CN113472223A - 一种电网不平衡下Vienna整流器的控制方法 - Google Patents

一种电网不平衡下Vienna整流器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，属于电能变换领域。本发明的主要方法包括电网正交信号以及电网频率的计算、不平衡电网下电流参考值的计算，实现航空宽变频电网不平衡下Vienna整流器的控制，抑制其输入电流谐波和输出电压波动。本发明方法针对整流器，由于目前应用于航空宽变频电网的针对三相不平衡下整流器控制的方法较少，该方法为三相整流器提供了一种新的控制策略。本发明无需三相锁相环以及电网正负序分量计算，控制算法简单，且适用于频率在360~800Hz范围变化的航空宽变频电网，能保证Vienna整流器在电网不平衡工况下维持高功率因数运行和稳定的直流输出电压。

Description

一种电网不平衡下Vienna整流器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于三相三电平三开关(Vienna)整流器的在电网不平衡下的控制方法，属于电能变换领域。
背景技术
随着多电飞机以及全电飞机技术的发展，机载设备对电源容量的需求越来越大，飞机电源系统中越来越多地采用交流变频供电系统，即通过航空发动机直接拖动发电机产生三相变频交流输入，其电压有效值为115V，频率为360～800Hz。在航空供电系统中，由于其系统相对独立且内阻较大，对电网电流谐波含量有很高的要求，具有功率因数校正(PFC)功能的三相整流器在电网中尤为重要。其中三相三电平三开关(Vienna)整流器具有高效率、低谐波含量、高功率密度、低电压应力等优点，非常适合应用于航空供电系统。
Vienna整流器作为三相有源功率因数校正装置，其输入输出性能与电网质量密切相关。在实际应用中，电网会出现三相不平衡、相位偏差等异常工作状况，导致电网电压不仅存在正序分量，还包含负序和零序分量。由于负序分量的存在，若采用常规的dq坐标系下电压电流双环PI控制，会导致整流器直流侧存在二次纹波，输出电压不稳定，同时会在输入电流中引入谐波，造成电流畸变，严重时会导致整流设备异常工作甚至脱离电网。
目前，针对电网不平衡下Vienna整流器的控制方法主要应用于50Hz或60Hz工频电网，通常利用双dq坐标变换的矢量控制法，提取电网正负序分量并分别进行控制，再通过矢量调制方法实现，计算非常繁琐，会占用数字控制器大量资源，并且仅适用于定频场合，无法应用于航空宽变频电网。在航空电网出现不平衡状况时，采用一种较为简单的控制方法，抑制直流输出的二次纹波，减小输入电流畸变，维持Vienna整流器输入输出性能是十分必要的。
发明内容
本发明的目到是为了实现Vienna整流器在电网不平衡下的运行控制，解决整流器输入电流畸变和输出电压存在二次纹波的问题，可以维持整流器单位功率因数和直流电压的稳定。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：
一种电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、采样电网中Vienna整流器的三相输入电压信号va、vb、vc，三相输入电流信号ia、ib、ic和输出电压信号Vdc；
步骤二、将三相输入电压信号va、vb、vc通过带有锁频环结构的二阶广义积分器计算，得到移相90°的三相输入电压正交信号qva、qvb、qvc以及电网频率ω；
步骤三、将输出电压参考值Vdc_ref与采样得到的输出电压Vdc比较作差，得到输出电压与实际值之间的误差，将误差送入比例-积分调节器，从而构成Vienna整流器的电压环，电压环的输出为km；
步骤四、将电压环输出km与三相输入电压正交信号qva、qvb、qvc按照如下公式计算，得到三相电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_ref；
ia_ref＝km(-qvb+qvc)
ib_ref＝km(-qvc+qva)
ic_ref＝km(-qva+qvb)
步骤五、将上步三相电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_re与采样的三相输入ia、ib、ic比较作差得到的误差送入准比例-谐振调节器，将计算出的电网频率ω作为准比例-谐振调节器的谐振频率，从而构成Vienna整流器的电流环；
步骤六、将Vienna整流器电流环的输出Ua、Ub、Uc分别叠加零序分量Uoffset，从而得到三相调制波Ux,offset，x＝a,b,c；
步骤七、将三相调制波Ux,offset与三角载波进行交截，得到开关管的导通时间Tx,on，x＝a,b,c；
步骤八、依据开关管的导通时间Tx,on，x＝a,b,c得到占空比信号，驱动开关管开通关断，实现整流器的控制。
进一步地，步骤六中所述三相调制波Ux,offset的计算公式为：
Ux,offset＝Ux+Uoffset，x＝a,b,c
Figure BDA0003138992630000021
其中Uoffset为零序分量，用于增加整流器的调制比，Umax、Umin为三相调制波Ux,offse的t最大值和最小值，通过比较三相调制波幅值大小获得。
进一步地，步骤七中所述开关管的导通时间Tx,on的计算公式为：
Figure BDA0003138992630000022
x＝a,b,c
其中Ts为单个开关周期的时间。
进一步地，所述电网适用于频率在360～800Hz范围变化的航空宽变频电网。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
1、本发明所提出的电网不平衡下的控制方法相比于传统的双坐标变换矢量控制法，不需要复杂的坐标变换和锁相运算，仅利用带锁频环的二阶广义积分器计算电网电压正交信号即可实现三相参考电流的给定，控制方法简单，有利于控制系统的实现。
2、本发明所提出的电网不平衡下的控制方法可以适用于360～800Hz宽变频航空电网。由于目前电网不平衡下三相整流器的控制方法主要应用于50Hz或60Hz工频电网，在宽变频电网中无法适用。该控制策略为Vienna整流器在飞机交流变频供电系统中的应用提供了一种有效的方法，一定程度上拓展了Vienna整流器在变频电网中的控制方法，填补了这方面的空白。
附图说明
图1是Vienna整流器电路图；
图2是本发明的控制策略框图；
图3是本发明采用的带锁频环的二阶广义积分器结构框图；
图4是本发明采用的准比例-谐振控制器结构框图；
图5是典型的载波和调制波交截波形的正半周调制结果；
图6是典型的载波和调制波交截波形的负半周调制结果；
图7是电网不平衡下采用常规电压电流双环PI控制整流器输入电流和输出电压仿真波形；
图8是电网不平衡下采用本发明所提出控制策略整流器输入电流和输出电压仿真波形；
图9是电网频率400Hz跳变到420Hz整流器输入电流和输出电压仿真波形；
图10是电网频率800Hz跳变到780Hz整流器输入电流和输出电压仿真波形；
图11是电网不平衡下采用常规电压电流双环PI控制整流器输入电流和输出电压实验波形；
图12是电网不平衡下采用本发明所提出控制策略整流器输入电流和输出电压实验波形；
图13是电网频率400Hz跳变到420Hz整流器输入电流实验波形；
图14是电网频率800Hz跳变到780Hz整流器输入电流实验波形。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所提的电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，主要包括电网正交信号以及电网频率的计算、不平衡电网下电流参考值的计算，实现航空宽变频电网不平衡下Vienna整流器的控制，抑制其输入电流谐波和输出电压波动。本发明方法针对整流器，由于目前应用于航空宽变频电网的针对三相不平衡下整流器控制的方法较少，该方法为三相整流器提供了一种新的控制策略。本发明无需三相锁相环以及电网正负序分量计算，控制算法简单，且适用于频率在360～800Hz范围变化的航空宽变频电网，能保证Vienna整流器在电网不平衡工况下维持高功率因数运行和稳定的直流输出电压。
实施例一：
图1所示为本发明所应用的Vienna整流器拓扑，图中va、vb、vc为三相输入电压，La、Lb、Lc为输入电感，D1～D6为二极管，S1～S6为开关管，C1、C2为输出电容，R0为负载。
图2所示为本发明电网不平衡下Vienna整流器控制方法原理图，本实施例中Vienna整流器开关频率为200kHz，DSP数字控制器的采样频率为100kHz，其运行时控制步骤包括以下几个部分：
1)DSP数字控制器采样电网中Vienna整流器三相输入电压信号va、vb、vc，三相输入电流信号ia、ib、ic和输出电压信号Vdc。
2)将三相输入电压信号va、vb、vc通过图3所示的带有锁频环结构的二阶广义积分器计算，得到移相90°的三相输入电压正交信号qva、qvb、qvc以及电网频率ω。
3)将输出电压参考值Vdc_ref减去采样得到的输出电压Vdc，得到输出电压与实际值之间的误差，将误差送入比例-积分调节器，构成Vienna整流器的电压环，电压环的输出为km。
4)将电压环输出km与三相输入电压正交信号qva、qvb、qvc按照公式(1)～(3)计算，得到三相电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_ref。
ia_ref＝km(-qvb+qvc) (1)
ib_ref＝km(-qvc+qva) (2)
ic_ref＝km(-qva+qvb) (3)
5)将电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_ref与电流采样信号ia、ib、ic的误差送入图4所示的准比例-谐振调节器，将计算出的电网频率ω作为准比例-谐振调节器的谐振频率，构成Vienna整流器的电流环。
6)将Vienna整流器电流环的输出Ua、Ub、Uc分别叠加零序分量Uoffset，从而得到三相调制波Ux,offset，零序分量Uoffset与三相调制波Ux,offset表达式如式(4)、(5)所示：
Figure BDA0003138992630000041
Ux,offset＝Ux+Uoffset，x＝a,b,c (5)
其中Uoffset为零序分量，用于增加整流器的调制比，Umax、Umin为三相调制波Ux,offset最大值和最小值，通过比较三相调制波幅值大小获得。
7)将调制波Ux,offset与三角载波进行交截，得到开关管的导通时间Tx,on，导通时间表达式如式(7)所示：
Figure BDA0003138992630000051
调制波和载波的交截方式需要根据调制波的正负决定，当调制波为正半周时采用同向载波交截，如图5所示；当调制波为负半周时采用反向载波交截，如图6所示。
8)依据开关管的导通时间得到三相占空比信号Da、Db、Dc，送入数字控制器的PWM模块输出三相驱动信号，实现整流器的控制。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。
为验证本发明的优越性与可行性，通过搭建仿真模型与实验样机，对本发明所提出的电网不平衡下Vienna整流器控制方法进行了仿真与实验验证。
仿真实例一：
利用本实施例的电网不平衡下Vienna整流器控制方法，在PLECS仿真软件上搭建仿真模型，模拟航空应用场合的Vienna整流器，其步骤如下：
1)设定输入电压有效值A相103V，B相115V，C相126V，三相电压存在10％不平衡度，输入电压频率400Hz，输出电压360V，输出功率4.5kW，开关频率200kHz，采样频率100kHz，输入电感150μH，输出电容440μF。
2)采用常规的电压电流双环PI控制，由图7可知整流器输入电流出现畸变，输入电流总谐波畸变率(THD)达4.89％，输出电压存在6V左右的二次纹波。
3)采用所提出的电网不平衡下控制方法，由图8可知整流器输入电流谐波含量大大减小，THD为1.6％，输出电压的二次纹波得到抑制。
4)设置在0.1s时刻电网频率由400Hz跳变至420Hz，由图9可见输入电流经过约20ms调节时间后恢复稳定，频率变化前后输入电流正弦度高，输出电压稳定。
5)重新设置电网频率为800Hz，其余电路参数不变，设置0.1s时刻电网频率由800Hz跳变至780Hz，由图10可见输入电流经过约15ms调节时间后恢复稳定，频率变化前后输入电流正弦度高，输出电压稳定。
由仿真结果可知，采用本发明所提控制方法，在三相不平衡输入下可以抑制Vienna整流器输入电流谐波和输出电压二次纹波，在电网频率发生变化时仍可以保持控制效果。
实验实例一：
利用本实施例的电网不平衡下Vienna整流器控制方法，通过4.5kW航空Vienna整流器样机平台进行实验验证，其步骤如下：
1)设置三相输入源输入电压有效值A相103V，B相115V，C相126V，三相电压存在10％不平衡度，输入电压频率400Hz，输出电压360V，输出功率4.5kW，开关频率200kHz，采样频率100kHz，输入电感150μH，输出电容440μF。
2)采用常规的电压电流双环PI控制，由图11可知整流器输入电流出现畸变，输入电流总谐波畸变率(THD)达8.54％，输出电压存在3.5V左右的二次纹波。
3)采用所提出的电网不平衡下控制方法，由图12可知整流器输入电流谐波含量大大减小，THD为4.75％，输出电压的二次纹波得到抑制。
4)设置三相源输入频率由400Hz跳变至420Hz，由图13可见输入电流经过约5ms调节时间后恢复稳定。
5)设置三相源输入频率由800Hz跳变至780Hz，由图14可见输入电流经过约4.35ms调节时间后恢复稳定。
由实验结果可知，采用本发明所提控制方法，在三相不平衡输入下可以抑制Vienna整流器输入电流谐波和输出电压二次纹波，在电网频率发生变化时仍可以保持控制效果。

Claims (4)

1.一种电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采样电网中Vienna整流器的三相输入电压信号va、vb、vc，三相输入电流信号ia、ib、ic和输出电压信号Vdc；
步骤二、将三相输入电压信号va、vb、vc通过带有锁频环结构的二阶广义积分器计算，得到移相90°的三相输入电压正交信号qva、qvb、qvc以及电网频率ω；
步骤三、将输出电压参考值Vdc_ref与采样得到的输出电压Vdc比较作差，得到输出电压与实际值之间的误差，将误差送入比例-积分调节器，从而构成Vienna整流器的电压环，电压环的输出为km；
步骤四、将电压环输出km与三相输入电压正交信号qva、qvb、qvc按照如下公式计算，得到三相电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_ref；
ia_ref＝km(-qvb+qvc)
ib_ref＝km(-qvc+qva)
ic_ref＝km(-qva+qvb)
步骤五、将上步三相电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_re与采样的三相输入ia、ib、ic比较作差得到的误差送入准比例-谐振调节器，将计算出的电网频率ω作为准比例-谐振调节器的谐振频率，从而构成Vienna整流器的电流环；
步骤六、将Vienna整流器电流环的输出Ua、Ub、Uc分别叠加零序分量Uoffset，从而得到三相调制波Ux,offset，x＝a,b,c；
步骤七、将三相调制波Ux,offset与三角载波进行交截，得到开关管的导通时间Tx,on，x＝a,b,c；
步骤八、依据开关管的导通时间Tx,on，x＝a,b,c得到占空比信号，驱动开关管开通关断，实现整流器的控制。
2.根据权利要求1所述电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，其特征在于：步骤六中所述调制波Ux,offset的计算公式为：
Ux,offset＝Ux+Uoffset，x＝a,b,c
Figure FDA0003138992620000011
其中Uoffset为零序分量，Umax、Umin为三相调制波Ux,offset的最大值和最小值。
3.根据权利要求1或2所述电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，其特征在于：步骤七中所述开关管的导通时间Tx,on的计算公式为：
Figure FDA0003138992620000021
其中Ts为单个开关周期的时间。
4.根据权利要求3所述电网不平衡下Vienna整流器的控制方法，其特征在于：所述电网适用于频率在360～800Hz范围变化的航空宽变频电网。
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