CN108712101A - 一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法 - Google Patents

一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法。在三相四桥臂逆变器控制系统中通过交流进线电压传感器检测任意两相交流进线的线电压，换算为三相相电压，利用软件锁相环锁定任意一相的相位，并使三相四桥臂逆变器的A或B或C任意一相的调制波相位与所检测到的某相交流进线电压同相位，再调节其余两相的相位使A、B和C互差120°相位。针对三相四桥臂逆变器的A、B和C相桥臂采用分相独立的SPWM调制方式，D相桥臂采用三次谐波注入的调制方式，该方法可以显著降低三相四桥臂逆变器输出中点与地之间周期性电压波动幅值，有助于提高三相四桥臂逆变器后级设备和人员用电的安全性。

Description

一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑 制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法。
背景技术
三相逆变器广泛地应用于交流传动、有源滤波和无功补偿、新能源发电等领域，一般采用三相三桥臂结构，可以给电机等三相平衡负载供电。对于船用三相逆变器应用场合电源系统，通常要求三相逆变器具有同时向平衡和不平衡负载供电的能力。传统三相三桥臂逆变器带不平衡负载时会产生输出电压不平衡现象。此时要求输出具有共地端，即要求三相四线输出。常见的三相四线逆变器拓扑主要有以下几种形式：(1)在三相三桥臂输出端增加中点形成变压器；此形式中点变压器体积、重量随系统容量和负载不对称程度增加而增加，为了达到较好的耦合，绕制工艺和接线复杂，自身功耗也降低了整机效率，(2)分裂电容三相四线制逆变器；此形式存在电容中点电压偏移问题，一般需要较大的电容，并对电容电压进行平衡控制，(3)三相四桥臂逆变器；在传统三桥臂结构基础上增加一个桥臂以直接控制中性点电压，从而产生三相独立电压，使其有能力在负载不平衡情况下维持三相电压对称输出。相比之下，采用三相四桥臂逆变器是一种简洁可行的方式。然而，采用开环控制或传统同步旋转坐标系PI控制时，三相四桥臂逆变器输出中点对地电压仍存在周期波动的情况。
发明内容
本发明提供了一种稳定船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法。其目的是显著降低三相四桥臂逆变器输出中点对地之间的周期性电压波动，提高三相四桥臂逆变器后级设备和人员用电的安全性。
一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，包括如下步骤：
1、调节三相交流进线电压平衡，通过交流进线电压传感器VSAC1和VSAC2检测任意两相交流进线的线电压，换算为对应的三相相电压，利用软件锁相环锁定任意一相的相位，例如所定义的进线电压A相，记为Ag。
2、调节三相四桥臂逆变器A相、B相和C相中的任意一相，例如所定义的三相四桥臂逆变器的A相，调节三相四桥臂逆变器A相的调制波Aim与交流进线A相的相位Ag同步。
3、调节三相四桥臂逆变器的B相调制波Bim使其相位滞后Aim的相位120°，三相四桥臂逆变器的C相调制波Cim使其相位滞后Bim的相位120°或调节三相四桥臂逆变器的B相调制波Bim使其相位超前Aim的相位240°，三相四桥臂逆变器的C相调制波Cim使其相位超前Bim的相位240°。
所述三相四桥臂的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂采用分相独立的SPWM调制方式，D相桥臂采用三次谐波注入的调制方式。
本发明具体还包括以下步骤：
1、初始化程序，将0-360°划分为N个等份，N>3600，则依次对应的每个角度为,(j＝0,1,2.....N-1),计算这N个θj所对应的正弦值sinθj并存入程序所定义的正弦表数组中,定义一个整型数据变量PTR用于软件锁相环算法中，作为指向正弦表的指针变量,再分别定义3个整型数据变量PTRA、PTRB和PTRC分别作为逆变器调制时指向各相调制波对应正弦值的指针。
2、调节三相交流进线电压平衡，通过交流进线电压传感器VSAC1检测A相与B相线电压eAB，通过交流进线电压传感器VSAC12检测B相与C相线电压eBC。
3、利用下式将两个线电压值转换为三相电压值。
eCA＝-(eAB+eBC)
4、执行软件锁相环控制算法，获得A相的相位角θ。
5、将θ角转换为对应的控制软件中指向正弦表数组元素的指针PTR,其转换关系为
6、进行逆变器各相调制信号指针赋值，令PTRA＝PTR，PTRB＝PTRA-N/3，PTRC＝PTRB-N/3，在这里，-N/3对应120°相角的滞后。
7、对正弦表指针进行修正处理，为了将PTRA、PTRB和PTRC限制在0-(N-1)范围内，即各相指针不超过正弦表元素个数，需要对PTRA、PTRB和PTRC进行修正处理。算法如下：
若PTRA>N，则PTRA＝PTRA-N
若PTRB<0，则PTRB＝PTRB+N
若PTRC<0，则PTRC＝PTRC+N
8、采用SPWM调制算法对A相正弦波，B相正弦波，C相正弦波，进行正常的调制，采用三次谐波注入的调制方式对D相正弦波调制。
本发明的有益效果在于：
针对三相四桥臂的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂采用分相独立的SPWM调制方式，D相桥臂采用三次谐波注入的调制方式的三相四桥臂逆变器，提出了一种具有很强操作性、易实现的可以显著降低三相四桥臂逆变器输出中点与地之间周期性电压波动幅值的方法，有助于提高三相四桥臂逆变器后级设备和人员用电的安全性。
附图说明
图1为专利所述三相四桥臂逆变器的主电路；
图2为专利所述的软件锁相环控制结构框图；
图3为没有采用专利所述算法时逆变器输出中点对地电压的波形；
图4为采用专利所述算法后逆变器输出中点对地电压的波形；
图5为三相四桥臂逆变器的并联控制方法的执行流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
附图1中为所述的三相四桥臂逆变器主电路示意图，直流电压udc通过三相二极管整流获得，Cdc为整流输出的支撑电容。由于逆变器在控制上采用分相独立控制的方式，因而其前端必须保证具有足够高的直流电压幅值，在要求输出单相220V有效值的情况下，理论上其前端直流电压至少应为622V，即2倍电压峰值，因此图中采用Boost变换器(如标注的)对整流器输出电压udc进行升压处理，升压后的电压为uBT。
三相四桥臂逆变器的输出为三相负载ZA、ZB和ZC供电。Q1和Q4构成A相桥臂，其桥臂中点为A；Q3和Q6构成B相桥臂，其桥臂中点为B；Q5和Q2构成C相桥臂，其桥臂中点为C；这三个桥臂用于输出ABC三相交流电。QU和QD构成D相桥臂，即为中性线的桥臂，其桥臂中点为D，该桥臂用于提供或控制逆变器的中线电流。
ABC三相的桥臂中点(A、B、C)分别与滤波电感LA、LB和LC的一端连接，LA、LB和LC的另一端分别与滤波电容CA、CB和CC的一端连接。D相的桥臂中点D与滤波电感LD的一端连接，LD的另一端与ABC三相滤波电容CA、CB和CC的另一端连接，这一端即为逆变器输出中性点N。
为了实现对三相四桥臂逆变器的控制设置了滤波电感电流传感器和滤波电容电压传感器，如附图1中A相电流iA传感器CSA、B相电流iB传感器CSB和C相电流iC传感器CSC。上述电流传感器用于实现A、B和C相电感电流的闭环控制。
A相电容电压uA传感器VSA、B相电容电压uB传感器VSB、C相电容电压uC传感器VSC。上述电压传感器用于实现A、B和C相电容电压的闭环控制。
交流进线电压传感器VSAC1和VSAC2用于检测任意两相交流进线的线电压，所检测到的信号用于软件锁相环对进线电压某相相位的检测。
三相四桥臂的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂采用分相独立的SPWM调制方式，D相桥臂采用三次谐波注入的调制方式。
所述的软件锁相环如附图2所示，其中的Gpll为锁相环控制器，可为常用的PI调节器。C2S/2R为实现两相静止坐标系到两相旋转坐标系变换的变换阵。C3S/2R为实现三相静止坐标系到两相静止坐标系变换的变换阵。SCC为正弦和余弦值计算单元。此软件锁相环虚线框部分为成熟技术，在此不再赘述。其中的LTOP单元为用于将两个线电压转换为三相相电压的软件算法。具体实现方法如下所示(以附图1所示的变量符号为例)。
eCA＝-(eAB+eBC)
如附图5所示：
1、初始化程序，将0-360°划分为N个等份，N>3600，则依次对应的每个角度为(j＝0,1,2.....N-1),计算这N个θj所对应的正弦值sinθj并存入程序所定义的正弦表数组中,定义一个整型数据变量PTR用于软件锁相环算法中，作为指向正弦表的指针变量,再分别定义3个整型数据变量PTRA、PTRB和PTRC分别作为逆变器调制时指向各相调制波对应正弦值的指针。
2、调节三相交流进线电压平衡，通过交流进线电压传感器VSAC1检测A相与B相线电压eAB，通过交流进线电压传感器VSAC12检测B相与C相线电压eBC。
3、利用下式将两个线电压值转换为三相电压值。
eCA＝-(eAB+eBC)
4、执行软件锁相环控制算法，获得A相的相位角θ。
5、将θ角转换为对应的控制软件中指向正弦表数组元素的指针PTR,其转换关系为
6、进行逆变器各相调制信号指针赋值，令PTRA＝PTR，PTRB＝PTRA-N/3，PTRC＝PTRB-N/3。在这里，-N/3对应120°相角的滞后。
7、对正弦表指针进行修正处理，为了将PTRA、PTRB和PTRC限制在0-(N-1)范围内，即各相指针不超过正弦表元素个数，需要对PTRA、PTRB和PTRC进行修正处理。算法如下：
若PTRA>N，则PTRA＝PTRA-N
若PTRB<0，则PTRB＝PTRB+N
若PTRC<0，则PTRC＝PTRC+N
9、采用SPWM调制算法对A相正弦波，B相正弦波，C相正弦波，进行正常的调制，采用三次谐波注入的调制方式对D相正弦波调制。
如附图3所示为没有采用专利所述算法时逆变器输出中点对地电压的波形，图4为采用专利所述算法后逆变器输出中点对地电压的波形。

Claims (8)

1.一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：初始化程序，将0-360°划分为N个等份，N>3600，则依次对应的每个角度为计算这N个θj所对应的正弦值sinθj并存入程序所定义的正弦表数组中，定义指向正弦表数组元素的指针PTR用于软件锁相环算法中，再分别定义用于A相调制的正弦表指针PTRA、用于B相调制的正弦表指针PTRB和用于C相调制的正弦表指针PTRC作为逆变器调制时指向各相调制波对应正弦值的指针；
步骤2：调节三相交流进线电压平衡，通过第一交流进线电压传感器VSAC1和第二交流进线电压传感器VSAC2检测任意两相交流进线的线电压，换算为对应的三相相电压，利用软件锁相环锁定进线电压A相的相位Ag,执行所述软件锁相环控制算法，获得A相的相位角θ；
步骤3：调节三相四桥臂逆变器A相的调制波Aim与交流进线A相的相位Ag同步，调节三相四桥臂逆变器的B相调制波Bim使其相位滞后Aim的相位120°，三相四桥臂逆变器的C相调制波Cim使其相位滞后Bim的相位120°或调节三相四桥臂逆变器的B相调制波Bim使其相位超前Aim的相位240°，三相四桥臂逆变器的C相调制波Cim使其相位超前Bim的相位240°。
2.根据权利要求1所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：调节所述步骤2中的三相交流进线电压平衡，通过第一交流进线电压传感器VSAC1检测A相与B相线电压eAB，通过第二交流进线电压传感器VSAC12检测B相与C相线电压eBC。
3.根据权利要求2所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：利用下式将所述步骤2中的A相与B相线电压eAB与B相与C相线电压eBC转换为三相电压值。
eCA＝-(eAB+eBC)
4.根据权利要求1所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：将所述步骤1中A相的相位角θ转换为对应的控制软件中指向正弦表数组元素的指针PTR,其转换关系为
5.根据权利要求1所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：所述步骤1中的逆变器进行各相调制信号指针赋值，令PTRA＝PTR，PTRB＝PTRA-N/3，PTRC＝PTRB-N/3，在这里，-N/3对应120°相角的滞后。
6.根据权利要求1所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：对所述步骤1中的正弦表指针进行修正处理，为了将用于A相调制的正弦表指针PTRA、用于B相调制的正弦表指针PTRB和用于C相调制的正弦表指针PTRC限制在0-(N-1)范围内，即各相指针不超过正弦表元素个数，需要对PTRA、PTRB和PTRC进行修正处理，算法如下：
若PTRA>N，则PTRA＝PTRA-N
若PTRB<0，则PTRB＝PTRB+N
若PTRC<0，则PTRC＝PTRC+N
7.根据权利要求1所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：采用SPWM调制算法对所述步骤3中A相正弦波、B相正弦波、C相正弦波进行调制，采用三次谐波注入的调制方式对D相正弦波调制。
8.根据权利要求1所述的一种船用三相四桥臂逆变器输出中点对地电压周期波动的抑制方法，其特征在于：所述步骤2中的软件锁相环锁定也可锁定进线电压B相/C相的相位，相应的后续步骤为调节三相四桥臂逆变器B相/C相的调制波Bim/Cim与交流进线B相/C相的相位同步，调节三相四桥臂逆变器的C相/A相调制波Cim/Aim相位滞后Bim/Cim的相位120°，三相四桥臂逆变器的A相/B相调制波Aim/Bim使其相位滞后Cim/Aim的相位120°或调节三相四桥臂逆变器的C相/A相调制波Cim/Aim使其相位超前Bim/Cim的相位240°，三相四桥臂逆变器的A相/B相调制波Aim/Bim使其相位超前Bim的相位240°。
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