CN112636618B - 一种降低vienna整流器电流过零点畸变的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制方法，根据整流器的运行状态分析了VIENNA整流器电流过零点畸变的原理；然后分析了整流器的空间矢量图以及六个电流过零点处的可用矢量和不可用矢量，并弃用不可用矢量，在可用矢量中选择最优调制方法合成偏差最小的参考电压矢量，实现了电流过零点处电流的最小畸变。

Description

一种降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术应用领域，尤其是降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制方法领域。

背景技术

随着现代电力电子技术的迅速发展，电力电子设备应用较为广泛；但是，由于电力电子器件的非线性特性导致大量的谐波和无功功率注入电网，对电网造成了严重的谐波污染，电力系统的电能质量降低。电能质量降低的影响主要有：(1)影响供电系统的稳定运行，供电系统中继电器等敏感性器件会受到高频谐波的干扰而导致误动作；(2)影响电网的质量，高频次谐波电流会使电压畸变，产生同频次的功率，增加线路损耗，浪费电网容量；(3)影响无功补偿设备，无功补偿设备很容易受谐波干扰，大量的谐波的存在，容易造成高压电容过电流和过负荷，使电容异常发热、涨肚、甚至爆炸。另外谐波还会加快电容器绝缘介质的老化，缩短电容的寿命。(4)影响电力变压器的使用，谐波电流的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，降低变压器的工作效率，缩短变压器的使用寿命。(5)影响用电设备，谐波电流的存在会影响精密测量等器件的精度，使异步电动机效率降低，干扰通讯设备等；因此,功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)电路应运而生；PFC电路主要具备两个功能，第一个功能是保证输入电流相位与电网输入电压相位相同，实现PFC电路单位功率因数运行，第二个功能是保证稳定的直流电压输出，为后级的DC-DC变换器或负载提供稳定的直流电压；

目前，研究一种输入电流谐波小、功率因数高的PWM(Pulse Width Modulation)功率因数校正电路对减少电网谐波污染具有重要意义。与传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流电路相比，三电平PWM整流器可以实现较小的交流侧电压变化率dv/dt和更低的输入电流谐波含量，因而非常适合中、大容量的整流应用场合。其中，三电平维也纳(Vienna)整流器是一种性能优良的三电平PFC拓扑结构，具有功率密度等级高、谐波含量小、耐压等级高、无须考虑死区、开关器件少等优点，因此得到了广泛的应用。同时在能量只需单向流动的场合，三电平VIENNA整流器已成为一种主流拓扑结构；然而，降低三电平VIENNA整流器系统可靠性和安全性的主要问题为三电平VIENNA整流器存在固有的三相电流过零点畸变问题，对电网造成一定的谐波污染，导致功率因数下降；产生此问题的原因是三电平VIENNA整流器拓扑结构具有一定的特殊性，滤波电感上的压降使得电流矢量和参考电压矢量存在一定的相位差，当VIENNA整流器调制度较高且电流过零点时，VIENNA整流器按照固有的调制策略输出参考电压矢量会产生错误的电压矢量，从而导致三相电流波形畸变。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制方法，包括如下步骤：

步骤1.实时采集电网电压相量Ex、电流相量Ix、整流器最大线电压输出电压的峰值u_line,max以及直流侧电压2u_dc，以计算出整流器桥臂输出参考电压相量和电流相量之间的夹角θ；

步骤2.基于所述夹角θ确定出VIENNA整流器的临界调制度m_cri，并基于所述最大线电压输出电压的峰值u_line,max、直流侧电压2u_dc，计算出调制度m；

步骤3.基于所述临界调制度m_cri、调制度m以及预设的VIENNA整流器的畸变区域、约束条件判断整流器桥臂输出电压矢量u是否进入畸变区域，若为是，则进入步骤4；

其中，所述畸变趋于、约束条件的设置方式为：根据VIENNA整流器中内管Sx(x＝a,b,c)的状态，及内管Sx及不同的电流ix方向下，计算得出整流器桥臂x相的输出电平Lx；并根据电平Lx确定出VIENNA整流器的畸变区域、约束条件；

步骤4.根据所述约束条件选出可用的矢量，并在可用矢量中通过合成偏差最小的参考电压矢量方式实现降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤一中整流器桥臂输出参考电压相量和电流相量之间的夹角θ满足关系：tanθ＝|ωL_sI_x|/|E_x|，其中，Ex为电网电压相量、Ix为电流相量。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤2中的VIENNA整流器的临界调制度m_cri：

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤3中的调制度m满足关系为

m＝u_line,max/2u_dc。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤4中输出电平Lx与Sx满足的关系为：

L_x＝sign(i_x)·S_x。

作为本发明的进一步优化方案，所述畸变区域：i_x>0且u_x<0和i_x<0且u_x>0的区域，VIENNA整流器能正常运行的约束条件：ix>0时，无法输出-1电平；ix<0时，无法输出1电平。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤5中调制度m与临界调制度m_cri之间的关系满足下列关系：

当m<m_cri时，整流器桥臂输出电压矢量u不会进入畸变区域；

当m>m_cri时，整流器桥臂输出电压矢量u将进入畸变区域。

作为本发明的进一步优化方案，所述步骤6中将可用的电压矢量u₁作用时间的占空比为d(d∈[0,1])，可用的矢量u₂作用时间的占空比为为(1-d)；

并将上述的参数带入整流器实际输出电压失真程度的函数F(d)中，即

F(d)＝[du_α,1+(1-d)u_α,2-u_α,ref ^*]²+[u_β,1+(1-d)u_β,2-u_β,ref ^*]²

F(d)函数代表整流器实际输出电压矢量与整流器目标输出电压矢量(即参考电压矢量)之间的偏差；

求解F(d)函数的最小值，此时d满足

其中u_α,1、u_α,2、u_β,1和u_β,2均为与u_dc相关的常数，u_α,ref ^*和u_β,ref ^*为已知的整流器目标输出电压；参考电压矢量为u_ref*＝u_α,ref*+ju_β,ref*，u₁＝u_α,1+ju_β,1和u₂＝u_α,2+ju_β,2。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用弃用矢量和选择最优矢量合成的调制方法，没有从根本上改变系统电压和电流的方向，不会明显降低整流器的功率因数；

2)此外，无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现。

附图说明

图1为VIENNA整流器的主电路图；

图2为VIENNA整流器电压电流的相位关系图；

图3为VIENNA整流器的空间矢量图；

图4为VIENNA整流器电流过零点不会产生电流畸变的空间矢量图；

图5为VIENNA整流器电流过零点会产生电流畸变的空间矢量图；

图6为T字型三电平整流器在处理电流过零点时的开关序列；

图7为VIENNA整流器无电流过零点处理的开关序列；

图8为VIENNA整流器注入共模电压时的开关序列；

图9为VIENNA整流器采用本发明提出的调制方法时的开关序列；

图10为VIENNA整流器在整个电流过零点区域输出电压的畸变量计算图；

图11为VIENNA整流器带动小负载且不添加过零点处理的波形；

图12为VIENNA整流器带动小负载且添加过零点处理的波形；

图13为VIENNA整流器带动大负载且不添加过零点处理的波形；

图14为VIENNA整流器带动大负载且添加过零点处理的波形；

图15为本发明的调制方法流程图；

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。

一种降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制方法，

以下结合具体实施例，并参照附图，通过采用本发明控制方法控制VIENNA整流器的控制过程来进行详细说明，其中，本实施例的一些控制技术参数为：直流侧电压为720V，直流上下电容容值为3900μF，功率较小的负载1为120Ω，功率较大的负载2为80Ω，开关频率为16000Hz，基频为50Hz；

图1所示的为VIENNA整流器的拓扑结构，其中，ex(x＝a,b,c)为三相交流输入电网相电压，ix为网侧输入电流；ux为整流器桥臂输出电压；Ls和Rs分别为三相交流侧输入电感的电感值和电阻值；

在ABC轴系下，VIENNA整流器的电压平衡方程为：

因为VIENNA整流器一般工作于网侧单位功率因数，即E_x和I_x同相位；在稳态时，电网电压相量E_x、电流相量I_x和整流器桥臂输入电压相量U_x满足如下关系：

U_x＝E_x-jωLI_x-R_sI_x (2)

考虑到，电感的寄生电阻一般较小，可以忽略，即Rs＝0，则(2)可以简化为：

U_x＝E_x-jωLI_x

图2给出了电网电压相量E_x、电流相量I_x和整流器输入电压相量U_x的波形和相量图；

其中θ为整流器桥臂输出电压相量和电流相量之间的夹角，其代表了VIENNA整流器的整流器侧的功率因数角，θ满足下式：

tanθ＝|ωL_sI_x|/|E_x| (3)

定义调制度m为整流器最大线电压输出电压的峰值u_line,max与直流侧电压2u_dc之比，则m的表达式如下：

m＝u_line,max/2u_dc (4)

在这种定义下，整流器输入电压相量U_x的合成轨迹刚好可以达到矢量六边形的内切圆。

以开关函数S_x(x＝a,b,c)表示内管的状态；此时，当内管导通时，S_x＝1；当内管关断时，S_x＝0；

在S_x＝1时，不论电流为正或为负，整流器该相输出均与O点相连，定义这种状态为0电平；

在S_x＝0时，当电流为正时，电流通过二极管D_x1与正母线相连，定义这种状态为1电平；

当电流为负时，电流通过二极管D_x2与负母线相连，定义这种状态为-1电平；

则整流器桥臂x相的输出电平L_x可以如下式确定。

L_x＝sign(i_x)·S_x (5)

表2 VIENNA整流器输出电平分析

从上述描述可知，VIENNA整流器的输出电平不仅与内管的开关状态有关，也与电流的方向有关；

为了使VIENNA整流器能正常运行，以下约束条件必须满足：

i_x>0时，无法输出-1电平；i_x<0时，无法输出1电平。

这也是VIENNA整流器与三电平T字形PWM整流器的最大区别。

三相的每种状态可以确定一个矢量，例如矢量[1,-1,-1]表示A相输出1电平，B和C相都输出-1电平；因此，可以得到如图3所示的VIENNA整流器的空间矢量图；

在理想情况下，整流器输入电压、网侧输入电流以及电网电压的相位均相同(θ＝0)，任意整流器输入电压可由其相邻三个矢量合成，整流器桥臂输出电压不会失真；

在实际工作时，整流器输入电压滞后网侧输入电流的角度θ不为零；以B相电流由负到正的过零点为例，此时VIENNA整流器的局部空间矢量图如图4所示，u和i分别代表整流器桥臂输出电压矢量和输入电流矢量，它们应该保持同相位。ωt为A相电压的相位角，也代表了电网的相位角。当ωt＝π/6时，电流矢量i与α轴夹角为π/6，B相电流由负到正过零。

下面仅考虑调制度较高(m>0.577)且θ<π/6的情形，即u位于图4中阴影所示区域；

当B相电流由负到正刚完成过零时，有i_a>0，i_b>0且i_c<0，以下约束条件必须被满足：A和B相不能输出-1电平，C相不能输出1电平；

在一般的三电平T字形整流器中，合成该区域的电压矢量为[1,0,0](对应的冗余矢量为[0,-1,-1])、[1,-1,-1]、[1,0,-1]、[0,0,-1](对应的冗余矢量为[1,1,0]),即在该区域内的任何电压都可被合成；

而在VIENNA整流器中，考虑到上述约束条件，矢量[0,-1,-1]和[1,-1,-1]无法被输出；其余矢量仍可正常输出。

下面分这两种情形讨论：

(1)整流器桥臂输出电压矢量u位于A2扇区，此时A2扇区的三个顶点上，各自至少有一个矢量可以被正常输出；因此，u可以被[1,0,0]、[1,0,-1]、[0,0,-1]([1,1,0])正常合成，不会失真；并且存在冗余矢量对[0,0,-1]和[1,1,0]，在这一过程中可以通过调节冗余矢量作用时间调节中点电压。

(2)整流器桥臂输出电压矢量u位于A3扇区，此时合成该区域的矢量中，只有[1,0,0]和[1,0,-1]可被输出，[1,-1,-1]和[0,-1,-1]无法被输出，u无法被正常合成，若仍按照原有调制策略输出内管的开关信号，矢量[1,-1,-1]将被迫输出[1,1,-1]，导致输出电压波形出现严重失真。

综上所述，整流器桥臂输出电压矢量u位于A2和A3扇区的分界线就是整流器输出电压是否会产生畸变的分界线。

同时从图4可以看出，

当调制度m较小时，整流器桥臂输出电压矢量u位于A2扇区；

当调制度m较大时，整流器桥臂输出电压矢量u位于A3扇区；

当整流器桥臂输出电压矢量u位于A2扇区和A3扇区分界线时，此时对应的调制度为临界调制度m_cri；

由三角形的正弦定理可得临界调制度m_cri与θ的关系为：

进而，可以求出m_cri为：

因此，VIENNA整流器在电流过零点处，

当m<m_cri时，整流器桥臂输出电压矢量u不会进入A3扇区；

当m>m_cri时，整流器桥臂输出电压矢量u将进入A3扇区；

虽然这里只分析了B相电压由负到正过零的情形，但是其余电流过零情形分析与此类似，因此，在这里不再进行赘述；

综上所述，调制度m越高，θ角度越大，进入畸变区域的可能性越大。在畸变区域内，电压矢量无法被准确合成。

根据上述分析得到的结论，下面进一步的探讨电压矢量合成误差最小的调制方式；这里仍以B相电流从负到正的过零点时为例，当整流器桥臂输出电压矢量u位于A3扇区时，整流器实际输出电压矢量只能由矢量[1,0,0]和[1,0,-1]合成，此时造成的输出电压畸变将是不可避免的；

为了进一步的分析，引入量化整流器实际输出电压失真程度的函数F(d)，即用来表示整流器实际输出电压矢量与整流器目标输出电压矢量(即参考电压矢量)之间的偏差；

F(d)＝[du_α,1+(1-d)u_α,2-u_α,ref ^*]²+[u_β,1+(1-d)u_β,2-u_β,ref ^*]² (8)

其中，控制条件为一个控制周期为Ts，矢量[1,0,0]作用时间的占空比为d(d∈[0,1])，矢量[1,0,-1]作用时间的占空比为(1-d)；

参考电压矢量为u_ref*＝u_α,ref*+ju_β,ref*，u₁＝u_α,1+ju_β,1和u₂＝u_α,2+ju_β,2为矢量[1,0,0]和[1,0,-1]的具体表达式，在本文中u₁＝1+j0，

为了最大程度降低输出电压的失真,这里函数F(d)应取得最小值；

将上述(8)式化简可得，F(d)为二次项系数大于零的二次函数，可解得函数F(d)取最小值时对应的d值为：

其中，u_α,1、u_α,2、u_β,1和u_β,2均为与u_dc相关的常数，u_α,ref ^*和u_β,ref ^*为已知的整流器目标输出电压；

因此每个控制周期矢量[1,0,0]占空比d的具体值可由(9)式解出，然后将(9)式所得到的d值带入(8)式中，可以得到整流器实际输出电压矢量与整流器目标输出电压矢量之间的最小偏差，即为F_min。

实际中,整流器一共有六个电流过零点，当调制度m>m_cri时，每个过零点处可用的矢量都只有两个；故本发明以B相电流由负到正过零为例，列出了F(d)的表达式，其余五个过零点的情况类似，故在此不再赘述；

为了更加清晰地表示本文提出的输出电压失真最小的调制方法，本文分析了B相电流由负到正过零点且参考电压矢量位于A3扇区时整流器的开关序列图，如图6至9所示，即给出了B相电流刚完成由负到正过零时，参考电压矢量位于A3区域内的几种开关序列；

在图6给出了T字型三电平整流器在此情况下的开关序列，因为每相输出状态不受电流的限制，因此该开关序列可以准确地合成出参考电压矢量；

图7给出了在上述同样条件下，VIENNA整流器无过零处理时的开关序列，因为B相无法输出-1电平，所以状态[0,-1,-1]和[1,-1,-1]被强行修改为[0,1,-1]和[1,1,-1]，该开关序列无法准确地合成出参考电压矢量；

图8给出了在上述同样条件下，向VIENNA整流器注入共模电压的开关序列，此时A相输出电压被钳位到正母线，但仍存在状态[1,-1,-1]被强行修改为[1,1,-1]，该开关序列仍然无法准确地合成出参考电压矢量；

图9给出了在上述同样条件下，采用量化函数后VIENNA整流器的开关序列，此时A和B相输出电压分别被钳位到正母线和中线，输出电压由矢量[1,0,-1]和[1,0,0]合成，尽管该开关序列无法准确合成出参考电压矢量u_ref ^*，但可以确保合成误差最小；

更进一步的，下面从几何的角度解释参考电压矢量合成误差最小的调制方式，如图10所示，在B相电流由负到正过零的前后一段时间内，参考电压矢量位于A3扇区；

在过零之前，构成A3扇区顶点的所有矢量都可以用来合成参考电压矢量；但在过零之后，矢量[1,-1,-1]和[0,-1,-1]不能用来合成参考电压矢量；

当ωt＝π/6时，B相电流为零，此时参考电压矢量顶点为P点，OP连线与A相轴线夹角为π/6-θ；

随着ωt的增大，参考电压矢量顶点沿着其轨迹圆逆时针旋转，当参考电压矢量顶点达到电压矢量[1,0,-1]和[1,0,0]之间的连线与矢量轨迹圆的交点，即Q点时，参考电压矢量离开A3扇区，将OQ之间的连线与A相轴线的夹角记为γ；

电压矢量合成误差最小的调制方式即为当轨迹圆位于PQ弧线上时，通过瞬时参考电压矢量的位置向电压矢量[1,0,-1]和[1,0,0]之间的连线做垂线，交点即为实际发出的电压矢量；

例如当参考电压矢量位于P时，实际发出的矢量为M。PM之间线段的长度的平方即为F_min。并且可以看出，F_min是随着参考电压矢量的旋转而逐渐减小的，当ωt＝π/6时，F_min达到它的最大值，该值记作F_max；

由上文分析可得：当ωt∈[π/6,γ+θ]时，参考电压矢量的轨迹为轨迹圆上P到Q的弧线，实际发出电压矢量的轨迹为线段MQ；因此，阴影区域面积即为B相电流由负到正过零整个过程中输出电压的畸变量。

为简化运算，本文以三角形PMQ的面积S等效阴影区域面积。

由图10所示的几何关系可得角度γ的表达式如下：

进而，可以求出S的表达式如下：

为了验证本发明所提供的调制方法的控制性能，下面将本发明所提出的调制方法和传统的VIENNA整流器调制方法进行比较；

其中，图11和图13分别为不添加电流过零点处理的方法时，VIENNA整流器带动负载1和负载2的波形；

对比图11和图13可以看出，电流的大小影响了整流器交流侧相电压相量和相电流相量夹角θ，当电流较小时，θ也较小，电流过零点畸变不明显，反之，当电流较大时，θ也较大，电流畸变也较明显；

将图11和图12、及图3和图14分别在同种负载条件下，在电流过零处采用不同处理方法的波形；

从图11和图12以及图13和图14的对比中可以看出，在电流过零处采用本文所提出的调制方法后，整流器交流侧电流畸变明显降低；而且在功率越高的场合，此调制方法的作用越明显；

因此，本发明从理论和实验两方面验证了所提出的调制方法在处理VIENNA整流器电流过零点畸变问题的可行性；

本发明中使用的VIENNA整流器常用于中、高压大功率场合，而此调制方法在功率越高的场合，作用效果越明显，在实际工程中具有较大意义。

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 (1)

1.一种降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制方法,其特征在于：包括以下步骤:

步骤1.实时采集电网电压相量E_x、电流相量I_x、整流器最大线电压输出电压的峰值u_line,max以及直流侧电压2u_dc，以计算出整流器桥臂输出参考电压相量和电流相量之间的夹角θ，其中，夹角θ满足关系：tanθ＝|ωL_sI_x|/|E_x|，L_s为三相交流侧输入电感的电感值；

步骤2.基于所述夹角θ确定出VIENNA整流器的临界调制度m_cri，并基于所述最大线电压输出电压的峰值u_line,max、直流侧电压2u_dc，计算出调制度m，其中，

m＝u_line,max/2u_dc；

步骤3.基于所述临界调制度m_cri、调制度m以及预设的VIENNA整流器的畸变区域、约束条件判断整流器桥臂输出电压矢量u是否进入畸变区域，若为是，则进入步骤4；

其中，所述畸变区域、约束条件的设置方式为：根据VIENNA整流器中内管S_x的状态，及内管S_x及不同的电流i_x方向下，计算得出整流器桥臂x相的输出电平L_x；并根据电平L_x确定出VIENNA整流器的畸变区域、约束条件，其中，输出电平L_x与S_x满足的关系为：

L_x＝sign(i_x)·S_x其中，x＝a,b,c；

所述畸变区域：i_x>0且u_x<0和i_x<0且u_x>0的区域，VIENNA整流器能正常运行的约束条件：i_x>0时，无法输出-1电平；i_x<0时，无法输出1电平，其中，u_x为整流器桥臂输出电压；

基于所述临界调制度m_cri、调制度m以及预设的VIENNA整流器的畸变区域、约束条件判断整流器桥臂输出电压矢量u是否进入畸变区域包括：

当m<m_cri时，整流器桥臂输出电压矢量u不会进入畸变区域；

当m>m_cri时，整流器桥臂输出电压矢量u将进入畸变区域；

步骤4.根据所述约束条件选出可用的矢量，并在可用矢量中通过合成偏差最小的参考电压矢量方式实现降低VIENNA整流器电流过零点畸变的调制，具体为：

将可用的电压矢量u₁作用时间的占空比为d，其中，d∈[0,1]，可用的矢量u₂作用时间的占空比为(1-d)；并将上述的参数带入整流器实际输出电压失真程度的函数F(d)中，即

F(d)＝[du_α,1+(1-d)u_α,2-u_α,ref ^*]²+[u_β,1+(1-d)u_β,2-u_β,ref ^*]²

F(d)函数代表整流器实际输出电压矢量与整流器目标输出电压矢量之间的偏差，所述整流器目标输出电压矢量为参考电压矢量；

求解F(d)函数的最小值，此时d满足：

其中u_α,1、u_α,2、u_β,1和u_β,2均为与u_dc相关的常数，u_α,ref ^*和u_β,ref ^*为已知的整流器目标输出电压；参考电压矢量为u_ref ^*＝u_α,ref ^*+ju_β,ref ^*，u₁＝u_α,1+ju_β,1和u₂＝u_α,2+ju_β,2。

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