CN109494995B - 一种适用于vienna整流器的中点电位平衡控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法，通过分析VIENNA整流器工作原理以及空间矢量调制原理分析载波移相调制过程，确定中点电位不平衡原因，最后根据面积等效原理通过高频PWM异或控制脉冲实现分解冗余和非冗余矢量成分，并设立中点电位补偿系数D调节分解比例保证中点电位平衡，实现VIENNA整流器中点电位平衡控制。本发明不仅平抑中点电位波动、稳定直流侧输出电压还降低了网侧电流畸变且原理简明易于实现。

Description

一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法。
背景技术
非线性元件对电网注入了大量的谐波，严重的电流畸变可导致设备故障甚至系统崩溃，因此具有功率因数校正功能的整流器被广泛应用于电力电子设备。随着对高电能质量和功率密度整流器的迫切需求，近年三电平VIENNA整流器已成为国内外研究热点，其不仅可实现输入单位功率因数校正，具有谐波小、开关损耗低和电磁干扰小等优点，且电路结构简单、开关数目少和无桥臂直通问题。本质上VIENNA整流器属于T型三电平变换器，而中点电位不平衡是三电平结构的固有问题。中点电位振荡不仅会增加直流侧电容与半导体器件的应力，导致直流侧电容过设计，增加变换器成本，而且会降低电容寿命和运行可靠性。尤其是在直流母线容值较小或功率大等情况时，中点电位振荡引发直流侧低频谐波，影响用电质量。近年来电动汽车飞速发展，人们对高电能质量和高功率密度整流器的需求越来越迫切，VIENNA整流器因为具有开关损耗低、电磁干扰小、可实现输入单位功率因数校正等优点成为国内外研究热点。
针对VIENNA整流器中点电位振荡问题，目前国内外学者已提出一些平抑方法，现有通过设置虚拟矢量分解中矢量以实现中点电位平衡。或在3-2电平简化空间矢量调制(SVPWM)的基础上通过注入零序分量实现中点电位平衡。但是基于SVPWM的调制方式需要大量查表和三角函数计算实现过程十分复杂。也有通过单周期控制实现VIENNA整流器的控制与中点电位振荡抑制，但所采用的单周控制芯片和分立元件增加了电路调整难度。通过滞环电流控制方法实现中点电位平衡，然而系统开关频率不断变动影响控制效果且各相电流之间相互影响。
载波移相技术具有控制灵活、易于实现、原理简单等优点，其广泛应用于多种电平变换器的调制应用，但传统载波移相技术存在中点电位抑制效果差、输入侧电流谐波含量高等问题，且对于VIENNA整流器的控制鲜有研究。
针对VIENNA整流器中点电位振荡问题，国内外学者已提出一些平抑方法，但是基于SVPWM的调制方式需要大量查表和三角函数计算实现过程十分复杂。通过单周期控制实现VIENNA整流器的控制与中点振荡抑制。但所采的单周控制芯片和分立元件增加了电路调整的难度。或者通过滞环电流控制方法实现中点电位平衡。然而系统开关频率不断变动影响控制效果且各相电流之间相互影响。通过载波移相技术调制并在电流控制环上叠加中点电位偏差实现中点电位抑制。然而中点电位抑制效果差、输入侧电流谐波含量高。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法，目的在于保证整流器运行时中点电位平衡，并稳定了直流侧输出电压、降低了网侧电流畸变。
本发明所采用的具体步骤如下：
步骤1，根据三相输入电流ia、ib和ic获得对应的三相调制波；
步骤2，将三相调制波与三角移相载波比较，获得8脉波控制脉冲，
步骤3，将8脉波控制脉冲分成冗余矢量、非冗余矢量和剩余控制脉冲；
步骤4，将高频PWM脉冲分别与冗余矢量、非冗余矢量进行异或，消除冗余矢量、非冗余矢量对中点电位不平衡的影响，
步骤5，将剩余控制脉冲、异或处理后的冗余矢量以及异或处理后的非冗余矢量求和，获得14脉波控制脉冲，
步骤6，将所获得14脉波控制脉冲输入VIENNA整流器，实现对中点电位平衡的控制。
进一步，对步骤4中高频PWM脉冲进行如下处理：
步骤4.1，将高频PWM脉冲的占空比设置为中点电位补偿系数D，再与非冗余矢量进行异或，获得新的控制脉冲一；
步骤4.2，将高频PWM脉冲的占空比设置为50％，再与冗余矢量进行异或，获得新的控制脉冲二；
进一步，获得所述中点电位补偿系数D的方法为：
对VIENNA整流器的电容电压差取绝对值，将该电压的绝对值与期望值作差后获得偏差量，将偏差量作为PID的输入，PID的输出值为中点电位补偿系数D。
进一步，所述高频PWM脉冲通过单片机生成，其频率为20kHz。
进一步，通过单片机生成三角移相载波；
进一步，所述单片机采用DSP微处理器。
本发明的有益效果：
本发明通过高频PWM异或8脉波控制脉冲生成14脉波控制脉冲，实现分解冗余和非冗余矢量，便于通过调节PWM占空比控制，简化了控制过程；通过设置中点电位补偿系数D调节矢量分解比例，借助PID控制理论实现快速平滑的控制，平抑中点电位波动；由于中点电位稳定使得输出直流侧电压稳定，且还降低了网侧电流畸变，降低了对电网电能质量的污染；以传统载波移相调制技术为基础，使得本发明原理简单易懂且易于实现。
附图说明
图1是VIENNA整流器原理图；
图2是VIENNA整流器控制原理图；
图3是矢量分解示意图；
图4是矢量分解原理图；
图5是中点电位补偿系数D计算框图；
图6(a)是仿真中传统调制方式下中点电位图，6(b)是仿真中本发明调制方式下中点电位图
图7(a)是仿真中传统调制方式下直流侧电压图，7(b)是仿真中本发明调制方式下直流侧电压图；
图8(a)是实验中传统调制方式下A相电压电流图，8(b)是实验中本发明调制方式下A相电压电流图；
图9(a)是实验中传统调制方式下中点电位和直流侧电压图，9(b)是实验中本发明调制方式下中点电位和直流侧电压图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示是VIENNA整流器(三相三开关整流器)原理图，本发明是以VIENNA整流器为被控对象，通过原理图建立微分方程组分析可知整流器中点电位不平衡是由于单位时间内输入中点的电荷量不为0使得输出侧两电容电压不相等引起。本文通过结合空间矢量调制原理分析VIENNA整流器运行情况确定中点电位不平衡主要是由于1、控制脉冲中冗余矢量对的作用时间不相等；2、控制脉冲中非冗余和中矢量对中点电位影响未消除引起，且中矢量与非冗余矢量的作用效果相反但不等量。所以消除中点电位振荡只需要1、调节冗余矢量对使其作用时间一致；2、分解非冗余矢量(非冗余矢量站的比重大)平衡器自身和中矢量对中点电位的影响。
针对影响VIENNA整流器运行情况确定中点电位不平衡的原因，本发明采用了如图2所示的技术方案，具体过程如下：
步骤1，通过电压、电流采集模块采集中点电位和三相交流电流，并通过AD转换输入DSP微处理器进行数值化；在DSP微处理器中根据三相输入电流ia、ib和ic获得对应的三相调制波；通过DSP微处理器生成三角移相载波；
步骤2，将三相调制波与三角移相载波比较，获得8脉波控制脉冲。
步骤3，在DSP微处理器中，根据输入电流的三相关系，将一个周期的8脉波控制脉冲等分成为6个工作扇区，每个扇区60°，对应每个60°区域，由于其冗余和非冗余矢量的状态量是固定的，将8脉波控制脉冲分为冗余矢量、非冗余矢量和剩余控制脉冲。
步骤4，再通过DSP微处理器生成单独的20kHz的高频PWM脉冲，并将高频PWM脉冲分别与冗余矢量、非冗余矢量进行异或，具体地，对其中非冗余矢量成分是通过将高频PWM脉冲的占空比设置为中点电位补偿系数D，再与非冗余矢量进行异或，获得新的控制脉冲一；对冗余矢量是通过将高频PWM脉冲的占空比设置为50％，再与冗余矢量进行异或，获得新的控制脉冲二；
对其中冗余矢量成分和非冗余矢量成分进行定向分解，并设置中点电位补偿系数D控制中矢量的分解比例，以实现中点电位的平衡，消除冗余矢量、非冗余矢量对中点电位不平衡的影响。
步骤5，将剩余控制脉冲、新的控制脉冲一和新的控制脉冲二进行求和，获得14脉波控制脉冲。
步骤6，将所获得14脉波控制脉冲输入VIENNA整流器，实现对中点电位平衡的控制。
如图3所示矢量分解示意图，根据图3中的三相调制波(a、b、c)的波形，将每一相的调制波与对应的三角移相载波对比，根据调制波与对应的三角移相载波得到开关量(Sa、Sb、Sc)，对三相输出P、O、N三种状态，根据得到开关量(Sa、Sb、Sc)得到对应矢量图。
如图4所示，结合图3中所获得的对应开关量(Sa、Sb、Sc)，将20kHz的高频PWM脉冲占空比设置为50％，再与冗余矢量进行异或，根据面积等效原理原始矢量ONO被分解成为ONO和POP，且ONO和POP占比各为50％，对于图3中的原始冗余矢量POP采用同样操作，消除由于实际运行时由于冗余矢量对作用时间不相等所产生的不可变误差。对于中矢量和非冗余矢量的影响，由于二者作用效果相反，本发明通过分解非冗余矢量的方式，通过中点电位补偿系数D调节非冗余矢量的组成比例实现二者作用效果相抵消。
如图5，中点电位补偿系数D的获取是通过采集数据计算VIENNA整流器两电容电压差值并将该差值取绝对值得到中点电位偏差量，将中点电位偏差量与期望值比较，将比较得到的差值作为PID的输入，PID计算的输出作为中点电位补偿系数D的取值，将中点电位补偿系数D输入到对非冗余矢量的处理中，实现对VIENNA整流器中点电位平衡的控制。
为了进一步说明本发明的技术效果，以下结合本发明的实验结果作进一步说明；
如图6(a)、6(b)为仿真得到的两种调制方式下中点电位的对比，传统调制方式下中点电位波动剧烈，运行稳定时电压波动约为-30～30V，电压偏差约60V，而改进调制方式下，中点电位波动很小，电压波动小于±1V，为系统的稳定运行打下坚实基础。
如图7(a)、7(b)为仿真得到的两种调制方式下直流侧电压的对比，由于改进调制方式下中点电位振荡得到很好抑制，其稳定运行时直流侧电压相对稳定。
如图8(a)、8(b)为两种调制方式下电压电流的实验波形。两种方式下A相电压都保持较好的正弦性，但是传统调制方式运行下的A相电流畸变严重，改进调制方式下A相电流畸变明显减小。
如图9(a)、9(b)为两种调制方式下中点电位和直流侧电压实验波形。传统调制方式下整流器中点电位偏差很大，电压波动在-21V～21V之间，且由于中点电位振荡直流侧输出电压振荡明显，电压波动范围178V～221V，电压偏差ΔUdc为43V。
改进调制方式对中点电位波动起到较好抑制，虽然波形不平坦但是波动数值很小，平抑中点电位波动有效降低直流侧电压波动，电压波动小于±5V。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据三相输入电流ia、ib和ic获得对应的三相调制波；
步骤2，将三相调制波与三角移相载波比较，获得8脉波控制脉冲，
步骤3，将8脉波控制脉冲分成冗余矢量、非冗余矢量和剩余控制脉冲；
步骤4，将高频PWM脉冲分别与冗余矢量、非冗余矢量进行异或，消除冗余矢量、非冗余矢量对中点电位不平衡的影响，
步骤5，将剩余控制脉冲、异或处理后的冗余矢量以及异或处理后的非冗余矢量求和，获得14脉波控制脉冲，
步骤6，将所获得14脉波控制脉冲输入VIENNA整流器，实现对中点电位平衡的控制。
2.根据权利要求1所述的一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述步骤4中高频PWM脉冲进行如下处理：
步骤4.1，将高频PWM脉冲的占空比设置为中点电位补偿系数D，再与非冗余矢量进行异或，获得新的控制脉冲一；
步骤4.2，将高频PWM脉冲的占空比设置为50％，再与冗余矢量进行异或，获得新的控制脉冲二。
3.根据权利要求2所述的一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述步骤4.1中获得中点电位补偿系数D的方法为：对VIENNA整流器的电容电压差取绝对值，将该电容电压差的绝对值与期望值作差后获得偏差量，将偏差量作为PID的输入，PID的输出值为中点电位补偿系数D。
4.根据权利要求1所述的一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述高频PWM脉冲通过DSP微处理器生成，其频率为20kHz。
5.根据权利要求1所述的一种适用于VIENNA整流器的中点电位平衡控制方法，其特征在于，所述三角移相载波通过DSP微处理器生成。
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