CN110071656A - 一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法，包括以下步骤：步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ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VPCC，确定五相当中电压绝对值最小的一相，然后以该相桥臂上下开关管直通作为零矢量；步骤S3：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；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。

Description

一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法
技术领域
本发明涉及五相独立电网中五相电流源型变流器的控制方法，特别涉及一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法。
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。在新型动力机车牵引以及舰船推进等低压大功率应用场合采用多相系统，通过增加相数来降低对每一相功率器件容量的要求是一种新型的功率变换解决方案。与传统的三相系统相比，多相系统的主要优点有：多相电机输出转矩密度更高，转矩波动更低，运行可靠性高；多相变流器直流母线电流波动较小；由于相数冗余，具备更好的容错运行能力，可以在缺相情况下继续运行。
相比于多相电压源型变流器(VSC)，多相电流源型变流器(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应用的多相电机进行变频调速控制，可达到节能降耗的目的。
与三相变流器一样，五相电流源型变流器在运行过程中也存在着高共模电压损害系统绝缘，缩短变流器使用寿命的威胁。在五相PWM电流源型变流器中，空间矢量调制采用两个外部矢量、两个内部矢量和一个零矢量进行调制。共模电压是由于开关管斩波交流侧滤波器上电容电压产生。过高的共模电压会导致负载侧中性点与地之间的绝缘损坏，缩短系统运行寿命。如果系统存在共模通路，共模电流会产生电磁干扰，影响系统当中其他电子电路的运行。传统抑制共模电压的策略是在系统中引入工频变压器，但这同时也增加了系统的成本，增大了体积和重量，降低了运行效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法，该方法基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)，省去额外的工频隔离变压器，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和运行效率，并且由测试可知变流器共模电压抑制效果显著，同时输出电流电能质量较好，可以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：
一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法，基于五相电流源型变流器并网整流器，五相电流源型变流器通过滤波器连接至公共连接点后与五相独立电网交换功率；其中，变流器由十个功率开关模块组成五相全桥拓扑，变流器的直流侧串联公用的直流侧母线电感用于抑制直流侧的电流波动；该共模电压抑制方法包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将五相独立电网电压值VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ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：根据步骤S1中采集得到的五相独立电网电压值(VPCC)，确定五相当中电压绝对值最小的一相，然后以该相桥臂上下开关管直通作为零矢量；
步骤S3：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；
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。
进一步的，步骤S2中按照交流实时电压筛选零矢量，步骤S3中四个有效矢量采用四个外部矢量。
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五相电流源型变流器共模电压的方法，通过使用四个外部矢量和一个零矢量合成参考电流矢量，零矢量通过筛选五相交流瞬时电压绝对值最小的一相，并使该相桥臂上下开关管直通来实现。这种方法能够显著降低变流器的共模电压，该方法省去额外的工频隔离变压器，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和运行效率。同时，空间矢量脉冲调制方法具有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电流谐波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。
附图说明
图1为本发明具体实施例中五相电流源型变流器的拓扑结构。
图2-1为本发明中五相电流源型变流器空间矢量在基波平面的分布示意图。
图2-2为本发明中五相电流源型变流器空间矢量在三次谐波平面的分布示意图。
图3为本发明中的零矢量筛选方法示意图。
图4-1为传统方案应用时五相电流源型变流器交流侧电流波形及系统共模电压意图。
图4-2为本发明方案应用时五相电流源型变流器交流侧电流波形及系统共模电压示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的控制方法基于五相电流源型变流器并网整流器的拓扑结构，如图1所示，其结构具体如下：五相电流源型变流器2通过滤波器1连接到公共连接点PCC后与五相独立电网交换功率；其中，五相电流源型变流器2由十个功率开关模块组成五相全桥拓扑，五相电流源型变流器2的直流侧串联公用的直流侧母线电感Ldc用于抑制直流侧的电流波动。系统共模电压指交流侧中性点O和直流侧中点N之间的电压。
本发明是基于空间矢量脉宽调制抑制五相电流源型变流器共模电压的方法，具体方法如下：
步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ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：根据前一步骤中采集得到的五相独立电网电压值，确定五相当中电压绝对值最小的一相，然后以该相桥臂上下开关管直通作为零矢量；
步骤S3：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；
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S1中：变流器参考矢量所在扇区根据参考矢量与基波(αβ)平面α坐标轴的夹角θ确定，具体确定方式如图2-1所示。根据多相系统的克拉克(Clarke)变换矩阵，基波平面和三次谐波平面对应电流分量可以表示为：
[iα iβ ix iy i0]T＝C5[iwa iwb iwc iwd iwe]T (1)
式中，iwa，iwb，iwc，iwd和iwe分别指变流器五相PWM瞬时电流。iα和iβ表示基波平面的正交电流分量，ix和iy表示三次谐波平面的正交电流分量，i0表示零序电流分量。在五相五线制系统中，i0等于零。Clarke变换矩阵C5为：
由式(1)和(2)即可得到分布于基波(αβ)平面与三次谐波(xy)平面的空间矢量，如表1所示。
表1为本发明得到的五相电流源型变流器空间矢量
将直流电流大小表示为Idc，基波平面上的空间矢量按照幅值大小可以分为两类：外部矢量幅值为0.76Idc，内部矢量幅值为0.47Idc。每个扇区内参考矢量由四个外部矢量和一个零矢量合成。
步骤S2中：在每个开关周期起始时刻采集五相电流源型变流器交流侧滤波电容上电压瞬时值，并确定其绝对值最小的一相，将该相桥臂的上下开关管直通作为零矢量。如图3所示，在变换器运行在功率因数为1的情形下，交流侧参考电流与滤波电容电压同相位。在扇区I前期，b相滤波电容相电压绝对值最小，因此选择b相桥臂直通作为零矢量这种情况下零矢量引起的共模电压值等于vb。在扇区I后期，e相滤波电容相电压绝对值最小，因此选择e相桥臂直通作为零矢量这种情况下零矢量引起的共模电压值等于ve。以此类推，可以得到一个工频周期(T)内其他扇区的零矢量筛选方案，从而可以保证零矢量引起的共模电压不超过滤波电容相电压峰值(Ef)的30％。
步骤S3中：以第I扇区为例，其安秒平衡方程为：
式中，Ts代表采样周期，代表基波平面电流参考矢量，代表三次谐波平面电流参考矢量。t1，t2，t3和t4分别指式(3)中对应空间矢量的作用时间。
结合图2-1和图2-2所示的空间矢量分布状态可以得到基波和三次谐波电流分量与6个有效矢量作用时间之间的关系：
式中，Iref,f和Iref,3rd分别表示基波和三次谐波平面上电流参考矢量的幅值。θf和θ3rd分别表示基波和三次谐波平面上电流参考矢量的相角，系数矩阵A5为：
因此，有效矢量作用时间可以表示为：
为了消除五相电流源型变流器输出电流的三次谐波分量，需要保证三次谐波平面上电流分量为零(Iref,3rd＝0)。根据式(6)可以得到对应的矢量作用时间：
零矢量的作用时间为：
T0＝Ts-(t1+t2+t3+t4) (8)
根据图4-1可以看出五相电流源型变流器在采用传统调制策略(两个外部矢量、两个内部矢量和一个零矢量)时，交流电流电能质量较好但系统共模电压较高，峰值与交流侧滤波电容电压峰值相等。根据图4-2可以看出当采用提出的抑制共模电压控制方法时，变流器交流电流波形呈对称的五相正弦波形，系统共模电压显著降低，共模电压峰值降至传统方法的30％左右，同时保证了空间矢量脉宽调制原有的电流控制精度。
综上：本发明方法可以方便的应用于五相PWM电流源型变流器当中，起到很好的共模电压抑制效果。省去额外的工频隔离变压器，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和运行效率，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 (2)

1.一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法，基于五相电流源型变流器并网整流器，五相电流源型变流器通过滤波器连接至公共连接点PCC后与五相独立电网交换功率；其中，变流器由十个功率开关模块组成五相全桥拓扑，变流器的直流侧串联公用的直流侧母线电感Ldc用于抑制直流侧的电流波动；其特征在于，该共模电压抑制方法包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将五相独立电网电压值VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ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：根据步骤S1中采集得到的五相独立电网电压值(VPCC)，确定五相当中电压绝对值最小的一相，然后以该相桥臂上下开关管直通作为零矢量；
步骤S3：根据夹角θ计算参考矢量所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；
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。
2.根据权利要求1所述一种五相电流源型变流器共模电压抑制方法，其特征在于，步骤S2中按照交流实时电压筛选零矢量，步骤S3中四个有效矢量采用四个外部矢量。
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