CN112398357A - 一种消除vienna整流器电流过零点畸变的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，包括以下步骤：步骤S1：采集所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)，整流器桥臂输出电压ux以及网侧输入电流ix；步骤S2：采用所述整流器桥臂输出电压ux定向所述网侧输入电流ix的模式，确定电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux三者之间的关系，以获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix在任意时刻的幅值相位；步骤S3：根据所述整流器输出电压向量Ux，确定开关管的开关序列。相比较现有技术，提供了一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，采用整流器输出电压定向电流，使得整流器工作于整流器侧单位功率因数，从而解决电流过零点输出电压畸变问题。

Description

一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法
技术领域
本发明属于VIENNA整流器技术领域，具体涉及一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法。
背景技术
近年来，三电平变流器受到了广泛地关注。相比于传统的两电平变流器，三电平变流器具有较低的总谐波畸变率、较低的器件电压应力和较高的能量转换效率的优点。在众多三电平变流器中，VIENNA整流器凭借其功率因数高，控制简单，被广泛应用于风力发电机、电动汽车等诸多中、高压大功率场合。
VIENNA整流器拓扑结构的外管为两个不控二极管，内管为两个带反并联二极管的IGBT，并且两个内管的通断信号是一致的。与T型三电平整流器相比有两个显著优点：(1)VIENNA整流器的全控制半导体开关数目更少，这导致更低的设备成本，更低的开关损耗和更高的功率密度。(2)控制整流器换流路径的开关信号更少，调制信号的产生更简单，控制电路搭建更简单。
VIENNA整流器电流过零点畸变问题主要是传统控制方法工作于网侧单位功率因数，即电网电压与网侧输入电流同相位引起的。当VIENNA整流器在电流过零电点运行，会出现调制电压与相电流符号不一致，这是引起电流过零点畸变的根本原因。因此，我们提出一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：采集所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)，整流器桥臂输出电压ux以及网侧输入电流ix；
步骤S2：采用所述整流器桥臂输出电压ux定向所述网侧输入电流ix的模式，确定电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux三者之间的关系，以获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix在任意时刻的幅值相位，从而获得整流器输出电压向量Ux；
步骤S3：根据所述整流器输出电压向量Ux，确定开关管的开关序列。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中：VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)在三相静止坐标abc轴下采集。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中：所述整流器桥臂输出电压ux定向所述网侧输入电流ix的模式具体为：整流器输出电压向量Ux与网侧输入电流向量Ix同相位，jωIx与Ux垂直。
作为本发明的进一步优化方案，所述电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux三者之间的关系为：
Ux＝Ex-jωLsIx-RsIx (1)
式中，ω为角频率；Ls为交流侧电感；Rs为交流侧电感的寄生电阻；由于寄生电阻较小故忽略，即Rs＝0，则(1)可以简化为：
Ux＝Ex-jωLIx (2)
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix在任意时刻的幅值相位具体步骤为：
步骤S201：将三相静止坐标abc轴下采集的所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)变换到两相旋转坐标dq轴；
步骤S202：在dq轴下，将所述整流器输出电压向量Ux分解为Ud和Uq，所述网侧输入电流向量Ix分解为Id和Iq，首先可以获得Id：
Id＝PEd (3)
其中，P为整流器直流侧提供给负载的有功功率，Ed为采样的电网电压在d轴的分量；
步骤S203：根据向量几何关系，可分别获得Ud和Uq的表达式：
Figure BDA0002828101310000031
步骤S204：根据Ux与Ix的相位相同，可获得Id、Iq、Ud和Uq之间的关系：
Figure BDA0002828101310000032
将(3)和(4)带入(5)可获得Iq的表达式：
Figure BDA0002828101310000033
步骤S205：所述步骤S2的式(6)中分子取正号不符合整流器运行状态规则舍去，Iq的表达式为：
Figure BDA0002828101310000034
步骤S206：将式(3)和(7)带入式(4)，可获得Ud和Uq；
步骤S207：根据Ud、Uq、Id和Iq，可以获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix任意时刻的幅值相位以及整流器输出电压向量Ux。
本发明的有益效果在于：提供了一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，采用整流器输出电压定向电流，使得整流器工作于整流器侧单位功率因数，从而解决电流过零点输出电压畸变问题。
附图说明
图1是VIENNA整流器的拓扑结构；
图2是本发明控制方法的电网电压、网侧输入电流和整流器输出电压的向量关系；
图3是传统控制方法的电网电压、网侧输入电流和整流器输出电压的向量关系；
图4是向量在dq轴下的分解图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
VIENNA整流器的拓扑结构如图1所示；为了便于分析，可以认为三相电流的值和方向在一个载波周期中几乎是恒定的；RL为负载；C1、C2为直流侧上下电容；S为开关管；D为不控二极管；Ls和Rs分别为三相交流侧输入电感的电感值和电阻值；ex(x＝a，b，c)为三相交流电网相电压；ix为网侧输入电流；ux为整流器桥臂输出电压；
本实施例提供了一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：采集所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)，整流器桥臂输出电压ux以及网侧输入电流ix；
步骤S2：采用所述整流器桥臂输出电压ux定向所述网侧输入电流ix的模式，即整流器输出电压向量Ux与网侧输入电流向量Ix同相位，jωIx与Ux垂直，确定电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux三者之间的关系：
Ux＝Ex-jωLsIx-RsIx (1)
式中，ω为角频率；Ls为交流侧电感；Rs为交流侧电感的寄生电阻；由于寄生电阻较小故忽略，即Rs＝0，则(1)可以简化为：
Ux＝Ex-jωLIx (2)
本发明提出的控制方法采用整流器输出电压定向电流，即Ux与Ix同相位；jωIx与Ux垂直；此时，交流侧电感上的无功储能由电网侧提供；在两相静止坐标αβ轴下，电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux之间的关系如图2所示；
VIENNA整流器的传统控制方法采用电网电压定向电流，(1)和(2)式也满足，但是网侧运行在单位功率因数，即Ex与Ix同相位；在两相静止坐标αβ轴下，电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux之间的关系如图3所示，此时，交流侧电感上的无功储能由整流器侧提供；
根据所述的关系，确定整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix：
步骤S201：将三相静止坐标abc轴下采集的所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)变换到两相旋转坐标dq轴；
步骤S202：在dq轴下，整流器输出电压向量Ux分解为Ud和Uq；网侧输入电流向量Ix分解为Id和Iq，如图4所示：
Id＝PEd (3)
其中，P为整流器直流侧提供给负载的有功功率，Ed为采样的电网电压在d轴的分量，两者均为已知常数；
步骤S203：由图4可知，根据向量几何关系，可分别获得Ud和Uq的表达式：
Figure BDA0002828101310000061
步骤S204：根据Ux与Ix的相位相同，可获得Id、Iq、Ud和Uq之间的关系：
Figure BDA0002828101310000062
将(3)和(4)带入(5)可得：
Figure BDA0002828101310000063
步骤S205：当式(6)中的分子取正号时，计算出的Iq十分大，且Ux超前于Ed，不符合整流器的运行状态规则，需要舍去，因此式(6)的分子应取负号，则Iq的表达式为：
Figure BDA0002828101310000064
步骤S206：将式(3)和(7)带入式(4)，可获得Ud和Uq；
步骤S207：根据Ud、Uq、Id和Iq，可以获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix任意时刻的幅值相位以及整流器输出电压向量Ux。
步骤S3：根据所述整流器输出电压向量Ux，确定开关管的开关序列。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采集所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)，整流器桥臂输出电压ux以及网侧输入电流ix；
步骤S2：采用所述整流器桥臂输出电压ux定向所述网侧输入电流ix的模式，确定电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux三者之间的关系，以获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix在任意时刻的幅值相位，从而获得整流器输出电压向量Ux；
步骤S3：根据所述整流器输出电压向量Ux，确定开关管的开关序列。
2.根据权利要求1所述的一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中：VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)在三相静止坐标abc轴下采集。
3.根据权利要求2所述的一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中：所述整流器桥臂输出电压ux定向所述网侧输入电流ix的模式具体为：整流器输出电压向量Ux与网侧输入电流向量Ix同相位，jωIx与Ux垂直；
4.根据权利要求3所述的一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，其特征在于，所述电网电压向量Ex、网侧输入电流向量Ix和整流器输出电压向量Ux三者之间的关系为：
Ux＝Ex-jωLsIx-RsIx (1)
式中，ω为角频率；Ls为交流侧电感；Rs为交流侧电感的寄生电阻；由于寄生电阻较小故忽略，即Rs＝0，则(1)可以简化为：
Ux＝Ex-jωLIx (2)
5.根据权利要求4所述的一种消除VIENNA整流器电流过零点畸变的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix在任意时刻的幅值相位具体步骤为：
步骤S201：将三相静止坐标abc轴下采集的所述VIENNA整流器三相交流电网相电压ex(x＝a，b，c)变换到两相旋转坐标dq轴；
步骤S202：在dq轴下，将所述整流器输出电压向量Ux分解为Ud和Uq，所述网侧输入电流向量Ix分解为Id和Iq，首先可以获得Id：
Id＝P/Ed (3)
其中，P为整流器直流侧提供给负载的有功功率，Ed为采样的电网电压在d轴的分量；
步骤S203：根据向量几何关系，可分别获得Ud和Uq的表达式：
Figure FDA0002828101300000021
步骤S204：根据Ux与Ix的相位相同，可获得Id、Iq、Ud和Uq之间的关系：
Figure FDA0002828101300000022
将(3)和(4)带入(5)可获得Iq的表达式：
Figure FDA0002828101300000023
步骤S205：所述步骤S2的式(6)中分子取正号不符合整流器运行状态规则舍去，Iq的表达式为：
Figure FDA0002828101300000024
步骤S206：将式(3)和(7)带入式(4)，可获得Ud和Uq；
步骤S207：根据Ud、Uq、Id和Iq，可以获得整流器输出电压向量Ux和网侧输入电流向量Ix任意时刻的幅值相位以及整流器输出电压向量Ux。
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