CN112467776A - 电流源型变流器系统、控制方法及空间矢量调制方法 - Google Patents

电流源型变流器系统、控制方法及空间矢量调制方法 Download PDF

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Abstract

本公开属于电流源型变流器领域，公开电流源型变流器系统、控制方法及空间矢量调制方法，包括：S1、根据系统运行状态，获取以下参数：采样周期Ts；静止空间电流矢量I1，I2；静止空间电流矢量I1，I2分别在采样周期Ts开始处的作用时间T1s和T2s；静止空间电流矢量I1，I2分别在采样周期Ts结束处的作用时间T1e和T2e；T1+T2在采样周期Ts开始处和结束处的时间值T12s和T12e，其中T1、T2分别为静止空间电流矢量I1，I2的周期；S2、获取矢量作用时间T1f和T12f；通过统一的公式以计算精确的作用时间；在电流源型变流器系统中采用改进的空间矢量调制方法，可以有效改善传统空间矢量调制在低开关频率下产生的变流器电流稳态低次谐波含量大的问题。

Description

电流源型变流器系统、控制方法及空间矢量调制方法
技术领域
本公开属于电流源型变流器领域，具体涉及电流源型变流器系统、控制方法及空间矢量调制方法。
背景技术
电流源型变流器具有拓扑结构简单，四象限运行，输出电流电压波形正弦以及可靠的过流和短路保护能力，因此适用于泵类、压缩机、风力发电以及高压直流输电系统中。大功率电流源型变流器已经在中压传动系统中得到广泛的商业应用，且随着储能元件与宽禁带开关器件以及先进控制与调制技术的发展，电流源型变流器在中小功率场合，如光伏发电，电动汽车等领域中的应用也得到进一步的关注和研究。
当电流源型变流器应用在大功率中压传动系统中时，为了减小开关损耗以及满足功率开关管的散热要求，变流器的开关频率通常被限制在500Hz左右。目前，指定谐波消除法，梯形波脉宽调制和空间矢量调制是电流源型变流器常用的三种调制方式，其中空间矢量调制法的数字实现简单且具有快速的动态性能，但是在低开关频率下会导致调制出的变流器电流中含有大量的低次谐波电流，造成系统损耗增加以及引发系统LC谐振，因此在电流源型变流器系统中的应用受到了限制。
现有的针对低开关频率下传统的空间矢量调制法做出改善的调制法有多重采样空间矢量调制法以及基于迭代法的空间矢量调制法。然而，多重采样空间矢量调制法一个载波周期内需要对作用时间进行多次采样计算，对数字信号处理器和模拟数字转换器的性能和处理速度提出更高的要求，同时多重采样也会导致额外的开关频率；基于迭代法的空间矢量调制法保持了传统空间矢量调制法在一个载波周期内只采样一次的特点，但是针对一个扇区内的每个和载波信号相交的作用时间都需要设计迭代方程式，且随着采样周期和基波频率的改变都需要重新设计作用时间的迭代式，增加了数字实现的复杂度。
发明内容
本公开的目的在于提供电流源型变流器系统、控制方法及空间矢量调制方法。
本公开的目的可以通过以下技术方案实现：
电流源型变流器系统的空间矢量调制方法，包括以下步骤：
根据系统运行状态，获取以下参数：采样周期Ts；静止空间电流矢量I1，I2；静止空间电流矢量I1，I2分别在采样周期Ts开始处的作用时间T1s和T2s；静止空间电流矢量I1，I2分别在采样周期Ts结束处的作用时间T1e和T2e；T1+T2在采样周期Ts开始处和结束处的时间值T12s和T12e，其中T1、T2分别为静止空间电流矢量I1，I2的作用时间；
通过式(4)获取矢量作用时间T1f和T12f；
Figure BDA0002768078070000021
在一些公开中，利用参考电流矢量
Figure BDA0002768078070000022
的矢量角θ和矢量幅值Iref，以及在一个采样周期Ts内的安秒平衡方程IrefTs＝I1T1+I2T2+I0T0，获取所述静止空间电流矢量I1，I2在采样周期开始处的作用时间T1s和T2s，采样周期结束处的作用时间T1e和T2e，以及T1+T2在采样周期开始处和结束处的时间值T12s和T12e。
在一些公开中，利用参考电流矢量
Figure BDA0002768078070000023
的矢量角θ判断
Figure BDA0002768078070000024
所在的扇区，根据扇区获取与
Figure BDA0002768078070000031
相邻的三个静止空间电流矢量I1，I2和I7，其中I1和I2为第一扇区的非零矢量，I7为第一扇区满足最小开关切换限制的零矢量，根据扇区的不同对其他的非零矢量和零矢量进行选择。
在一些公开中，对直流母线电流Idc，对三相电网和三相负载的电角度θg，电角频率ωe和交流电压信息进行采集，通过直流母线电流控制器和转速闭环控制器的输出电流参考值进行交流电容电流的补偿后，获取参考电流矢量
Figure BDA0002768078070000035
的矢量角θ和矢量幅值Iref。
在一些公开中，所述式(4)的获取包括：根据所述采样周期Ts开始处的作用时间T1s和T12s，采样周期Ts结束处的作用时间T1e和T12e，以及采样周期Ts开始处和结束处的电角度θe和θs，获取时间曲线T1和T1+T2的拟合线lm1和lm2，以及锯齿载波lc，
Figure BDA0002768078070000032
Figure BDA0002768078070000033
锯齿载波lc的表达式为式(3)：
Figure BDA0002768078070000034
根据分别求lm1，lm2和锯齿载波lc的交点，进行获取所述式(4)。
电流源型变流器系统的控制方法，所述控制方法包括所述空间矢量调制方法的矢量作用时间T1f和T12f，将所述矢量作用时间T1f和T12f与锯齿载波信号进行比较，当载波信号值小于T1f时，作用电流矢量为I1,当载波信号值大于T1f并且小于T12f时，作用电流矢量为I2，当载波信号值大于T2f并且小于Ts时，作用电流矢量为I7，由此生成空间矢量的作用序列。根据空间矢量的作用序列生成对应的开关脉冲，用于控制电流源型整流器和逆变器，在实现系统闭环控制目标的同时可以有效减小电网侧以及负载侧的电流谐波。
电流源型变流器系统，所述电流源型变流器包括位于交流侧的三相电网与LC滤波器相连；所述LC滤波器与电流源型整流器相连；所述电流源型整流器与母线电感相连；所述母线电感与电流源型逆变器相连；所述电流源型逆变器与交流电容相连；所述交流电容与三相负载相连；所述电流源型整流器和所述电流源型逆变器均由处理器控制，所述处理器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述空间矢量调制方法的步骤。
本公开的有益效果：
本公开在一个载波周期内只需要采样一次，且推导出统一的公式以计算精确的作用时间；在电流源型变流器系统中采用改进的空间矢量调制方法，可以有效改善传统空间矢量调制在低开关频率下产生的变流器电流稳态低次谐波含量大的问题，使其符合网侧和负载侧的谐波要求，降低了系统损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例中的电流源型变流器系统整体电路和控制图；
图2是本实施例中的电流源型变流器的空间矢量分布原理图；
图3是本实施例中的空间矢量调制法的矢量作用时间生成和比较原理图；
图4是传统空间矢量调制，多重采样空间矢量调制和基于迭代法的空间矢量调制法示意图；
图5是传统的空间矢量调制法产生的电网电流和变流器电流及其谐波分布；
图6是本实施例中的空间矢量调制法产生的电网电流和变流器电流及其谐波分布。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1所示，电流源型变流器系统的空间矢量调制方法包括：
对直流母线电流Idc进行采集，对三相电网和三相负载的电角度θg，电角频率ωe和交流电压信息通过传感器和锁相环进行采集计算；通过直流母线电流控制器和转速闭环控制器的输出电流参考值进行交流电容电流的补偿后，获取参考电流矢量
Figure BDA0002768078070000051
的矢量角θ和矢量幅值Iref并发送给改进的空间矢量调制。
如图2所示，根据参考电流矢量
Figure BDA0002768078070000052
的矢量角θ判断
Figure BDA0002768078070000053
所在的扇区，根据扇区选择与
Figure BDA0002768078070000054
相邻的三个静止空间电流矢量I1，I2和I7(其中I1和I2为第一扇区的非零矢量，I7为第一扇区满足最小开关切换限制的零矢量，根据扇区的不同对其他的非零矢量和零矢量进行选择；
Figure BDA0002768078070000055
旋转到其他扇区时选择其他扇区的静止空间电流矢量)。
如图3所示，所述的改进的空间矢量调制包括：
根据矢量角θ和矢量幅值Iref，以及在一个采样周期Ts内的安秒平衡方程IrefTs＝I1T1+I2T2+I0T0，得到以下式(1)计算静止空间电流矢量I1，I2在采样周期开始处的作用时间T1s和T2s，采样周期结束处的作用时间T1e和T2e，以及T1+T2在采样周期开始处和结束处的时间值T12s和T12e；
Figure BDA0002768078070000056
其中，ωe为三相电网或者三相负载采集得到的电角频率，ma为调制度，根据参考电流矢量幅值Iref和直流母线电流值Idc计算可得ma＝Idc/Iref；
根据采样周期开始处的作用时间T1s和T12s，采样周期结束处的作用时间T1e和T12e，以及采样周期开始处和结束处的电角度θe和θs，可以得到两条作用时间曲线T1和T1+T2的拟合线段lm1和lm2的表达式为式(2)：
Figure BDA0002768078070000061
Figure BDA0002768078070000062
锯齿载波lc的表达式为式(3)：
Figure BDA0002768078070000063
联立(2)和(3)式，通过分别求lm1，lm2和锯齿载波lc的交点来计算静止电流矢量的作用时间，使其接近基于模拟实现的自然采样空间矢量调制方法下的作用时间T1n和T12n与锯齿载波的交点。定义改进的空间矢量调制方法产生的矢量作用时间为T1f和T12f，可以根据下式(4)计算得到：
Figure BDA0002768078070000064
将产生的作用时间T1f和T12f与锯齿载波信号进行比较，根据空间矢量作用序列生成开关脉冲，用于控制基于电流源型变流器的整流和电机驱动系统，可以实现系统稳态谐波和动态性能的改善。
如图4所示为传统空间矢量调制，多重采样空间矢量调制和基于迭代法的空间矢量调制的示意图。
传统空间矢量调制法在载波周期一开始进行采样以及计算空间矢量作用时间，并在整个载波周期内保持恒定，但是这种方式计算出的作用时间与基于模拟实现的自然采样空间矢量调制得到的作用时间存在作用时间偏差Tdev，此偏差会导致调制出的变流器电流产生大量的低次谐波；
多重采样空间矢量调制法在一个载波周期内进行多次的采样和作用时间计算，这种方法在采样率趋于无穷大时可以逼近基于模拟实现的自然采样空间矢量调制，但是对处理器和模拟数字转换器的处理性能提出了很高的要求；
基于迭代法的空间矢量调制法，针对一个扇区内的每个和载波信号相交的作用时间都需要设计迭代方程式，且随着采样周期和基波频率的改变都需要重新设计作用时间的迭代式，增加了数字实现的复杂度；
相比于以上三种空间矢量调制法，本发明提出的改进的空间矢量调制法保持了传统空间矢量调制只需要采样和计算一次的特点，且推导得到可以计算精确的作用时间的统一公式，有利于数字实现。
如图5，图6所示分别为采用传统空间矢量调制法和采用改进的空间矢量调制法产生的电网电流和变流器电流及其谐波分布。从图5可以看出，传统空间矢量调制法产生的变流器电流中含有大量的低次谐波电流(主要为5次和7次谐波电流)，导致电网电流产生严重的畸变；从图6可以看出，采用了改进的空间矢量调制法有效降低了变流器电流中的低次谐波电流，因此电网电流保持了良好的正弦度，符合网侧和逆变侧的电流谐波要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。

Claims (7)

1.电流源型变流器系统的空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据系统运行状态，获取以下参数：采样周期Ts；静止空间电流矢量I1，I2；静止空间电流矢量I1，I2分别在采样周期Ts开始处的作用时间T1s和T2s；静止空间电流矢量I1，I2分别在采样周期Ts结束处的作用时间T1e和T2e；T1+T2在采样周期Ts开始处和结束处的时间值T12s和T12e，其中T1、T2分别为静止空间电流矢量I1，I2的作用时间；
通过式(4)获取矢量作用时间T1f和T12f；
Figure FDA0002768078060000011
2.根据权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，利用参考电流矢量
Figure FDA0002768078060000015
的矢量角θ和矢量幅值Iref，以及在一个采样周期Ts内的安秒平衡方程IrefTs＝I1T1+I2T2+I0T0，获取所述静止空间电流矢量I1，I2在采样周期开始处的作用时间T1s和T2s，采样周期结束处的作用时间T1e和T2e，以及T1+T2在采样周期开始处和结束处的时间值T12s和T12e。
3.根据权利要求2所述的空间矢量调制方法，其特征在于，利用参考电流矢量
Figure FDA0002768078060000012
的矢量角θ判断
Figure FDA0002768078060000013
所在的扇区，根据扇区获取与
Figure FDA0002768078060000014
相邻的三个静止空间电流矢量I1，I2和I7，其中I1和I2为第一扇区的非零矢量，I7为第一扇区满足最小开关切换限制的零矢量，根据扇区的不同对其他的非零矢量和零矢量进行选择。
4.根据权利要求3所述的空间矢量调制方法，其特征在于，对直流母线电流Idc进行采集，对三相电网和三相负载的电角度θg，电角频率ωe和交流电压信息进行采集，通过直流母线电流控制器和转速闭环控制器的输出电流参考值进行交流电容电流的补偿后，获取参考电流矢量
Figure FDA0002768078060000021
的矢量角θ和矢量幅值Iref。
5.根据权利要求1所述的空间矢量调制方法，其特征在于，所述式(4)的获取包括：根据所述采样周期Ts开始处的作用时间T1s和T12s，采样周期Ts结束处的作用时间T1e和T12e，以及采样周期Ts开始处和结束处的电角度θe和θs，获取时间曲线T1和T1+T2的拟合线lm1和lm2，以及锯齿载波lc，
Figure FDA0002768078060000022
Figure FDA0002768078060000023
锯齿载波lc的表达式为式(3)：
Figure FDA0002768078060000024
根据分别求lm1，lm2和锯齿载波lc的交点，进行获取所述式(4)。
6.电流源型变流器系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括权利要求1-5任一项所述空间矢量调制方法的矢量作用时间T1f和T12f，将所述矢量作用时间T1f和T12f与锯齿载波信号进行比较，当载波信号值小于T1f时，作用电流矢量为I1,当载波信号值大于T1f并且小于T12f时，作用电流矢量为I2，当载波信号值大于T2f并且小于Ts时，作用电流矢量为I7，由此生成空间矢量的作用序列；
根据空间矢量的作用序列生成对应的开关脉冲，用于控制电流源型整流器和逆变器，在实现系统闭环控制目标的同时可以有效减小电网侧以及负载侧的电流谐波。
7.电流源型变流器系统，所述电流源型变流器包括位于交流侧的三相电网与LC滤波器相连；所述LC滤波器与电流源型整流器相连；所述电流源型整流器与母线电感相连；所述母线电感与电流源型逆变器相连；所述电流源型逆变器与交流电容相连；所述交流电容与三相负载相连；其特征在于，所述电流源型整流器和所述电流源型逆变器均由处理器控制，所述处理器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述空间矢量调制方法的步骤。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117254473A (zh) * 2023-11-20 2023-12-19 国网天津市电力公司经济技术研究院 一种含储能的pwm电流源型潮流转供装置

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