CN112886849B - 一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法，主要包括以下步骤：步骤S1：确定七相电流源型变流器基波、三次以及五次谐波平面上对应电流空间矢量与变流器开关管状态的关系；步骤S2：在每个开关周期Ts开始时，给定基波电流参考空间矢量
Figure DDA0002294799230000011
确定空间矢量所在扇区以及七种基波平面电流空间矢量；步骤S3：计算用于基波电流参考空间矢量
Figure DDA0002294799230000012
合成的七种基波平面电流空间矢量所对应的作用时间；步骤S4：确定开关管的占空比信号，控制变流器开关管的开通与关断。本发明抑制了三、五次等低次谐波分量，保证对输出电流的控制精度。

Description

一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法
技术领域
本发明涉及一种七相电流源型变流器的控制方法，特别涉及一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法。
背景技术
近年来，随着电动汽车充电桩、电子数据中心等集群型大功率直流负荷的快速发展，新型供电系统网架结构日趋复杂，能量流动方向不再固定，源荷位置分布随机。因此，变流器在现代电网与分布式可再生能源转换装置、电力电子负荷之间起到了必不可少的接口作用，已经成为极其重要的组成部分。
多相变流器作为一种极具应用前景的接口变流器，广泛使用在新型动力机车牵引以及舰船推进等低压大功率场合。其通过增加相数来降低对每一相功率器件容量的要求，是一种新型的功率变换解决方案。与传统的三相系统相比，多相系统的主要优点有：多相电机输出转矩密度更高，转矩波动更低，运行可靠性高；多相变流器直流母线电流波动较小；由于相数冗余，具备更好的容错运行能力，可以在缺相情况下继续运行。
相比于多相电压源型变流器(VSC)，多相电流源型变流器(CSC)具有拓扑简单、功率开关管数目少且直接串联方便、在开关频率较低的情况下仍然可以输出高质量的电流波形，短路特性可靠并满足四象限运行等特点，特别适合于中压大功率应用场合。在石油化工、船舶、水泥、采矿和金属和废水处理等行业中，通过对这些工业领域中应用的多相电机进行变频调速控制，可达到节能降耗的目的。
与三相电流源型变流器不同，多相电流源型变流器由于相数较多，调制方案较为复杂，调制参考电流矢量除在基波平面上存在投影外，还可在三次、五次谐波平面产生投影，进而导致输出电流存在难以消除的低次谐波，降低供电电能质量，严重时甚至会对用电设备造成损伤。尚未发现有关于七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法。
发明内容
针对现有技术对七相电流源型变流器的输出电流谐波抑制的不足，提供一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法，在保证输出电流有较高基波分量的同时，抑制了三、五次等低次谐波分量，确保七相电流源型变流器能够提供较好的交流电流，保证对输出电流的控制精度。
本发明基于七相电流源型交直流变流电路结构，变流器为七相全桥拓扑并由十四个功率开关管组成；通过以下技术方案实现的，主要包括以下步骤：
步骤S1：根据电流源型变流器的开关规则，确定七相电流源型变流器基波、三次以及五次谐波平面上对应电流空间矢量与变流器开关管状态的关系；
步骤S2：在每个开关周期Ts开始时，依据系统传输功率以及输出交流电流频率要求，给定基波电流参考空间矢量
Figure BDA0002294799210000021
其幅值为Iref,f，以角频率ω周期性变化，与α轴夹角θf为相角，据此确定本次开关周期内基波电流参考空间矢量所在扇区以及用于参考空间矢量合成的七种基波平面电流空间矢量；
步骤S3：根据步骤S2中给定的基波电流参考空间矢量幅值、相角信息计算用于基波电流参考空间矢量
Figure BDA0002294799210000022
合成的七种基波平面电流空间矢量所对应的作用时间；
步骤S4：根据步骤S3得到的用于基波电流参考空间矢量
Figure BDA0002294799210000023
合成的七种基波平面电流空间矢量和所对应作用时间，以及步骤S1得到的电流空间矢量与开关管状态关系，来确定开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明中采用基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)抑制七相电流源型变流器输出电流谐波，通过以给定电流参考空间矢量为基准，合理分配每个开关周期对应的七种空间矢量以及作用时间来实现。这种方法能够显著降低七相电流源型变流器输出电流中的三、五次等低次谐波，避免变流器输出七相交流电流的谐波污染，改善供电电能质量，提高功率密度和运行效率。同时，空间矢量脉冲调制方法具有调制灵活性高以及实现方便的特点，具有良好的数字化特性便于后续编程控制以及处理。
2.在空间矢量脉冲调制基础上的抑制电流谐波控制策略无需增加额外的电气设施，没有滞后具有实时性，不会降低电网的功率因数。
附图说明
图1为本发明具体实施例中七相电流源型逆变器的拓扑结构。
图2-1为本发明中七相电流源型变流器空间矢量在基波平面的分布示意图。
图2-2为本发明中七相电流源型变流器空间矢量在三次谐波平面的分布示意图。
图2-3为本发明中七相电流源型变流器空间矢量在五次谐波平面的分布示意图。
图3为本发明中的调制基波电流参考矢量合成方法示意图。
图4-1为传统三段法调制方案应用时七相电流源型变流器交流侧电流波形示意图。
图4-2为本发明方案应用时七相电流源型变流器交流侧电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明应用于七相电流源型变流电路结构，具体包括逆变电路和整流电路。
本实施例是基于七相电流源型逆变器的拓扑结构，如图1所示，其结构具体如下：七相电流源型逆变器1通过滤波器2为七相对称负载3提供功率；Ldc代表直流母线电感，idc为直流母线电流，其大小为Idc，S1～S14分别表示逆变器的14个开关管，iwa～iwg表示逆变器各相输出的开关电流，Cf和Lf分别表示逆变器输出侧的滤波电容和电感，iLa表示逆变器a相负载电流，RL表示逆变器交流侧负载。
本发明采用基于空间矢量脉宽调制抑制七相电流源型变流器输出电流谐波的方法，具体方法如下：
步骤S1：根据电流源型变流器的开关规则，确定七相电流源型变流器基波、三次以及五次谐波平面上对应电流空间矢量与变流器开关管状态的关系；
步骤S2：在每个开关周期Ts开始时，依据逆变器传输功率以及输出交流电流频率要求，给定基波电流参考空间矢量
Figure BDA0002294799210000031
(幅值为Iref,f，以ω的频率周期性变化，与α轴夹角θf为相角)，如图2-1所示，确定本次开关周期内基波电流参考空间矢量所在扇区以及用于矢量合成的七种电流空间矢量。
步骤S3：根据步骤S2中确定的基波电流参考空间矢量幅值、相角计算用于基波电流参考空间矢量
Figure BDA0002294799210000032
合成的七种电流空间矢量所对应的作用时间；
步骤S4：根据步骤S3得到的用于基波电流参考空间矢量
Figure BDA0002294799210000033
合成的七种电流空间矢量以及所对应的作用时间，确定开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。
以下为本发明更具体的实施方式：
步骤S1中：七相电流源型变流器的每一种有效矢量，都会在三个正交平面上投影形成该平面上对应的电流空间矢量。这三个平面分别是：基波平面(α-β)，三次谐波平面(x-y)和五次谐波平面(m-n)。根据多相系统的克拉克(Clarke)变换矩阵，可以得到对应七相电流源型变流器基波、三次以及五次谐波平面电流空间矢量正交电流分量的变换公式：
[iα iβ ix iy im in i0]T＝C[iwa iwb iwc iwd iwe iwf iwg]T (1)
式中，iα和iβ是基波平面上电流空间矢量的正交电流分量；ix和iy是三次谐波平面上电流空间矢量的正交电流分量；im和in是五次谐波平面上电流空间矢量的正交电流分量，i0是零序电流分量。克拉克变换矩阵C为：
Figure BDA0002294799210000041
由式(1)和(2)即可得到分布于如图2-1所示的基波(α-β)平面、如图2-2所示的三次谐波(x-y)平面、如图2-3所示的五次谐波(m-n)平面的空间矢量。
分布于基波平面的42个电流空间矢量根据幅值大小可以分为：14个大矢量
Figure BDA0002294799210000042
14个中矢量
Figure BDA0002294799210000043
和14个小矢量
Figure BDA0002294799210000044
其中，大矢量的幅值是0.56Idc，中矢量的幅值是0.45Idc，小矢量的幅值是0.25Idc。大矢量、中矢量和小矢量形成了三个同心的正十四边形，将基波平面均分成十四个扇区。同样，在三次谐波平面，42个有效矢量分为：14个大矢量
Figure BDA0002294799210000045
14个中矢量
Figure BDA0002294799210000046
和14个小矢量
Figure BDA0002294799210000047
在五次谐波平面，42个有效矢量分为：14个大矢量
Figure BDA0002294799210000048
14个中矢量
Figure BDA0002294799210000049
和14个小矢量
Figure BDA00022947992100000410
为方便提出调制策略的阐述，后续提及的大、中、小矢量均为基波平面的电流空间矢量。
步骤S2中：变流器基波电流参考矢量
Figure BDA00022947992100000411
所在扇区根据参考矢量与基波(α-β)平面α坐标轴的夹角θf确定，具体确定方式如图2-1所示。基波平面的每一个扇区都包含7个矢量，如图3所示，以基波电流参考矢量位于扇区I为例，扇区I包含两个大矢量(
Figure BDA00022947992100000412
和
Figure BDA00022947992100000413
)，两个中矢量(
Figure BDA00022947992100000414
和
Figure BDA00022947992100000415
)，两个小矢量(
Figure BDA00022947992100000416
和
Figure BDA00022947992100000417
)和一个零矢量
Figure BDA00022947992100000418
基波电流参考矢量由这7个矢量来合成。同样，当基波电流参考矢量位于其他扇区时由该扇区内对应的7个矢量合成。
步骤S3中：为抑制逆变器输出电流低次谐波分量，需要同时考虑基波、三次和五次谐波平面电流参考矢量对输出电流的影响。因此，提出的调制策略通过计算有效矢量的作用时间达到同时消除三次
Figure BDA00022947992100000419
和五次
Figure BDA00022947992100000420
谐波平面上电流参考矢量
Figure BDA00022947992100000421
的目的。
根据安秒平衡原理，在基波平面的扇区I有：
Figure BDA0002294799210000051
式中Ts为空间矢量调制的开关周期，t1，t2，t3，t4，t5和t6分别表示对应空间矢量的作用时间。如t1为空间矢量
Figure BDA0002294799210000052
的作用时间。
将式(3)表示为复数形式，可以得到：
Figure BDA0002294799210000053
同理，可以得到相应的三次谐波平面上的参考电流矢量
Figure BDA0002294799210000054
Figure BDA0002294799210000055
相应的五次谐波平面上的参考电流矢量
Figure BDA0002294799210000056
Figure BDA0002294799210000057
结合式(2)，(4)～(6)可以得到基波、三次和五次谐波平面上的电流分量与6个有效矢量作用时间之间的关系：
Figure BDA0002294799210000058
式中系数矩阵A为：
Figure BDA0002294799210000059
因此，有效矢量作用时间可以表示为：
Figure BDA0002294799210000061
设置谐波电流参考(iref,x＝iref,y＝iref,m＝iref,n＝0)为零，将该条件代入式(9)可以得到：
Figure BDA0002294799210000062
式中ma为调制比，如下式(11)所示。θs为电流参考矢量与扇区起始空间矢量(例如，扇区I内为
Figure BDA0002294799210000063
)的夹角，-π/14≤θs≤π/14，按照归一化方法，可将其他扇区通过下式(11)折算：
Figure BDA0002294799210000064
式中n为基波电流参考空间矢量所在扇区编号。
零矢量作用的时间(T0)为：
T0＝Ts-(t1+t2+t3+t4+t5+t6) (12)
步骤S4中：根据步骤S1中多相系统的克拉克(Clarke)变换矩阵，得到基波(αβ)平面空间矢量与变流器两个导通开关管的对应关系，如表1所示。
因此，变流器开关管的开关信号可由步骤S2和S3得到的电流空间矢量和对应时间确定。其中，零矢量对应7种开关状态，在本发明中，7种开关状态等效，任意选择一种即可。
表1为本发明得到的七相电流源型变流器空间矢量与两个导通开关管的对应关系
Figure BDA0002294799210000065
Figure BDA0002294799210000071
图4-1是七相电流源型变流器在采用三相电流源型变流器传统三段法调制策略(两个大矢量与一个零矢量)时的实验波形。图4-2是七相电流源型变流器在采用提出的调制策略(七个大矢量与一个零矢量)时的实验波形。两种调制方案的调制比均设定、直流母线电流、输出电流基波分量理论值均相同。其中，根据图4-1可以看出，采用传统三段法调制方案时逆变器交流侧负载电流中含有较高的三次和五次谐波，波形畸变严重，负载电流峰峰值明显较高。传统的三段法调制虽然能控制基波电流，但是会导致输出电流含有大量低次谐波。根据图4-2可以看出，采用提出的调制方案时，负载电流中三次和五次等低次谐波得到很好抑制，电流波形为七相对称正弦波，基波电流分量与理论值相近，电流峰峰值较低。
综上：本发明提出的基于空间矢量脉宽调制抑制七相电流源型变流器输出电流谐波的控制方法可以方便的应用于七相PWM电流源型变流器当中，起到很好的输出电流谐波抑制效果。该方法避免变流器输出七相交流电流的谐波污染，改善供电电能质量，提高功率密度和运行效率。同时，空间矢量脉冲调制方法具有调制灵活性高以及实现方便的特点，而且具有良好的数字化特性便于后续编程控制以及处理，是一种值得推广的新型变流器控制方法。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法，基于七相电流源型交直流变流电路结构，变流器为七相全桥拓扑并由十四个功率开关管组成；其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：根据电流源型变流器的开关规则，确定七相电流源型变流器基波、三次以及五次谐波平面上对应电流空间矢量与变流器开关管状态的关系；
步骤S2：在每个开关周期Ts开始时，依据系统传输功率以及输出交流电流频率要求，给定基波电流参考空间矢量
Figure FDA0003591070760000011
其幅值为Iref,f，以角频率ω周期性变化，与α轴夹角θf为相角，据此确定本次开关周期内基波电流参考空间矢量所在扇区以及用于参考空间矢量合成的七种基波平面电流空间矢量；
步骤S3：根据步骤S2中给定的基波电流参考空间矢量幅值、相角信息计算用于基波电流参考空间矢量
Figure FDA0003591070760000012
合成的七种基波平面电流空间矢量所对应的作用时间；
七种基波平面电流空间矢量所对应的作用时间t1，t2，t3，t4，t5，t6和T0为
Figure FDA0003591070760000013
Figure FDA0003591070760000014
零矢量作用时间T0为：
T0＝Ts-(t1+t2+t3+t4+t5+t6)
其中ma为调制比，Idc为直流母线电流大小，θs为电流参考矢量与扇区起始空间矢量的夹角，-π/14≤θs≤π/14，n为给定基波电流参考空间矢量所在扇区编号，Ts为开关周期；
步骤S4：根据步骤S3得到的用于基波电流参考空间矢量
Figure FDA0003591070760000021
合成的七种基波平面电流空间矢量和所对应作用时间，以及步骤S1得到的电流空间矢量与开关管状态关系，来确定开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中基波、三次以及五次谐波平面电流空间矢量的正交电流分量为
[iα iβ ix iy im in i0]T＝C[iwa iwb iwc iwd iwe iwf iwg]T
其中，iα和iβ是基波平面上电流空间矢量的正交电流分量；ix和iy是三次谐波平面上电流空间矢量的正交电流分量；im和in是五次谐波平面上电流空间矢量的正交电流分量，i0是零序电流分量；iwa～iwg表示逆变器各相输出的开关电流；
其中，Clarke变换矩阵C为：
Figure FDA0003591070760000022
。
3.根据权利要求1所述一种七相电流源型变流器输出电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S4采用多相系统的克拉克变换矩阵，得到基波α-β平面空间矢量与变流器开关管状态的对应关系。
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