CN112152488A - 一种三相三电平维也纳整流器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种三相三电平维也纳整流器控制系统及控制方法，包括外环直流电压控制器、内环电流控制器以及滞后无功补偿模块；所述滞后无功补偿模块输出端与外环直流电压控制器的输出端分别连接内环电流控制器，滞后无功补偿模块用于提供功率补偿后的电感电流的q轴分量的参考值，外环直流电压控制器3用于提供电感电流的d轴分量的参考值；内环电流控制器根据电感电流的参考值控制维也纳整流器的开关单元的断开和闭合。本公开通过在控制源头设置滞后无功补偿模块，采用稳定性好、使谐波最小的控制方法，解决三相三电平维也纳整流器电流过零点畸变问题，实现输入电流谐波最小化。

Description

一种三相三电平维也纳整流器控制系统及控制方法

技术领域

本公开涉及电力电子相关技术领域，具体的说，是涉及一种三相三电平维也纳整流器控制系统及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

近年来，大功率整流器的应用需求逐渐增加，其中，三相三电平维也纳(Vienna)整流器具有功率器件数量少、成本低、输入电流总谐波畸变率低、功率密度高、效率高等优势，得到了广泛关注。该拓扑可以应用于快速充电、无线电通信、功率因数校正、风力发电等领域。然而，三电平Vienna整流器固有的过零点畸变问题，以及中性点平衡问题降低了系统的可靠性和稳定性。为了确保三电平Vienna整流器可靠稳定的运行，减少对电网的谐波污染，必须解决三相电流过零点畸变等问题。

发明人发现，针对上述问题，国内外学者提出了一些解决方法，大致可分为调制和控制两类方法。其中，调制的方法对系统的鲁棒性和收敛性没有给出可靠的理论依据，因此其响应速度和抗干扰性相对较弱；而现有控制方法大都对电感参数具有明显依赖性，当电感发生变化时，系统的稳定性就会受到影响。

现有的方法多数采用零序分量注入的方法，采用零序分量注入的调制方法，具体的存在如下问题：当调制比大于0.866时，过零点畸形控制效果差；在调制过程中，中性点控制容易与过零点畸形控制实现耦合，不利于中性点平衡控制。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种三相三电平维也纳整流器控制系统及控制方法，采用稳定性好、使谐波最小的控制方法，解决三相三电平维也纳整流器电流过零点畸变问题，实现输入电流谐波最小化。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种三相三电平维也纳整流器控制系统，包括外环直流电压控制器、内环电流控制器以及滞后无功补偿模块；所述滞后无功补偿模块输出端与外环直流电压控制器的输出端分别连接内环电流控制器，滞后无功补偿模块用于提供功率补偿后的电感电流的q轴分量的参考值，外环直流电压控制器用于提供电感电流的d轴分量的参考值；内环电流控制器根据电感电流的参考值控制维也纳整流器的开关单元的断开和闭合。

一个或多个实施例提供了一种三相三电平维也纳整流器控制方法，包括如下步骤：

获取三相三电平维也纳整流器的直流侧输出电压的参考值及其实际测量值；获取三相三电平维也纳整流器滤波电感电流值；

根据直流侧输出电压的参考值及其实际测量值，计算获得滤波电感电流值的d轴分量参考值；

根据使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零，计算获得电感电流值的q轴分量参考值；

根据电感电流值的d轴分量参考值、q轴分量参考值以及实际的电感电流值，获得输出电压控制值；根据输出电压控制值控制三相三电平维也纳整流器的开关管动作。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开通过设置滞后无功补偿模块，消除电感电流与参考电压矢量之间的夹角，保证电感电流与参考电压矢量同步，从根源上解决了三相三电平维也纳整流器电流过零点畸变问题，并使得输入电流谐波最小化。

(2)本公开采用有限时间控制器(FTC)充分考虑了滤波电感对电压矢量和电流矢量相对位置的影响，电流跟踪误差收敛性好，动态响应快，提高了控制策略的灵活性和可靠性。

与传统的控制方法相比，本公开输入电流过零点畸变消除的效果更优，输入电流的总谐波畸变率降低，其波形质量明显改善，且抗干扰性强，尤其适合于动力电池充电系统。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1为本公开实施例1的三相三电平维也纳整流器的拓扑结构示意图；

图2为本公开实施例1的控制系统框图；

图3为本公开实施例1的三相三电平维也纳整流器的电压空间矢量调制图；

图4为本公开实施例1的三相三电平维也纳整流器的滞后功率因数下的空间矢量图；

图5为本公开实施例1的控制系统与传统控制系统的输入电流总谐波畸变率对比图；

其中，1、三相三电平维也纳整流器；2、三相交流电源；3、外环直流电压控制器；4、内环电流控制器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图2所示，一种三相三电平维也纳整流器控制系统，包括外环直流电压控制器3、内环电流控制器4，以及滞后无功补偿模块；所述滞后无功补偿模块输出端与外环直流电压控制器3的输出端分别连接内环电流控制器4，滞后无功补偿模块用于提供功率补偿后的电感电流的q轴分量的参考值，外环直流电压控制器3用于提供电感电流的d轴分量的参考值；内环电流控制器4根据电感电流的参考值控制维也纳整流器1的开关单元的断开和闭合。

本实施例通过设置滞后无功补偿模块，消除电感电流与参考电压矢量之间的夹角，保证电感电流与参考电压矢量同步，从根源上解决了三相三电平维也纳整流器电流过零点畸变问题，并使得输入电流谐波最小化。

可选的，内环电流控制器4可以采用有限时间控制器(FTC)。

本实施例采用有限时间控制器(FTC)充分考虑了滤波电感对电压矢量和电流矢量相对位置的影响，电流跟踪误差收敛性好，动态响应快，提高了控制策略的灵活性和可靠性。

在一些实施例中，外环直流电压控制器3输入端连接三电平维也纳整流器的输出端，用于根据输出端的输出电压V_dc以及电压的设定值V_dc ^*，输出电感电流d轴分量的参考值i_d ^*。

可选的，外环直流电压控制器3可以采用PI控制器。

三相三电平维也纳整流器1的电路结构如图1所示，三相三电平维也纳整流器1的一端与三相交流电源2相连，输入为e_a、e_b、e_c，三相三电平维也纳整流器1的另一端与负载R_L相连，输出为端电压V_dc，输出电流I_L。

三相三电平维也纳整流器1包括依次连接的滤波电感电路、整流电路、开关电路和输出电容电路，所述输出电容电路包括两个串联的电容C₁与电容C₂，开关电路的两端分别连接整流电路的输入端以及输出电容电路的中点O。

具体的，滤波电感电路包括分别连接在三相交流电源2输出端三相上的三个滤波电感L_a、L_b、L_c；整流电路可以为全桥整流电路六个，包括六个整流二极管D_a+、D_a-、D_b+、D_b-、D_c+、D_c-；开关电路包括三个双向开关单元S_a、S_b、S_c，分别连接在整流电路的三相输入端。

输出电容电路包括两个串联的电容C₁与电容C₂，两者连接点为中点O，C₁为上电容，C₂为下电容。

具体的，连接关系如图1所示，三个滤波电感L_a、L_b、L_c的一端分别与三相交流电源2的A、B、C三相相连，另一端分别标为a、b、c点，分别与三个双向开关单元S_a、S_b、S_c的一端相连，且与整流二极管D_a+和D_a-、D_b+和D_b-、D_c+和D_c-的连接点分别相连；三个双向开关单元S_a、S_b、S_c的另一端短接并与O点相连。

可实现的，每个双向开关单元可以设置两个开关管，两个开关管反向连接，由一路驱动信号控制。内环电流控制器4的输出信号用于控制该开关单元的开和闭。

进一步地，还包括dq坐标变换模块以及dq坐标反变换模块，dq坐标变换模块用于将三相三电平维也纳整流器1的电流电压实际信号变换后输入控制系统的输入端；dq坐标反变换模块用于将控制系统输出端的信号反变换后控制三相三电平维也纳整流器1的开关单元。

进一步地，还包括调制器，用于将控制信号转换为设定脉冲宽度及脉冲波形参数的输出脉冲。本实施例中采用CBPWM调制器。

如图1、图2所示，本实施例中，三相交流电源2经维也纳整流器1的三个滤波电感L_a、L_b、L_c后，将a、b、c点的电压分别电压记为u_a、u_b、u_c，其电流记为i_a、i_b、i_c，将u_a、u_b、u_c经abc/dq坐标变换得到u_d和u_q；将i_a、i_b、i_c经abc/dq坐标变换得到i_d和i_q；将三相交流电源2电压e_a、e_b、e_c经abc/dq坐标变换得到e_d和e_q。

在一些实施例中，滞后无功补偿模块用于计算电感电流q轴分量的参考值i_q ^*。

可选的，为实现滞后功率因数补偿，滞后无功补偿模块电感电流q轴分量的参考值i_q ^*，可以采用如下公式计算：

式中，V_ref为参考电压矢量，ω是三相交流电源频率，L为滤波电感值(L＝La＝Lb＝Lc)，i_d为电感电流的实际检测值的d轴分量。

滞后无功补偿模块采用上述公式(1)能够进行滞后功率因数补偿的原理如下：

三相Vienna整流器1中每相均有3个状态：P、O、N，其中P状态为电流从该相经电容C₁流至中点O；O状态为电流从该相直接流至中点O，N状态为电流从中点O经电容C₂流至该相。

如图3所示，Vienna整流器1无[PPP]及[NNN]状态，因此总开关状态为25个，产生19个不同的电压矢量，包括1个零矢量、6个小矢量、6个中矢量和6个大矢量，其中仅小矢量存在冗余矢量。将Vienna整流器空间矢量调制划分为6个扇区(I、II、III、IV、V、VI)，V_ref为某一时刻位于某个扇区(I～VI)中的参考电压矢量。

图4为滞后功率因数下的空间矢量图，图中，E_d为三相交流电源电压幅值，U_L是电感电压，α为电感电流滞后于三相交流电源电压的滞后角，β为参考电压矢量V_ref滞后于三相交流电源电压的滞后角。无功电流i_q必须使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角

才能保证电感电流与参考电压矢量同步，则有：

tanα＝tanβ

即：

而

则有：

因此，得到以下公式：

对于给定的V_ref和电感电流的实际检测值的d轴分量i_d，可得i_q的参考值i_q ^*，即式(1)，实现滞后功率因数补偿，保证电感电流与参考电压矢量同步。

实施例2

本实施例提供一种三相三电平维也纳整流器控制方法，包括如下步骤：

步骤1、获取三相三电平维也纳整流器1的直流侧输出电压的参考值V_dc ^*及其实际测量值V_dc；获取三相三电平维也纳整流器1滤波电感电流值；

步骤2、根据直流侧输出电压的参考值V_dc ^*及其实际测量值V_dc，计算获得滤波电感电流值的d轴分量参考值i_d ^*；

步骤3、根据使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零，计算获得电感电流值的q轴分量参考值i_q ^*；

步骤4、根据电感电流值的d轴分量参考值、q轴分量参考值以及实际的电感电流值，获得输出电压控制值u_d ^*和u_q ^*；根据输出电压控制值控制三相三电平维也纳整流器的开关管动作。

本实施例的通过根据使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零，计算获得电感电流值的q轴分量参考值i_q ^*，从根源上消除了滞后角，能够事前0-1全调制角度范围内的有效控制，解决了三相三电平维也纳整流器电流过零点畸变问题，并使得输入电流谐波最小化。

步骤1中，获取设定值以及三相三电平维也纳整流器实际电参数数据，通过连接各检测点采用电流电压检测装置直接检测。

可选的，根据直流侧输出电压的参考值V_dc ^*及其实际测量值V_dc，计算获得滤波电感电流值的d轴分量参考值的方法，可以采用PI运算；计算直流侧输出电压的参考值V_dc ^*与其当前实际测量值V_dc的差值，经PI运算获得，滤波电感的输出电流i_d的参考值i_d ^*。将此参考值i_d ^*减去滤波电感当前实际电流值的d轴分量i_d，得到其误差e₁(t)，即：e₁(t)＝i_d ^*-i_d；

步骤3中，根据使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零，计算获得电感电流值的q轴分量参考值，采用如下计算公式：

式中，V_ref为参考电压矢量，ω是三相交流电源频率，L为滤波电感值(L＝La＝Lb＝Lc)，i_d为电感电流的实际检测值的d轴分量。将i_q的参考值i_q ^*减去其当前实际值i_q，得到其误差e₂(t)，即：e₂(t)＝i_q ^*-i_q。

步骤4中，根据电感电流值的d轴分量参考值、q轴分量参考值以及实际的电感电流值，获得输出电压控制值的方法采用有限时间控制方法设定输出参量的控制律。

有限时间控制器(FTC)根据有限时间控制理论，获得控制器的控制律，即为求得u_d和u_q的参考值u_d ^*和u_q ^*分别为：

式中，k_d1、k_d2、k_q1、k_q2、λ₁、λ₂为控制参数，且有k_d1>0，λ₁∈(0,1)，k_d2>|e_d+Lωi_q|，k_q1>0，λ₂∈(0,1)，k_q2>|e_q+Lωi_d|，e_d、e_q分别为三相交流电源电压的d轴分量和q轴分量；sign(·)为符号函数，

当x>0，sign(x)＝1，当x＝0，sign(x)＝0，当x<0，sign(x)＝-1；e₁(t)＝i_d ^*-i_d，为滤波电感当前实际电流值的d轴分量i_d与对应参考值的差值，e₂(t)＝i_q ^*-i_q，为滤波电感当前实际电流值的q轴分量i_q与对应参考值的差值。

有限时间控制理论具体如下：

如图1所示，根据基尔霍夫定律，可得到维也纳整流器1的电压方程：

式中，e_a、e_b、e_c分别为三相交流电源的A相、B相、C相电压，L为滤波电感(L＝La＝Lb＝Lc)，u_ON为上电容C₁、下电容C₂之间的中点O到电网中性点N的电压；u_aO、u_bO、u_cO为维也纳整流器1的三相输入电压。

采用Park变换，式(5)可改写为：

式中，e_d、e_q分别为三相交流电源电压的d轴分量和q轴分量。

由式(6)的第一个方程，可以得到i_d时间域的动态方程：

由e₁(t)＝i_d ^*-i_d可得i_d＝i_d ^*-e₁(t)，将之代入式(7)，则得到i_d电流跟踪误差动态方程：

根据有限时间控制理论，将系统式(8)的有限时间控制器(即u_d(t)的控制律)设为：

式中，k_d1>0，λ₁∈(0,1)，k_d2>|e_d+Lωi_q|；sign(·)为符号函数，

当x>0，sign(x)＝1，当x＝0，sign(x)＝0，当x<0，sign(x)＝-1。

可选的，选取李亚普洛夫函数为

则结合式(8)、式(2)，有：

由此可见，i_d电流跟踪误差e₁(t)可在有限时间内收敛到零。

同样，由式(6)的第二个方程，可以得到i_q时间域的动态方程：

由e₂(t)＝i_q ^*-i_q可得i_q＝i_q ^*-e₂(t)，将之代入式(9)，则得到i_q电流跟踪误差动态方程：

根据有限时间控制理论，将系统式(10)的有限时间控制器设为：

式中，k_q1>0，λ₂∈(0,1)，k_q2>|e_q+Lωi_d|，sign(·)为符号函数；

选取李亚普洛夫函数为

则结合式(10)、式(3)，有：

由此可见，i_q电流跟踪误差e₂(t)可在有限时间内收敛到零。

本实施例的有限时间控制器(FTC)充分考虑了滤波电感对电压矢量和电流矢量相对位置的影响，电流跟踪误差收敛性好，动态响应快，提高了控制策略的灵活性和可靠性；

为提高控制稳定性，还包括abc/dq变换和abc/dq反变换的步骤；abc/dq变换将实际获取的直流侧输出电压以及滤波电感电流转换至dq坐标数据。

步骤4中获得的输出电压控制值u_d ^*和u_q ^*参考值，经abc/dq反变换得到电压u_a、u_b、u_c的参考值u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，将此参考值通过载波脉宽调制(CB-PWM)得到所述三相三电平维也纳整流器的三个双向开关单元的驱动信号，驱动三个双向开关单元工作。

本实施例与传统的控制方法相比，本实施例的输入电流过零点畸变消除的效果更优，输入电流的总谐波畸变率降低，其波形质量明显改善，且抗干扰性强，尤其适合于动力电池充电系统。

为了验证本发明控制方法的有效性，对一个维也纳整流器的控制系统进行仿真分析。

内环电流跟踪器的具体参数为：k_d1＝k_q1＝0.02，k_d2＝k_q2＝0.03，λ₁＝λ₂＝0.5；外环PI控制器的具体参数为：K_p＝0.6，K_i＝10。

维也纳整流器系统参数见下表1。

表1

参数	数值
		交流电网电压(e<sub>a</sub>、e<sub>b</sub>、e<sub>c</sub>)	110V(有效值)
电网频率	50Hz
		滤波电感(La＝Lb＝Lc＝L)	3mH
直流侧电容(C<sub>1</sub>、C<sub>2</sub>)	470μF
		开关频率	5kHz
采样周期	100μs
		直流侧负载	16Ω

图5所示为在不同的直流侧电压下，电流总谐波畸变率的情况。由图5可见，采用实施例的控制方法，电流总谐波畸变率(THD)大大低于传统控制方法，可有效解决维也纳整流器过零点畸变问题，具有动态响应快、稳定性好、抗干扰能力强等优势。本实施例的控制方法的控制效果明显优于传统控制方法的控制效果。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种三相三电平维也纳整流器控制系统，其特征是：包括外环直流电压控制器、内环电流控制器以及滞后无功补偿模块；所述滞后无功补偿模块输出端与外环直流电压控制器的输出端分别连接内环电流控制器，滞后无功补偿模块用于提供功率补偿后的电感电流的q轴分量的参考值，外环直流电压控制器用于提供电感电流的d轴分量的参考值；内环电流控制器根据电感电流的参考值控制维也纳整流器的开关单元的断开和闭合。

2.如权利要求1所述的一种三相三电平维也纳整流器控制系统，其特征是：外环直流电压控制器输入端连接三电平维也纳整流器的输出端，用于根据输出端的输出电压以及电压的设定值，输出电感电流d轴分量的参考值。

3.如权利要求1所述的一种三相三电平维也纳整流器控制系统，其特征是：外环直流电压控制器采用PI控制器；

或者，内环电流控制器采用有限时间控制器。

4.如权利要求1所述的一种三相三电平维也纳整流器控制系统，其特征是：所述滞后无功补偿模块，以使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零建立计算公式。

5.如权利要求1所述的一种三相三电平维也纳整流器控制系统，其特征是：

还包括dq坐标变换模块以及dq坐标反变换模块，dq坐标变换模块用于将三相三电平维也纳整流器的电流电压实际信号变换后输入控制系统的输入端；dq坐标反变换模块用于将控制系统输出端的信号反变换后控制三相三电平维也纳整流器的开关单元；

或者，还包括调制器，用于将控制信号转换为设定脉冲宽度及脉冲波形参数的输出脉冲。

6.如权利要求1所述的一种三相三电平维也纳整流器控制系统，其特征是：三相三电平维也纳整流器包括依次连接的滤波电感电路、整流电路、开关电路和输出电容电路，所述输出电容电路包括两个串联的电容C₁与电容C₂，开关电路包括三个开关单元，开关单元两端分别连接整流电路的输入端以及输出电容电路的中点。

7.一种三相三电平维也纳整流器控制方法，其特征是，包括如下步骤：

获取三相三电平维也纳整流器的直流侧输出电压的参考值及其实际测量值；获取三相三电平维也纳整流器滤波电感电流值；

根据直流侧输出电压的参考值及其实际测量值，计算获得滤波电感电流值的d轴分量参考值；

根据使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零，计算获得电感电流值的q轴分量参考值；

根据电感电流值的d轴分量参考值、q轴分量参考值以及实际的电感电流值，获得输出电压控制值；根据输出电压控制值控制三相三电平维也纳整流器的开关管动作。

8.如权利要求7所述的一种三相三电平维也纳整流器控制方法，其特征是：

根据使得电感电流与参考电压矢量之间的夹角为零，计算获得电感电流值的q轴分量参考值，采用如下计算公式：

式中，V_ref为参考电压矢量，ω是三相交流电源频率，L为滤波电感值，i_d为电感电流的实际检测值的d轴分量。

9.如权利要求7所述的一种三相三电平维也纳整流器控制方法，其特征是：根据电感电流值的d轴分量参考值、q轴分量参考值以及实际的电感电流值，获得输出电压控制值的方法采用有限时间控制方法设定输出参量的控制律。

10.如权利要求9所述的一种三相三电平维也纳整流器控制方法，其特征是：设定输出参量的控制律，具体为：

式中，k_d1、k_d2、k_q1、k_q2、λ₁、λ₂为控制参数，且有k_d1>0，λ₁∈(0,1)，k_d2>|e_d+Lωi_q|，k_q1>0，λ₂∈(0,1)，k_q2>|e_q+Lωi_d|，e_d、e_q分别为三相交流电源电压的d轴分量和q轴分量；sign(·)为符号函数，

当x>0，sign(x)＝1，当x＝0，sign(x)＝0，当x<0，sign(x)＝-1；e₁(t)＝i_d ^*-i_d，为滤波电感当前实际电流值的d轴分量i_d与对应参考值的差值，e₂(t)＝i_q ^*-i_q，为滤波电感当前实际电流值的q轴分量i_q与对应参考值的差值。

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