CN112165264A - 一种抑制三相vienna整流器电流波形畸变的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，给定输出电压Vref与实际输出电压Vo相减经过电压控制器得到Vm，Vm经过载波生成电路得到以Vm为峰值的载波，调制波是由实际电流ILa、ILb、ILc先分别乘以电压不平衡系数ka、kb、kc，然后乘以采样电阻Rs，最后再取绝对值得到的。调制波与载波相比较得到驱动电力电子器件的脉冲驱动信号。在本发明在获得三相不平衡网侧电压的正序分量的基础上，求取了三相电压的不平衡系数，并将其用于对传统单周器控制的调制信号进行修正，使网侧电压的正序分量与网侧电流信之间的关系成阻性。达到良好的抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流波形负面影响的目的。

Description

一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法
技术领域
本发明涉及一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，适用于三相VIENNA整流器电网电压幅值不平衡时，抑制电流负面影响控制方法，属电力电子技术领域中AC/DC电能变换装置的控制技术。
背景技术
随着电力电子装置应用更加地广泛，开关电源变换器的稳定性与可靠性也变得越来越重要。在供电系统和用电设备中，由于元器件、线路参数或负荷的不平衡等因素的影响，三相电压会出现不平衡的现象，导致电流畸变，损耗线路。不仅如此，对其他电气设备也会造成不利的影响，使电网功率因数大大降低，同时降低系统效率。在具有三相功率因数校正能力的整流系统中，抑制电网压幅值不平衡对网侧电流造成的负面影响，从而保证电网和用户用电设备的安全经济运行是亟待解决的问题。目前有不少文献均报导VIENNA整流器的单周期控制方式，单周期控制不仅可实现良好的正弦化输入电流波形，而且具有较为简洁、可靠的控制结构，受到了广泛的关注。但是大多数研究都是在三相电网电压平衡的情况下展开的，而在三相电网电压幅值不平衡的情况下，会使输入电流也产生不平衡现象，使线路功率损耗增加，从而使设备温度上升，效率下降，能耗增加，影响用电设备的安全运行。而且多数解决不平衡的方式通常为无功补偿和有源滤波，在配电侧或负荷侧加额外的补偿装置。这种方式增加了硬件电路，控制较为复杂，同时增加了额外的功率损耗。在VIENNA整流器中，有必要研究一种简单高效且能抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流负面影响的控制方法。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，针对三相VIENNA整流器，通过软件控制方式解决电网电压幅值不平衡对网侧电流负面影响。
为解决上述技术问题，本发明的一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据采样得到的电网相电压，通过软件计算得到电网线电压；
步骤2：通过软件计算得到电网相电压有效值和电网线电压有效值；
步骤3：根据电网线电压有效值，得到三相相电压的正序分量有效值；
步骤4：计算得到三相电压不平衡系数ka、kb、kc；
步骤5：得到载波信号，实际采样到的三相电感电流ILa、ILb、ILc分别乘以与之对应的各相电压不平衡系数ka、kb、kc之后得到与之对应的信号Ia、Ib、Ic；
步骤6：将Ia、Ib、Ic分别乘以电流采样电阻Rs后取绝对值得到各相调制信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|；
步骤7：将调制波信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|分别与载波信号相比较得到占空比分别为da、db、dc脉冲序列，分别驱动三相VIENNA整流器的第一功率开关管、第二功率开关管和第三功率开关管。
本发明还包括：
1.步骤3中根据电网线电压有效值，得到三相相电压的正序分量有效值具体为：
Figure BDA0002692396130000021
代表三相相电压Va、Vb、Vc的向量，
Figure BDA0002692396130000022
代表三相线电压Vab、Vbc、Vca的向量，向量
Figure BDA0002692396130000023
以点C为基点，顺时针旋转60°，得到向量
Figure BDA0002692396130000024
连接NA，得到向量
Figure BDA0002692396130000025
令α代表逆时针旋转120°，根据向量运算法则有：
Figure BDA0002692396130000026
Figure BDA0002692396130000027
为A相电压、B相电压逆时针旋转120°与C相电压逆时针旋转240°之和，根据序分解理论，
Figure BDA0002692396130000028
为三相电压正序分量的三倍，通过计算NA两点的距离求得的
Figure BDA0002692396130000029
大小，从而正序分量有效值为
Figure BDA00026923961300000210
的三分之一。
2.步骤4中计算得到三相电压不平衡系数ka、kb、kc具体为：
Figure BDA00026923961300000211
其中，
Figure BDA00026923961300000212
和
Figure BDA00026923961300000213
分别代表三相电网电压的有效值。
3.步骤5中得到载波信号具体为：给定输出电压Vref与实际输出电压Vo相减经过PI电压控制器运算后得到输出信号Vm，该Vm信号经过载波生成电路得到以Vm为峰值的载波信号。
本发明的有益效果：提供一种通过软件控制方法来抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流负面影响的方法，在电网电压幅值不平衡条件下，会产生负序分量和零序分量，而实际希望得到的网侧输入电流中只含有正序分量。在传统的单周期控制方法中，总是将等效输入阻抗考虑为纯阻性，不能对电网电压幅值不平衡的负面影响进行有效的抑制。在本发明所述的改进控制方法中，在获得三相不平衡网侧电压的正序分量的基础上，求取了三相电压的不平衡系数，并将其用于对传统单周器控制的调制信号进行修正，使网侧电压的正序分量与网侧电流信之间的关系成阻性。达到良好的抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流波形负面影响的目的。
附图说明
图1(a)为三相VIENNA整流器结构图；
图1(b)为三相VIENNA整流器拓扑结构改进单周期控制示意图；
图1(c)三相不平衡电网电压正序分量向量图解。
图2为电网电压幅值不平衡下单周期控制的电网电压以及网侧电流波形；
图3为电网电压幅值不平衡下改进单周期控制的电网电压以及网侧电流波形；
图4为本发明方法流程图。
图中Va、Vb、Vc为三相电网电压，ILa、ILb、ILc为三相电感电流，La、Lb、Lc为三相滤波电感，Sa、Sb、Sc为双向开关管，R为直流输出侧的负载，Vo为输出电压。Vref为输出电压基准信号，Vm为电压控制器的输出信号，Rs为采样电阻，ka、kb、kc为所定义的不平衡系数，
Figure BDA0002692396130000031
Figure BDA0002692396130000032
代表三相相电压向量，
Figure BDA0002692396130000033
代表三相线电压向量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明提供的是一种适用于三相VIENNA整流器，抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流波形负面影响的控制方法。该方法是在单周期控制的基础上改进而成的，传统的单周期控制是以标准且平衡的正弦化电网电压为假设，输入电流跟踪电网电压，使整流器的实际输入阻抗成纯阻性，从而使网侧电流正弦化。但当电网电压幅值不平衡时，传统的单周期控制也会使三相输入电流发生不平衡现象，对电能质量敏感设备产生较大的负面影响。本发明提出一种改进了单周期控制策略能有效的抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流的负面影响，实现了网侧电流的不平衡抑制。
主电路拓扑采用三相VIENNA整流器如图1(a)，在传统单周期的控制的基础上进行改进，如图1(b)，在改进的单周期的控制中，给定输出电压Vref与实际输出电压Vo相减经过电压控制器得到Vm，Vm经过载波生成电路得到以Vm为峰值的载波，调制波是由实际电流ILa、ILb、ILc先分别乘以电压不平衡系数ka、kb、kc，然后乘以采样电阻Rs，最后再取绝对值得到的。调制波与载波相比较得到驱动电力电子器件的脉冲驱动信号。
电压不平衡系数是通过数学计算获得的。采集三相电网相电压，分别计算出实际的三相电网相电压有效值和线电压的有效值，继而通过正序分量的向量图解法得到三相电网相电压正序分量的有效值，用三相电网相电压的有效值除以正序分量的有效值，即可得所述的三相电压不平衡系数ka、kb、kc。将ka、kb、kc运用于所述的控制方法可达到修正调制信号的目的，实现电网电压幅值不平衡对网侧电流负面影响的抑制。
本发明所提出的控制方法是在传统单周期控制技术基础上改进提升的，针对三相VIENNA整流器的控制。传统单周器控制技术和如图1(a)所示的VIENNA整流器拓扑结构对于本专业领域研究或技术人员而言属于成熟技术。
结合图4，本发明的目的是这样实现的：
(1)在附图1(b)中，虚线框部分为在传统单周期控制基础上所引入的电压不平衡性系数(ka，kb，kc)。也就是说，若将虚线框部分所示的不平衡系数全部置1，则附图1(b)所表示的就是传统的单周期控制策略。
(2)对照附图1(c)，
Figure BDA0002692396130000041
代表三相相电压Va、Vb、Vc的向量，
Figure BDA00026923961300000413
Figure BDA0002692396130000042
代表三相线电压Vab、Vbc、Vca的向量，O点是三相电压的中点。向量
Figure BDA0002692396130000043
以点C为基点，顺时针旋转60°，得到向量
Figure BDA0002692396130000044
连接NA，得到向量
Figure BDA0002692396130000045
令α代表逆时针旋转120°，根据向量运算法则有：
Figure BDA0002692396130000046
可知
Figure BDA0002692396130000047
为A相电压、B相电压逆时针旋转120°与C相电压逆时针旋转240°之和得到。根据序分解理论，式(1)中的
Figure BDA0002692396130000048
为三相电压正序分量的三倍，通过计算NA两点的距离可求得的
Figure BDA0002692396130000049
大小，从而正序分量有效值由
Figure BDA00026923961300000410
的三分之一求得。
(4)通过采样三相电网的相电压，可求出线电压的有效值
Figure BDA00026923961300000411
和
Figure BDA00026923961300000412
(根据相电压求取线电压有效值对于本专业领域研究或技术人员而言属于成熟技术，在此不再赘述)。令：
Figure BDA0002692396130000051
由于三角形BCN为等边三角形，可得：
Figure BDA0002692396130000052
由
Figure BDA0002692396130000053
可得到：
Figure BDA0002692396130000054
将式(3)代入式(4)，可得
Figure BDA0002692396130000055
由式(1)可知三相电压的正序分量有效值为
Figure BDA0002692396130000056
的三分之一。
(5)由此可定义三相电压不平衡系数ka、kb、kc。
Figure BDA0002692396130000057
式中
Figure BDA0002692396130000058
和
Figure BDA0002692396130000059
分别代表三相电网电压的有效值。
(6)在附图1(b)所示的改进单周期的控制方法中，给定输出电压Vref与实际输出电压Vo相减经过PI电压控制器运算后得到输出信号Vm，该Vm信号经过载波生成电路得到以Vm为峰值的载波信号。将实际采样到的三相电感电流ILa、ILb、ILc分别乘以与之对应的各相电压不平衡系数ka、kb、kc之后得到与之对应的信号Ia、Ib、Ic。
(7)将Ia、Ib、Ic分别乘以电流采样电阻Rs后取绝对值得到各相调制信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|。
(8)将调制波信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|分别与载波信号相比较得到占空比分别为da、db、dc的脉冲序列，用于驱动图1(a)中所示的电力电子器件的Sa、Sb、Sc，当调制波信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|小于载波信号时，脉冲序列控制相应开关管导通，否则关断。
对比图2和图3的电网电压和网侧电流波形可见，相比于现有技术，本发明可以达到更好的抑制电网电压幅值不平衡对网侧电流波形负面影响的目的。

Claims (4)

1.一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据采样得到的电网相电压，通过软件计算得到电网线电压；
步骤2：通过软件计算得到电网相电压有效值和电网线电压有效值；
步骤3：根据电网线电压有效值，得到三相相电压的正序分量有效值；
步骤4：计算得到三相电压不平衡系数ka、kb、kc；
步骤5：得到载波信号，实际采样到的三相电感电流ILa、ILb、ILc分别乘以与之对应的各相电压不平衡系数ka、kb、kc之后得到与之对应的信号Ia、Ib、Ic；
步骤6：将Ia、Ib、Ic分别乘以电流采样电阻Rs后取绝对值得到各相调制信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|；
步骤7：将调制波信号|RsIa|、|RsIb|和|RsIc|分别与载波信号相比较得到占空比分别为da、db、dc脉冲序列，分别驱动三相VIENNA整流器的第一功率开关管、第二功率开关管和第三功率开关管。
2.根据权利要求1所述的一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，其特征在于：步骤3所述根据电网线电压有效值，得到三相相电压的正序分量有效值具体为：
Figure FDA0002692396120000011
代表三相相电压Va、Vb、Vc的向量，
Figure FDA0002692396120000012
代表三相线电压Vab、Vbc、Vca的向量，向量
Figure FDA0002692396120000013
以点C为基点，顺时针旋转60°，得到向量
Figure FDA0002692396120000014
连接NA，得到向量
Figure FDA0002692396120000015
令α代表逆时针旋转120°，根据向量运算法则有：
Figure FDA0002692396120000016
Figure FDA0002692396120000017
为A相电压、B相电压逆时针旋转120°与C相电压逆时针旋转240°之和，根据序分解理论，
Figure FDA0002692396120000018
为三相电压正序分量的三倍，通过计算NA两点的距离求得的
Figure FDA0002692396120000019
大小，从而正序分量有效值为
Figure FDA00026923961200000110
的三分之一。
3.根据权利要求2所述的一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，其特征在于：步骤4所述计算得到三相电压不平衡系数ka、kb、kc具体为：
Figure FDA0002692396120000021
其中，
Figure FDA0002692396120000022
和
Figure FDA0002692396120000023
分别代表三相电网电压的有效值。
4.根据权利要求3所述的一种抑制三相VIENNA整流器电流波形畸变的方法，其特征在于：步骤5所述得到载波信号具体为：给定输出电压Vref与实际输出电压Vo相减经过PI电压控制器运算后得到输出信号Vm，该Vm信号经过载波生成电路得到以Vm为峰值的载波信号。
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