CN109525130B - 一种vienna整流器svpwm调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种VIENNA整流器SVPWM调制方法，利用VIENNA整流器数学模型，根据三相电流的符号，将电流分为六个区间，求出了六个电流区间的控制电压与占空比之间的关系；在不同电流区间内求出了占空比之间应满足的关系，且在不同区间选择了不同的自由变量，给出了自由变量的选取公式。本发明直接利用数学方法实现，减少了中间环节，和常规空间矢量脉宽调制方法比较计算工作量有所减少，实现代码长度降为常规方法的1/6左右，降低系统硬件成本和复杂性，可以快速的实现脉宽调制效果。

Description

一种VIENNA整流器SVPWM调制方法

技术领域

本发明属于电力电子电气设备及电气工程技术领域，具体涉及一种VIENNA整流器空间矢量脉宽(SVPWM)的快速实现方法。

背景技术

传统的不控整流器(二极管整流器)或相控整流器(晶闸管整流器)在电力电子行业中得到了广泛的应用，但由于存在相控时网侧功率低、并且向电网注入了较高的电流谐波等诸多问题，对电网污染严重。随着对用电设备中电流谐波含量的严格限制，以及对变换器工作在宽范围输入电压的需求，VIENNA整流器得到了广泛应用。

VIENNA整流器是一种两象限中点钳位式三电平PWM整流器拓扑。在能量不需要双向流动的应用场合，VIENNA整流器存在诸多优点。一方面，与传统的两电平结构相比，由于电平数的增加，降低了电流的谐波畸变率(THD)和功率开关器件的电压应力；另一方面，与三电平整流器相比，所需的功率开关器件由12个减少为6个，减低了开关损耗、成本和控制的复杂度；此外，当功率开关器件导通时，连接于直流母线的二极管可以阻断直通电流，不存在输出电压桥臂直通问题，不需要设置驱动死区时间，从而进一步提高了整流器的可靠性。

基于空间矢量的脉宽调制方式最早应用于逆变器的控制之中，由于该方法控制效果较好，目前在三相PWM整流器中也得到了广泛的使用。相比与传统的两电平PWM整流器，三相三电平VIENNA整流器的电平状态更多，合成的基本电压矢量也更多，从而使电压矢量平面的划分更细，调制方法也更加复杂。人们一直在寻找简化区间判断和矢量合成的方法。

由于两电平SVPWM控制方法结构简单易于控制，可将三电平矢量空间变换到两电平矢量平面进行调制从而简化矢量的合成，然而复杂的区间划分与矢量合成带来的好处是调制结果更加理想，输入电流更加逼近于标准的正弦信号。除以上提出的控制方法以外，也出现了改进型的控制策略，如输入电流重构策略、滞环电流控制策略等，但均因控制繁琐、开关频率不固定等弊端而限制了其在实际工程中的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种VIENNA整流器SVPWM调制方法，(即在VIENNA整流器下可直接实现空间矢量脉宽调制效果的数学优化方法)，在传统的空间矢量脉宽调制的基础上进行优化，找到一种更方便实用的算法，使得空间矢量脉宽调制技术更加完善。

本发明所采用的技术方案是：

本发明通过对空间矢量脉宽调制的本质分析，从一个新的角度来看待空间矢量脉宽调制的问题。本发明利用VIENNA数学模型，根据三相电流的符号，将电流分为六个区间，求出了六个电流区间的控制电压与占空比之间的关系；在不同电流区间内求出了占空比之间应满足的关系，且在不同区间选择了不同的自由变量，给出了自由变量的选取公式。这样将空间矢量脉宽的调制问题转化为对一个开关函数的优化问题，采用简单的乘法、求和计算即可直接实现调制效果，无需大量的开平方和正、余弦计算，可直接实现空间矢量脉宽调制所达到的效果。

本发明提出的VIENNA整流器SVPWM调制方法，具有以下有益效果：

(1)得到控制电压v_av_bv_c与S'_aS'_bS'_c之间的关系，通过优化其中一个自由变量的方法实现，直接得到调制输出，减少了中间环节。

(2)优化时定义了不同电流区间的占空比之间的关系，通过优化自由变量，直接得出占空比。

(3)直接利用数学方法实现，整个算法计算量减少、实现简单，代码长度降低为常规VIENNA三电平SVPWM的代码长度的1/6，计算时间大大降低，也降低了系统硬件成本和复杂性。

附图说明

图1为实施例中所述的VIENNA整流器SVPWM的快速实现方法的VIENNA整流器主电路结构图；

图2为实施例中VIENNA整流器主电路结构中部分电路的等效示意图；

图3为实施例中所述的VIENNA整流器SVPWM的快速实现方法S_Aw、S_Bw、S_Cw的波形曲线；

图4为实施例中所述的VIENNA整流器SVPWM的快速实现方法的S_x、S_y的波形曲线；

图5为实施例中所述的VIENNA整流器SVPWM的快速实现方法的S'_a、S'_b、S'_c波形曲线。

具体实施方式

VIENNA整流器属于三电平结构，具有输出纹波小、功率器件关断时承受的电压低等优点，但常规的三电平的SVPWM调制策略中可组合的空间矢量多，使得计算量大、动态响应慢、方法过于复杂，因此需要找到一种能够优化空间矢量脉宽调制效果的方法。针对这些问题，本发明设计了一种在VIENNA整流器下可直接实现SVPWM调制效果的数学优化方法，对SVPWM的约束条件和优化原理做了详细说明，优化时定义了不同电流区间的占空比之间的关系，通过优化自由变量，直接得出占空比。本发明在通过相应的控制策略后得到的控制电压，可以快速实现调制输出，实现代码长度降低为经典VIENNA三电平SVPWM调制的代码长度的1/6，解决了目前VIENNA矢量控制中三电平调制复杂、难以实现，同时降低了硬件成本。

下面结合具体的实施例和附图对本发明加以详细说明。

由图1所示，实施例中公开一种VIENNA整流器SVPWM的快速实现方法，包括以下步骤：

三相三电平VIENNA整流器拓扑结构如图1所示，图中，U_a、U_b、U_c为三相输入电源电压，L_s为交流侧三相电感，i_a、i_b、i_c为电感电流，S_a、S_b、S_c为双向开关管，其占空比也表示为S_a、S_b、S_c，C₁、C₂为整流器输出端上下滤波电容，U_C1、U_C2为C₁、C₂上的电压，R_L为负载电阻，i_L为负载电阻上的输出电流，U_dc为负载电阻上的输出电压。

A、B、C三点与M点之间的电压可表示为U_KM，K对应点A、点B或点C，U_KM可以表示为：

当S_k导通，U_KM＝0；

当S_k关断，且i_k＞0，U_KM＝U_C1；

当S_k关断，且i_k＜0，U_KM＝U_C2。

其中，K＝A、B、C，k＝a、b、c。

结合图2所示，为描述方便，引入单刀三掷开关S_KP,S_KM,S_KN，三位置分别为P、M、N，其中，P表示正，M表示中，N表示负。开关在相应的位置合上为1，否则为0。U_KM与S_KP,S_KM,S_KN之间的关系可表示为：

U_KM＝S_KPU_C1-S_KNU_C2 (1)

令S'_k＝1-S_k，S_KP,S_KM,S_KN与i_k之间的关系可表示为：

其中，sign为符号函数,K＝A、B、C，k＝a、b、c。

三相电感的微分方程可由下面的方程来描述：

设U_MO为直流侧中点M与中性点O之间的电压，U_MO与U_AM、U_BM、U_CM之间的关系为：

在三相对称系统中满足U_a+U_b+U_c＝0，忽略电感上的压降，可得：U_AO+U_BO+U_CO＝0，将式(4)代入式(3)，可得：

结合式(3)、(4)、(5)可得：

在式(6)中，令v_a、v_b、v_c为调制后的控制电压，如式(7)所示：

由此，式(6)可简化为：

根据三相电流的符号，可以将式(7)化简，从而消除符号函数。根据三相电流的符号，可以将三相电流分为六个电流区间，电流区间的定义如表1所示。

表1电流区间的定义

根据表1，假设整流器输出端的上下电容C1、C2相等，即满足式(7)化简后得到表2，即v_a、v_b、v_c与S'_a、S'_b、S'_c的关系

表2v_a、v_b、v_c与S'_a、S'_b、S'_c的关系

v_a、v_b、v_c为控制输出电压(即调制后的控制电压)，它们与直流电压U_dc的关系可表示为：

v_k＝S_okU_dc,k＝a、b、c (9)

S_ok为调制系数，且满足

将式(9)代入到表2中，并定义中间变量：

S_Kw＝6S_ok,k＝a、b、c (10)

则得到中间变量S_Kw与S'_a、S'_b、S'_c之间的关系，见表3。

表3S_Aw、S_Bw、S_Cw与S'_aS'_bS'_c之间的关系

在表3中，中间变量S_Aw、S_Bw、S_Cw三者的和为0，在每个电流区间里取前两项，可求出S'_a、S'_b、S'_c之间的关系，见表4。

表4S'_a、S'_b、S'_c之间的关系

在表4中，定义了不同电流区间的S_x、S_y值，例如，在电流区间I中，定义定义在各电流区间内，S'_a、S'_b、S'_c三个变量有一个为自由变量，可以优化选择，例如，在电流区间I和IV中，S'_a为自由变量，具体可参见表5。

表5自由变量的选择

电流区间

I

II

III

IV

V

VI

自由变量

S'<sub>a</sub>

S'<sub>c</sub>

S'<sub>b</sub>

S'<sub>a</sub>

S'<sub>c</sub>

S'<sub>b</sub>

优化选择时应满足：

0≤S'_k≤1,k＝a、b、c (11)

为满足式(11)，本发明按下列公式选择自由变量的数值：

为和常规空间矢量脉宽调制方法进行比较，将本发明的算法和常规的计算量进行比较，本发明的实现代码长度降低为经典VIENNA三电平SVPWM调制的代码长度的

图3为实施例中所述的VIENNA整流器SVPWM的快速实现方法中某一控制电压对应的中间变量S_Aw、S_Bw、S_Cw的波形曲线；图4为实施例中表4中S_x、S_y的波形曲线；图5为实施例中最终实现占空比的S'_a、S'_b、S'_c波形曲线，可以看出上述变量连续、突变小，与常规SVPWM曲线类似，减小了开关应力。

需要说明的是，本发明侧重于调制技术，具体控制过程属于控制内容，且是业内熟知的常规做法，本发明不再赘述。

综上可见，本发明所提出的一种VIENNA整流器可直接实现空间矢量脉宽调制效果的数学优化方法，结合脉宽调制的约束条件，定义了判断区间的新的组合函数和区间划分准则，在此基础上给出了调制公式，优化开关函数赋值，从而减少幅值语句和计算量，极大的简化了算法，代码长度降低到常规算法代码长度的1/6以下，降低系统硬件成本和复杂性，可以快速的实现脉宽调制效果。

上面具体对本发明的算法做了具体说明，显然并不能只以此限定本发明型的实施范围，一切依本发明权利要求说明书内容所做的简单变换，皆应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种VIENNA整流器SVPWM调制方法，在三相三电平VIENNA整流器拓扑结构中，S_a、S_b、S_c为双向开关管，其占空比也表示为S_a、S_b、S_c，C₁、C₂为整流器输出端上、下滤波电容，U_C1、U_C2分别为C₁、C₂上的电压，U_dc为负载电阻上的输出电压；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、引入单刀三掷开关S_KP,S_KM,S_KN，P、M、N分别表示开关位置，其中，P表示正，M表示中，N表示负，开关在相应的位置合上为1，否则为0；

S_KM＝S'_k，S'_k＝1-S_k，其中，K＝A、B、C，k＝a、b、c；

S2、利用VIENNA整流器数学模型，根据三相电流的符号，将电流分为如表1所示的六个区间；

表1电流区间的定义

电流区间 i_a符号 i_b符号 i_c符号 I + - - II + + - III - + - IV - + + V - - + VI + - +

S3、假定求得六个电流区间的控制电压v_a、v_b、v_c与S'_a、S'_b、S'_c之间的关系，如表2所示；

表2 v_a、v_b、v_c与S'_a、S_b'、S_c'的关系

S4、定义中间变量S_Kw：

S_Kw＝6S_ok (10)

式中，K＝A、B、C，k＝a、b、c，S_ok为调制系数且满足

S5、定义不同电流区间中间变量S_x、S_y的值，得到不同电流区间内S'_a、S_b'、S_c'之间的关系以及选择的自由变量，如表4所示：

表4 S'_a、S'_b、S'_c之间的关系

所述自由变量优化选择时应满足：

0≤S'_k≤1,k＝a、b、c (11)

所述自由变量的数值计算如下：