型整流器共模电压的控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网变流器的控制方法，特别涉及一种抑制PWM电流源型整流器共模 电压的控制方法。

背景技术

近年来，能源紧缺、环境污染等问题日益严重。因此，太阳能、风能、氢能等新能源的 开发利用日渐加快，新型分布式发电技术也越来越受到人们的重视。在分布式并网发电系统 中，变流器在可再生能源转换装置与电网间起到了必不可少的接口作用，并成为分布式发电 系统中极其重要的组成部分。相比于电压源型变流器(VSC)，电流源型变流器(CSC)具有拓扑 简单、功率开关管数目少且直接串联方便、在开关频率较低的情况下仍然可以输出高质量的 电流波形，短路特性可靠并满足四象限运行等特点，特别适合于中压大功率应用场合。在石 油化工、船舶、水泥、采矿和金属和废水处理等行业中，通过对这些工业领域中大量应用的 风扇、泵、压缩机、搅拌机、传送带、窑炉等电机进行变频调速控制，可达到节能降耗的目 的。

无论是VSC还是CSC驱动的中压大功率传动系统都存在共模电压的问题。由于电压等 级较高，中压传动系统比低压传动系统的共模电压影响大很多，如果不加以抑制和消除，会 对后级负载的绝缘系统造成损坏。因此，目前通常有三种策略来消除共模电压的影响：

一、在系统中加入工频变压器来消除共模电压的影响。但是，变压器的加入使得系统的 成本、体积以及重量增加。同时，也增大了系统运行的损耗，降低了运行效率。

二、负载系统使用特殊定制的高绝缘等级材料来抵抗共模电压的危害。但这种策略同样 会增加系统的制造成本。

三、使用一体化直流电抗器可以降低共模电压的影响，一体化直流电抗器通过单个磁芯 整合了差模、共模电感分量，提高了磁芯利用率，减小了体积和重量。但系统中额外电感的 引入还是会增加系统的成本、体积以及损耗。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM) 抑制PWM电流源型整流器共模电压(CMV)的控制方法，该方法省去负载侧的高等级绝缘、 隔离变压器以及一体化直流电抗器，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和运行效率， 并且由测试可知共模电压的抑制效果显著。同时，结合了空间矢量调制本身低次谐波较少的 优点，保证对网侧电流的控制精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抑制PWM电流源型整流器共模电压的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：在每个采样周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点三相电压值V_PCC， 并将V_PCC经过克拉克坐标变换后的数字量V_PCCα和V_PCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量 V_PCCα和V_PCCβ进行极坐标变换得出合成矢量在αβ平面与α坐标轴的夹角θ(0≤θ<2π)，并将 θ作为参考矢量的夹角；

步骤S2：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定非零矢量，并结合夹角θ 的值确定所有矢量的作用时间；

步骤S3：采样得到的三相电压值V_PCC，采用抑制共模电压的控制方法筛选零矢量，即通 过空间矢量脉宽调制方法得到参考矢量在αβ平面旋转至角度θ时电网电压状态，计算三 种不同零矢量控制下共模电压的大小，并得到对应引起共模电压最小的零矢量；

步骤S4：得到开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明中采用基于空间矢量脉宽调制抑制电流源型整流器共模电压的控制方法，筛选 出引起较小共模电压的零矢量，能够显著降低共模电压，省去了额外的共模电压抑制装置， 节省了成本，提高了运行效率。空间矢量脉冲调制方法具有交流侧电流低次谐波较少、调制 灵活性高以及实现方便的特点，而且具有良好的数字化特性便于后续编程控制以及处理。

2.在空间矢量脉冲调制基础上的抑制共模电压控制策略无需增加额外的电气设施，没有 滞后具有实时性，不会降低电网的功率因数，也不会引入额外的低次谐波。该方法是通过筛 选影响共模电压的零矢量来抑制共模电压，从共模电压的根源上进行控制，简单有效。

附图说明

图1为本发明具体实施例中并网整流器的拓扑结构与控制方法。

图2为本发明中变流器的空间矢量图。

图3为本发明中并网整流器的等效开关模型。

图4为本发明中并网整流器网侧的相电压和相电流波形图(调制比为1，滞后角为0)。

图5为系统加入抑制共模电压策略的前后，并网整流器共模电压的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的控制方法基于常规的并网整流器的拓扑结构，如图1所示，其结构具体如下：

三相并网变流器2，通过滤波器1连接到公共连接点PCC后与大电网交换功率；其中， 变流器2由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，变流器2的直流侧串联公用的直流侧母线 电感L_dc用于抑制直流侧的电流波动。

本发明中的基于空间矢量脉宽调制抑制电流源型整流器共模电压的控制策略，具体方法 如下：

步骤S1：在每个采样周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点三相电压值V_PCC， 并将其经过克拉克坐标变换后的数字量V_PCCα和V_PCCβ发送给变流器的控制模块。然后将数字 量V_PCCα和V_PCCβ进行极坐标变换得出合成矢量在αβ平面与α坐标轴的夹角θ(0≤θ<2π)，并 将其作为参考矢量的夹角。

步骤S2：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定非零矢量，并结合夹角θ 的值确定所有矢量的作用时间。

步骤S3：分析采样得到的三相电压值V_PCC，采用抑制共模电压的控制方法挑选零矢量。

步骤S4：得到开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。

以下为本发明更具体的实施方式：

步骤S2中：变流器参考矢量所在扇区根据矢量与α坐标轴的夹角θ确定，具体确定 方式如图2所示。根据坐标变换公式得到：

式中，i_wa(t)，i_wb(t)和i_wc(t)分别指整流器三相PWM瞬时电流。由式(1)可以得到六个非零矢量 的表达式：

式(2)中I_d指整流器直流电流幅值k＝1,2,…,6，代表六个非零矢量，这些非零矢量在αβ平面是 静止的，所以也称为静止矢量。其中，每个扇区内参考矢量由两个非零矢量和一个零矢 量合成。以第I扇区为例，其安秒平衡方程为：

式中，T_s代表采样周期，T₁和T₂分别指两个非零矢量(和)作用的时间，T₀指零矢量作用 的时间。

按照归一化方法，可将角度θ通过下式折算为各个扇区计算矢量作用时间的角度θ′：

式中，-π/6≤θ<π/6；n＝1,2,…,6，代表六个扇区I，II，…，VI。结合式(2)和式(3)得到各矢量的 作用时间：

式中，m_a代表调制度，0≤m_a<1。

步骤S3中：根据电流源型变流器的开关约束条件，即在任何时刻(除换向期间)，有且仅 有两个开关器件导通，一个在上半桥，另一个在下半桥。据此得到并网整流器的开关模型等 效图如图3所示。图3利用两个三选开关模型来模拟变流器的开关约束条件。当上下两个开 关均选择同一桥臂时，模拟零矢量控制的开关状态。当上下两个开关分别选择不同桥臂时， 模拟非零矢量控制的开关状态。在变流器开关切换过程中，直流侧电流视为恒定。则变流器 的共模电压为电网侧中性点与负载侧中点之间的电压差。由于负载侧中点电压不便于测量，

于是分别采用网侧中性点与负载侧“+”和“-”两端电压差的算术平均值来表示共模电压：

式中v_gp和v_gn由所选开关状态对应的电网电压所决定，不同开关状态所对应产生的共模 电压是不同的。以开关S₁和S₂导通为例，v_gp＝v_a和v_gn＝v_c，因此根据式(6)计算得v_cmc＝-0.5v_b。 按照同样的分析方法，能够得到如表1所示不同开关状态(即不同空间矢量)对应的共模电 压。可以看出，在空间矢量脉宽调制当中，共模电压的峰值是由零矢量引起的，与该时刻网 侧对应相电压的值相同。而非零矢量引起的共模电压是该时刻网侧对应相电压的一半。所以， 本发明采用对零矢量的筛选来实现对共模电压的抑制。而且同一时刻不同的零矢量引起的共 模电压幅值有很大的差距，所以选择合适的零矢量对共模电压的影响效果显著。

根据图4可以看出在抑制共模电压的过程中没有引入额外的低次谐波，保证了空间矢量 脉宽调制原有的电流控制精度。同时也不会影响网侧的功率角，能够保证电网运行在一个很 高的功率因数状态下。

根据图5可以看出在PWM电流源型整流器采用提出的抑制共模电压方法后，电流源型 整流器的共模电压降低为未采用时的二分之一，有显著的共模电压抑制效果。

零矢量的选择规则是：在每一个采样时刻采集网侧三相电压的相电压幅值，挑选其中电 压幅值最小的相，然后根据表1选择对应的零矢量，由此得到表2抑制共模电压策略在各扇 区零矢量的选择。所以，抑制共模电压的策略就是筛选出在该时间引起共模电压值最小的零 矢量触发相应的开关管。而且同一时刻不同的零矢量引起的共模电压幅值有很大的差距，所 以选择合适的零矢量对共模电压的影响效果显著。

表1为本发明采用的空间矢量与对应共模电压的关系

表2为本发明抑制共模电压策略在参考矢量夹角θ变化时对应零矢量的选择

综上：本发明提出的基于空间矢量脉宽调制抑制共模电压的方法可以方便的应用于PWM 电流源型变流器当中，起到很好的抑制电流源型变流器共模电压的效果。省去负载侧的高等 级绝缘、隔离变压器以及一体化直流电抗器，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和 运行效率。与此同时，结合了空间矢量调制本身低次谐波较少的优点，保证对网侧电流的控 制精度。是一种值得推广的新型变流器控制方法。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发 明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗 旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多 形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种抑制PWM电流源型整流器共模电压的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在每个采样周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点三相电压值V_PCC，并将V_PCC经过克拉克坐标变换后的数字量V_PCCα和V_PCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量V_PCCα和V_PCCβ进行极坐标变换得出合成矢量在αβ平面与α坐标轴的夹角θ(0≤θ<2π)，并将θ作为参考矢量的夹角；

步骤S2：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定非零矢量，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；

步骤S3：采样得到的三相电压值V_PCC，采用抑制共模电压的控制方法筛选零矢量，即通过空间矢量脉宽调制方法得到参考矢量在αβ平面旋转至角度θ时电网电压状态，计算三种不同零矢量控制下共模电压的大小，并得到对应引起共模电压最小的零矢量；

步骤S4：得到开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。