CN110266203A - 一种消除三倍频脉动的vienna整流器单周期控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电气工程领域内的一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，包括VIENNA整流器拓扑结构，引入变量，作为占空比控制VIENNA整流器中的三个双向开关管动作；本发明可完全消除中性点电位三倍频波动，解决了注入三次谐波分量方法的复杂且参数难以确定问题；另一方面可有效抑制中点电位的直流和交流波动，使输出电容很好地保持在均压状态。

Description

一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法

技术领域

本发明涉及一种VIENNA整流器，特别涉及一种VIENNA整流器控制方法。

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。

单周期控制是一种无需乘法器、无需输入电压检测的非线性控制技术，其通过复位积分器使得被控量在一个开关周期内跟踪控制参考值。同时，单周期控制技术还具有开关频率恒定、响应速度快以及控制简单等优点。但VIENNA整流器的单周期控制忽略了电流内环的动态过程，直接由采样电流的绝对值得到全控开关管的占空比。因为没有电流内环，对电流控制为开环状态，电流容易受到干扰。VIENNA整流器的单周期控制算法虽然简单，但存在比较严重的中性点电压三倍频脉动的问题，根据整流器输出中点电位波动机理，实现消除中点电位交流波动的常用方法是在三相电流采样中注入三次谐波电流分量。上述三次谐波注入的计算公式负载，确定系数也较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，可完全消除中性点电位三倍频波动。

本发明的目的是这样实现的：一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，包括VIENNA整流器拓扑结构，引入变量S_k，k＝a、b、c作为占空比控制VIENNA整流器中的三个双向开关管动作；所述S_k满足以下条件：

S_k＝1-(S'_k+ΔS)，k＝a、b、c

其中，i_a、i_b、i_c为电感电流，R_m为等效电阻，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，k_ps为比例调节系数，k_is为积分调节系数。

作为本发明的进一步限定，所述S'_k的获取方法包括以下步骤：

步骤1)假设上下电容相等时，得到以S_kPN表示的控制变量表达式(1)

步骤2)得到以S_kPN表示的中性点电压脉动表达式(2)

步骤3)根据单周期控制原理，得到控制电压满足方程(3)：

步骤4)消除三倍频分量条件，得到以S_kPN表示的约束方程(4)：

步骤5)求解出控制量(5)：

作为本发明的进一步限定，所述ΔS的获取方法为：

建立方程(6)，并求出修正量(7)

ΔS'_a＝-sign(i_a)ΔS,ΔS'_b＝-sign(i_b)ΔS,ΔS_c'＝-sign(i_c)ΔS (7)，

其中ΔS为偏差量ΔU_C的PI调节量，即

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明直接从VIENNA整流器数学模型出发，通过定义新的变量，建立了含有新变量的单周期控制约束方程和中性点电位没有脉动的约束方程，根据此约束方程直接求出占空比，使得控制概念清晰，容易实现；针对直流侧上下电容上的电压会出现偏差的现象，在上述基础上提出了均压修正占空比的方法，这样同时消除了中性点电位的三倍频脉动和直流偏差；本发明直接利用数学方法实现，减少了中间环节，和常规的三倍频补偿方法相比更容易理解，结果更加直接，也更精确；本发明可完全消除中性点电位三倍频波动，解决了注入三次谐波分量方法的复杂且参数难以确定问题；在传统单周期控制系统中引入均压环路可进一步抑制由开关器件和直流侧输出电容特性不一致，以及输出电容分别接不平衡直流负载所导致的输出电容中点电位出现的直流偏差；改进后的单周期控制系统一方面可提高整流器直流母线电压利用率，另一方面可有效抑制中点电位的直流和交流波动，使输出电容很好地保持在均压状态。

附图说明

图1为实施例中所述的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为常规VIENNA单周期控制的中心点电位脉动波形。

图4为实施例中VIENNA整流器实现抑制中性点电位波动的占空比波形图。

图5为实施例中VIENNA整流器实现抑制中性点电位波动的效果图。

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，单周期控制因其简单、实现成本低是一种VIENNA整流器重要的控制方法，但该方法会出现直流侧上下电容上的电压的三倍频脉动，即中性点电位脉动；本发明直接从数学模型出发，得出了消除中性点脉动需要满足的条件，并根据此条件直接求出占空比，比常规的插入三次谐波消除脉动的方法更容易实现，针对直流侧上下电容上的电压会出现直流偏差的现象，提出了均压控制方法。

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，实施例中公开一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，包括以下步骤：

步骤1、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和点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。显然，单刀三掷开关S_kP,S_kM,S_kN的开关变量应满足：

S_kP+S_kM+S_kN＝1 (1)

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 (2)

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：

上式U_AO、U_BO、U_CO分别为A、B、C三点与O点之间的电压，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(4)、(5)、(6)可得：

在式(7)中，令v_a、v_b、v_c为调制后的控制电压，如式(8)所示：

对于节点P,M,N可通过基尔霍夫定律分别得到如下关系：

假设C₁＝C₂＝C，由式(9)、(10)、(11)得到图1中上下电容电压差(即电压脉动)的方程为：

步骤2、暂时不考虑上下电容上的直流电压偏差，即U_c1＝U_c2＝U_c，且定义S_kPN＝S_kP-S_kN,k＝a,b,c则(8)式变为：

又根据式(3)，S_kPN＝S_kP-S_kN＝S'_ksign(i_k),k＝a,b,c(14)

将式(14)两边同乘以sign(i_k)，式(14)变为：

S'_k＝S_kPNsign(i_k),k＝a,b,c (15)

则式(12)变为：

根据单周期控制原理，忽略电感L_s上的压降，并令式(13)中v_a、v_b、v_c满足v_a＝R_mi_a，v_b＝R_mi_b，v_c＝R_mi_c，则可实现单位功率因数，其中R_m为等效电阻，由此式(13)变为：

其中，为消除中性点电位脉动，式(16)应满足：

S_aPN|i_a|+S_bPN|i_b|+S_cPN|i_c|＝0 (18)

考虑到式(17)中独立方程只有两个，一个多余，本发明取前两个方程，与(18)式联立方程，化简后得到消除三倍频脉动的方程为：

由式(19)可以解出S_aPN、S_bPN、S_cPN，进而由式(14)求出S'_K，求解的结果为：

步骤3、当由于不对称等原因使得中性点电位存在直流偏差时，应在第2步的基础上修正，设电位偏差为ΔU_C＝U_C1-U_C2，设修正量分别为ΔS'_a、ΔS'_b、ΔS'_c，仅考虑直流电位偏差，上述修正量应满足：

如令ΔS'_a＝-sign(i_a)ΔS,ΔS'_b＝-sign(i_b)ΔS,ΔS'_c＝-sign(i_c)ΔS，则式(21)变为：

其中ΔS为偏差量ΔU_C的PI调节量，即

k_ps、k_is分别为PI调节的比例系数和积分系数；最终将式(20)、(22)的相加即得到最终占空比，可以消除中性点电位三倍频波动和直流电位偏差，为验证上述结果，进行了仿真计算，图3为没有考虑三倍频波动的经典单周期控制的上下电压曲线图，可以看出上下电容电压以三倍频交替波动，图4为采用本发明的a、b、c相的占空比波形，图5为采用本发明的电压波形图，上下电容电压在初始状态电压值不相等，经调节后，量电压相等，且无三倍频脉动，效果明显。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，包括VIENNA整流器拓扑结构，其特征在于，引入变量S_k，k＝a、b、c作为占空比控制VIENNA整流器中的三个双向开关管动作；所述S_k满足以下条件：

S_k＝1-(S′_k+ΔS)，k＝a、b、c

其中，i_a、i_b、i_c为电感电流，R_m为等效电阻，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，k_ps为比例调节系数，k_is为积分调节系数。

2.根据权利要求1所述的一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，其特征在于，所述S′_k的获取方法包括以下步骤：

步骤1)假设上下电容相等时，得到以S_kPN表示的控制变量表达式(1)

步骤2)得到以S_kPN表示的中性点电压脉动表达式(2)

步骤3)根据单周期控制原理，得到控制电压满足方程(3)：

步骤4)消除三倍频分量条件，得到以S_kPN表示的约束方程(4)：

步骤5)求解出控制量(5)：

3.根据权利要求1所述的一种消除三倍频脉动的VIENNA整流器单周期控制方法，其特征在于，所述ΔS的获取方法为：

建立方程(6)，并求出修正量(7)

ΔS′_a＝-sign(i_a)ΔS,ΔS′_b＝-sign(i_b)ΔS,ΔS′_c＝-sign(i_c)ΔS (7)，

其中ΔS为偏差量ΔU_C的PI调节量，即