CN109768718A - 一种Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法。方法为：通过采样直流侧电压以及开关管的状态，得到网侧整流器输入交流电压量；采样得到电网输入电压并通过锁相环算得电压相位差；将得到的交流电压量和电压相位差变换得到dq坐标下的值；采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下的电流分量，经求模运算得到电流矢量的模；交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后由除法器输出辨识到的电感值；将辨识得到的电感值代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，对畸变电流进行优化。本发明提高了Vienna整流器输入电流畸变角的计算精度，使得输入电流与参考电压同相，提高了Vienna整流器的效率。

Description

一种Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法

技术领域

本发明涉及整流变换器技术领域，特别是一种Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法。

背景技术

随着工业技术的不断发展，电力电子变换装置得到了广泛的应用。为满足电网及用电设备对谐波标准的严格要求，研究具有低输入电流总畸变率(total harmonicdistortion,THD)及高功率因数的三相脉宽调制整流器(pulse width modulation,PWM)成为提高电能质量方面的一个热点。三相三电平整流器愈来愈多的被用于如高压直流输电、风力发电、不间断电源、通信电源等高压大容量场合。其中Vienna三电平整流器因具有低输入电流THD、开关器件少、可靠性高、效率高等优点而备受重视。

目前，滤波器被大范围的应用于Vienna整流器中，可有效的减少输入电流中的高次谐波，使Vienna整流器能实现单位功率因数运行。但是由于滤波器中的电感压降与电阻分量，使得电网侧电流与整流器三相参考电压存在一定的相位差及幅值差，造成了输入电流的畸变。通过在畸变角范围内对调制波进行补偿的方法是解决电流畸变是研究的热点之一，这就需要确定畸变角，而畸变角对滤波器电感参数比较敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高计算畸变角值的准确性和实时性的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，包括以下步骤：

步骤1、采样得到Vienna整流器直流侧电压以及开关管的状态，按等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压量；

步骤2、采样得到电网输入电压，并通过锁相环计算得到电压相位差；

步骤3、使用交流电压量结合电压相位差，经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量；

步骤4、采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量；

步骤5、流过输入滤波电感的电流分量经过模值运算，得到电流矢量的模；

步骤6、dq坐标下的交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，由除法器输出辨识到的电感值；

步骤7、将电感值代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，从而对畸变电流进行优化。

进一步地，步骤1所述的采样得到Vienna整流器直流侧电压以及开关管的状态，按等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压量，具体如下：

步骤1.1、对Vienna整流器直流侧电压进行采样得到直流侧电压U_dc；

步骤1.2、使用直流侧电压U_dc结合Vienna整流器的开关状态函数S_A、S_B和S_C，根据等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压的α、β分量u_sα、u_sβ：

其中，S_A、S_B和S_C为开关状态函数，“0”表示关断，“1”表示导通。

进一步地，步骤2所述采样得到电网输入电压，并通过锁相环计算得到电压相位差；具体如下：采样得到电网三相输入相电压U_Lab、U_Lac，输入软件锁相环，计算得到各相的相位差

进一步地，步骤3所述的使用交流电压量结合电压相位差，经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量，具体如下：

使用交流电压量u_sα、u_sβ结合电压相位差经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量|u_sq|。

进一步地，步骤4所述的采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量，具体如下：

采样三相电网输入电流i_a、i_b和i_c，经过Clark坐标变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ。

进一步地，步骤5所述的流过输入滤波电感的电流分量经过模值运算，得到电流矢量的模，具体如下：

流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ经过αβ/|A|模块转换，得到电流矢量i_L的模|i_L|。

进一步地，步骤6所述的dq坐标下的交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，由除法器输出辨识到的电感值，具体如下：

dq坐标下的交流电压量|u_sq|和电流矢量模|i_L|分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，输出辨识电感值L_est：

其中ω_L为dq坐标下的旋转角速度，PF的取值为1。

进一步地，步骤7所述的将电感值代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，从而对畸变电流进行优化，具体如下：

将辨识电感值L_est代入畸变角的计算中，得出三相输入电流畸变角θ_z，公式为：

其中，U_x、I_x分别为三相输入相电压、线电流的峰值；R_f为网侧电阻分量；f_s为电网电压频率；ω_L为dq坐标下的旋转角速度；|u_sq|是dq坐标下的交流电压量；|i_L|为电流矢量模值；

然后根据畸变角θ_z求出畸变区域，从而进行调制补偿，抑制电流过零点畸变。

本发明与现有的技术相比，其显著优点在于：(1)能够快速的计算出电感值，以方便用于优化电流畸变时计算畸变角；(2)计算畸变角值的准确度高；(3)能够使输入电流跟踪输入电压，提高了Vienna整流器的效率。

附图说明

图1是本发明Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法中三相三电平Vienna整流器的拓扑结构图。

图2是本发明中Vienna整流器dq旋转坐标系下存在电感在线辨识的整体控制结构图。

图3是本发明中输入电流与参考电压的相位差示意图。

图4是本发明中Vienna整流器的单相等效电路图。

图5是本发明Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法流程图。

具体实施方案

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，包括以下步骤：

步骤1、采样得到Vienna整流器直流侧电压以及开关管的状态按等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压量，具体如下：

步骤1.1、对Vienna整流器直流侧电压进行采样得到直流侧电压U_dc；

步骤1.2、使用直流侧电压U_dc结合Vienna整流器的开关状态函数S_A、S_B和S_C,根据等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压的αβ分量u_sα、u_sβ：

其中，S_A、S_B和S_C的为开关状态函数，“0”表示关断，“1”表示导通。

步骤2、采样得到电网输入电压，并通过软件锁相环计算得到电压的相位差具体如下：

采样得到电网三相输入相电压U_Lab、U_Lac，输入软件锁相环，计算得到各相的相位差

步骤3、使用交流电压量结合电压相位差，经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量，具体如下：

使用交流电压量u_sα、u_sβ结合步骤2得到的电压相位差经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量|u_sq|。

步骤4、采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量，具体如下：

采样三相电网输入电流i_a、i_b和i_c，经过Clark坐标变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ。

步骤5、流过输入滤波电感的电流分量经过模值计算，得到电流矢量的模，具体如下：

流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ经过αβ/|A|模块转换，得到电流矢量i_L的模|i_L|。

步骤6、dq坐标下的交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，由除法器输出辨识到的电感值，具体如下：

dq坐标下的交流电压量|u_sq|和电流矢量模|i_L|分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，输出辨识到的电感值L_est：

其中ω_L为dq坐标系下的旋转角速度，PF的取值为1。

步骤7、将辨识得到的电感值带入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，从而对畸变电流进行优化，具体如下：

将辨识电感值L_est代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，公式为：

其中，U_x、I_x、分别为三相输入相电压、线电流的峰值；R_f为网侧电阻分量；f_s为电网电压频率；ω_L为dq坐标下的旋转角速度；|u_sq|是dq坐标下的交流电压量；|i_L|为电流矢量模值。

然后根据畸变角θ_z求出畸变区域，从而进行调制补偿，抑制电流过零点畸变。

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细描述。

实施例1

图1为三相三电平Vienna整流器的拓扑结构图，其中网侧采用了L滤波器。

图2为Vienna整流器dq旋转坐标系下存在电感在线辨识的整体控制结构图。输出电压给定U_dc ^*与测得的直流侧输出电压差U_dc经过PI调节后作为有功分量q轴的给定i_q ^*，再与输入电流的q轴分量i_q经过PI调节器作为参考电压q轴分量U_qref；无功分量d轴的给定i_d ^*(一般取值为0)与d轴分量i_d经过PI调节器，作为参考电压d轴分量U_dref，再通过dq/abc坐标系转换得到三相参考电压U_aref、U_bref、U_cref。三相参考电压再加上本发明中针对L滤波器的电感在线辨识，求得电流畸变角，确定补偿电压，从而生成控制开关管通断的开关信号。

图3为单位功率因数下输入电流与参考电压相位差示意图。在单位功率因数工作状态下，Vienna整流器需严格满足其重要限制条件，使网侧电流波形与电压波形相位重合。但当电网电流较大时，滤波电感中的压降较大，且实际中电流控制信号存在延迟，使得网侧电流与整流器三相参考电压存在一定相位差，在电流过零点处不满足重要限制条件，从而使电流波形发生畸变，当输入功率越大时这种情况越明显，畸变角即为图中的θ_z。

图4为Vienna整流器的单相等效电路图。在单位功率因数下网侧电流I_x与U_x相位相同，而U_{x_ref}与U_x存在大小为θ_z相位差。只考虑滤波电感和电阻的情况下，可列公式为：

U_{x_ref}∠θ_z＝(U_x-R_fI_x)-j2πf_sL_fI_x

其中，R_f为电阻，L_f为电感，f_s为频率，上述等式用三角函数可表示为：

由上式可知，计算畸变角时需要知道滤波电感值，所以本发明针对的电感在线辨识可提高畸变角计算的准确性，从而更准确的优化输入电流畸变。

本发明基于电感在线辨识的Vienna整流器输入电流畸变优化方法，如图5电感在线辨识结构图，具体包括以下步骤：

步骤1、采样得到Vienna整流器直流侧电压以及开关管的状态按等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压量，具体如下：

步骤1.1、对Vienna整流器直流侧电压进行采样得到直流侧电压U_dc；

步骤1.2、使用直流侧电压U_dc结合Vienna整流器的开关状态函数S_A、S_B和S_C,根据等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压的αβ分量u_sα、u_sβ：

其中，S_A、S_B和S_C的为开关状态函数，“0”表示关断，“1”表示导通。

步骤2、采样得到电网输入电压，并通过软件锁相环计算得到电压的相位差具体如下：

采样得到电网三相输入相电压U_Lab、U_Lac，输入软件锁相环，计算得到各相的相位差

步骤3、使用交流电压量结合电压相位差，经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量，具体如下：

使用交流电压量u_sα、u_sβ结合步骤2得到的电压相位差经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量|u_sq|。

步骤4、采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量，具体如下：

采样三相电网输入电流i_a、i_b和i_c，经过Clark坐标变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ。

步骤5、流过输入滤波电感的电流分量经过模值计算，得到电流矢量的模，具体如下：

流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ经过αβ/|A|模块转换，得到电流矢量i_L的模|i_L|。

步骤6、dq坐标下的交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，由除法器输出辨识到的电感值，具体如下：

dq坐标下的交流电压量|u_sq|和电流矢量模|i_L|分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，输出辨识到的电感值L_est：

其中ω_L为dq坐标系下的旋转角速度，PF的取值为1。

步骤7、将辨识得到的电感值带入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，从而对畸变电流进行优化，具体如下：

将辨识电感值L_est代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，公式为：

其中，U_x、I_x、分别为三相输入相电压、线电流的峰值；R_f为网侧电阻分量；f_s为电网电压频率；ω_L为dq坐标下的旋转角速度；|u_sq|是dq坐标下的交流电压量；|i_L|为电流矢量模值。

然后根据畸变角θ_z求出畸变区域，从而进行调制补偿，抑制电流过零点畸变。

以上所述内容，仅为本发明型较佳实施例，并非用于限制本发明型的实施方案。本发明所属技术范围内的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以十分方便的进行变通或修改，故本发明的保护范围当视所附的权利要求书界定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采样得到Vienna整流器直流侧电压以及开关管的状态，按等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压量；

步骤2、采样得到电网输入电压，并通过锁相环计算得到电压相位差；

步骤3、使用交流电压量结合电压相位差，经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量；

步骤4、采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量；

步骤5、流过输入滤波电感的电流分量经过模值运算，得到电流矢量的模；

步骤6、dq坐标下的交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，由除法器输出辨识到的电感值；

步骤7、将电感值代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，从而对畸变电流进行优化。

2.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤1所述的采样得到Vienna整流器直流侧电压以及开关管的状态，按等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压量，具体如下：

步骤1.1、对Vienna整流器直流侧电压进行采样得到直流侧电压U_dc；

步骤1.2、使用直流侧电压U_dc结合Vienna整流器的开关状态函数S_A、S_B和S_C，根据等功率变换原则得到电网侧Vienna整流器输入交流电压的α、β分量u_sα、u_sβ：

其中，S_A、S_B和S_C为开关状态函数，“0”表示关断，“1”表示导通。

3.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤2所述采样得到电网输入电压，并通过锁相环计算得到电压相位差；具体如下：采样得到电网三相输入相电压U_Lab、U_Lac，输入软件锁相环，计算得到各相的相位差

4.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤3所述的使用交流电压量结合电压相位差，经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量，具体如下：

使用交流电压量u_sα、u_sβ结合电压相位差经过αβ/dq坐标变换得到dq坐标下的交流电压量|u_sq|。

5.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤4所述的采样三相电网输入电流，并进行Clark变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量，具体如下：

采样三相电网输入电流i_a、i_b和i_c，经过Clark坐标变换，得到αβ坐标系下流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ。

6.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤5所述的流过输入滤波电感的电流分量经过模值运算，得到电流矢量的模，具体如下：

流过输入滤波电感的电流分量i_Lα、i_Lβ经过αβ/|A|模块转换，得到电流矢量i_L的模|i_L|。

7.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤6所述的dq坐标下的交流电压量和电流矢量模分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，由除法器输出辨识到的电感值，具体如下：

dq坐标下的交流电压量|u_sq|和电流矢量模|i_L|分别经过LPF滤波后，送入除法器进行运算，输出辨识电感值L_est：

其中ω_L为dq坐标下的旋转角速度，PF的取值为1。

8.根据权利要求1所述的Vienna整流器输入电流过零点畸变优化的方法，其特征在于，步骤7所述的将电感值代入畸变角的计算中，得出三相补偿电压，从而对畸变电流进行优化，具体如下：

将辨识电感值L_est代入畸变角的计算中，得出三相输入电流畸变角θ_z，公式为：

其中，U_x、I_x分别为三相输入相电压、线电流的峰值；R_f为网侧电阻分量；f_s为电网电压频率；ω_L为dq坐标下的旋转角速度；|u_sq|是dq坐标下的交流电压量；|i_L|为电流矢量模值；

然后根据畸变角θ_z求出畸变区域，从而进行调制补偿，抑制电流过零点畸变。