CN114400911B - 三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，属于电力电子变换器控制技术领域，首先确定双闭环控制中的电压外环和电流内环的参数，然后通过判断调制度范围选择分界方式，将空间矢量图分成24个不均分的扇区，根据参考矢量相位θ判断参考矢量所处扇区、通过调制度m所处范围选择合成参考矢量的矢量序列，根据安秒平衡公式求得各矢量作用时间，将矢量作用时间通过载波比较产生驱动信号S₁～S₆，驱动三相电流源型变换器，最后利用仿真模型对方案进行验证。本发明提出的控制方法解决了传统的直流侧电感电流纹波抑制方案适用范围有限的问题，所提方法适用范围广泛、纹波抑制有效，网侧电流正弦化高，THD更低。

Description

三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法

技术领域

本发明涉及三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，属于电力电子变换器控制技术领域。

背景技术

PWM变换器根据直流侧储能元件分为电压源型变换器(Voltage source typerectifie，VSR)、电流源型变换器(Current source type rectifie,CSR)。由于VSR具有结构简单，损耗较低，控制简单等优点，因此广泛应用于工业应用中。VSR的特性本质为buck电路，具有升压特性，由于输出电压高于交流输入电压，电压无法从零开始调节，因此在工业应用中常需要两级式级联功率变换，才能灵活的进行电压调节，这不仅容易造成级联模块之间相互干扰，并且增大了系统体积和成本。而CSR的特性本质为boost电路，具有降压特性，电压可以从零开始调节，并且相比于VSR无过电流现象、过电压故障，可靠性高，但由于CSR结构与控制较为复杂，损耗较大，限制了其推广，然而随着超导技术的发展，CSR的损耗进一步降低，促进了它的进一步发展。CSR可应用于电动汽车超导储能系统、新能源发电系统、静止同步补偿器、多电飞机、有源电力滤波系统等。

CSR系统的功率密度、损耗、效率等指标极大程度上受直流侧电感的大小和性能的影响，因此为了获得电感电流纹波较小的恒定电感电流，在直流侧使用大电感，然而使用较大的电感会造成系统体积和成本的增加，在一些功率密度和效率要求较高的场合如静止同步补偿器和多电飞机等需要减小电感大小，然而小的直流侧电感又会造成较大的电感电流纹波，降低系统效率，引起网侧电流谐波畸变率增加。因此，在不改变硬件条件以及控制策略的基础上，研究电流源变换器直流侧电感电流纹波抑制具有重要意义。X.Guo等人在IEEETransactions on Industrial Electronics期刊发表论文《Optimal Space VectorModulation of Current-Source Converter for DC-Link Current Ripple Reduction》分析了不同矢量所产生的电感纹波，提出采用三个非零矢量构建开关序列，极大程度上抑制了电感纹波，但所提方案仅限于调制度

范围，无法在调制度

范围时实施；肖慧慧等人在电工技术学报发表论文《用于改善直流链电流纹波的CSR扇区优化调制策略》中提出了当调制度

范围，采用两个非零矢量和一个零矢量合成参考矢量，但当调制度

范围中的较小值时，其纹波较大，纹波抑制效果不明显，因此亟需一种适用范围广、抑制效果明显的直流侧电感电流纹波抑制策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，具有适用范围广、抑制效果明显、网侧电流正弦化高的优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，首先确定双闭环控制中的电压外环和电流内环的参数，然后通过判断调制度m范围选择分界方式，将空间矢量图分成24个不均分的扇区，根据参考矢量相位θ判断参考矢量所处扇区，通过调制度m所处范围选择合成参考矢量的矢量序列，根据安秒平衡公式求得各矢量作用时间，将矢量作用时间通过载波比较产生驱动信号S₁～S₆，驱动三相电流源型变换器，最后利用仿真模型对方案进行验证。

本发明技术方案的进一步改进在于包括如下步骤：

步骤1：首先确定双闭环控制中的电压外环和电流内环的参数，包括三相电网电压u_a、u_b、u_c，相电压峰值v_in、三相电网电流参考值I^* _{α_ref}、I^* _{β_ref}，调制度m、参考矢量相位θ和输出电压u_dc；

步骤2：将三相电流源型变换器的空间矢量图分成12个均分扇区，然后令线电压与输出电压u_dc相等，求得12个交点，将所述12个均分扇区分成不均分的且扇区宽度随着输出电压u_dc变化而实时变化的24个扇区；

步骤3：根据参考矢量相位θ判断参考矢量所处扇区，通过调制度m所处范围选择合成参考矢量的矢量序列；

步骤4：根据安秒平衡公式求得矢量作用时间，将矢量作用时间通过载波比较产生驱动信号S₁～S₆，驱动三相电流源型变换器；

步骤5：用Matlab/Simulink搭建仿真模型，对所提方案进行验证。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2将空间矢量图分成24个不均分的扇区的具体方法为：

令线电压和输出电压u_dc相等：

其中，u_ab、u_bc、u_ca、u_ba、u_cb、u_ac均为线电压；

根据功率守恒定律计算出输出电压u_dc的表达式：

将式(2)代入式(1)，得出输出电压u_dc与线电压的12个交点，所述交点值由调制度m决定，当调制度m处于不同范围时，切分空间矢量图的12个分界点也不同，当调制度

采用分界方法1，当调制度

采用分界方法2，最终将空间矢量图分成不均分的且扇区宽度随着输出电压变化而实时变化的24个扇区。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤3的参考矢量合成方法为：

当调制度

时，采用相邻的三个非零矢量合成参考矢量；当调制度

时，采用两个非相邻的非零矢量和一个零矢量合成参考矢量。

本发明技术方案的进一步改进在于：当调制度m处于不同范围，根据安秒平衡公式计算得到合成参考矢量的各矢量作用时间也不同，当调制度

范围时，采用矢量作用时间1；当调制度

范围时，采用矢量作用时间2。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明提出的不均分扇区划分方案会根据调制度变化而实时变化，保证了在任何输出功率要求下，扇区划分方法都是最佳的，解决了传统空间矢量调制策略采用均分扇区而致使扇区内某个矢量与输出电压的差值不确定，从而产生的电感电流纹波大小不确定，最后使得该扇区内所采用的矢量序列在某些参考矢量相位范围内电感电流纹波抑制效果不佳的问题。所提方案解决了现有的直流侧电感电流纹波抑制方案中适用范围有限的问题，本发明适用于全调制度范围，并且纹波抑制效果明显，网侧电流正弦化高，THD更低。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明三相电流源型变换器的电路图；

图3为本发明的空间矢量扇区分布图；

图4为本发明的三相电流源型变换器直流侧电流纹波细分调制优化方法的网侧电流仿真图，调制度为0.7时；

图5为本发明的三相电流源型变换器直流侧电流纹波细分调制优化方法的直流侧电感电流以及扇区仿真图，调制度为0.7时；

图6为本发明的三相电流源型变换器直流侧电流纹波细分调制优化方法的网侧电流仿真图，调制度为0.3时；

图7为本发明的三相电流源型变换器直流侧电流纹波细分调制优化方法的直流侧电感电流以及扇区仿真图，调制度为0.3时；

图8为本发明的分界点示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：对图2所示的三相电流源型变换器进行双闭环控制，首先确定双闭环控制中的电压外环和电流内环的参数，包括三相电网电压u_a、u_b、u_c，相电压峰值v_in、三相电网电流参考值I^* _{α_ref}、I^* _{β_ref}，调制度m、参考矢量相位θ和输出电压u_dc；

步骤2：如图3所示，将三相电流源型变换器的空间矢量图分成12个均分扇区，然后令线电压与输出电压u_dc相等，求得12个交点，根据调制度m的范围，将原有的12个均分扇区分成24个不均分的扇区。按照调制度m范围，将空间矢量图分成24个不均分的扇区的具体方法为：

如图8所示，令线电压和输出电压u_dc相等：

其中，u_ab、u_bc、u_ca、u_ba、u_cb、u_ac均为线电压；

根据功率守恒定律计算出输出电压u_dc的表达式：

将式(2)代入式(1)，可以得出12个输出电压与线电压的交点，所述交点值由调制度m决定，如图8所示，以扇区1为例，当调制度

输出电压u_dc与线电压u_ab相交，当调制度

输出电压u_dc与线电压u_bc相交,因此当调制度m处于不同范围，切分空间矢量图的12个分界点也不同，当调制度

采用分界方法1,当调制度

采用分界方法2，最终将空间矢量图分成不均分的且扇区宽度随着输出电压而实时变化的24个扇区。

分界点具体如表1所示：

表1

步骤3：根据参考矢量相位θ判断参考矢量所处扇区，通过调制度m所处范围选择合成参考矢量的矢量序列，具体如下：

将参考矢量相位θ与分界点比较，判别出参考矢量所处扇区，然后判断调制度m的范围，当调制度

范围时，采用相邻的三个非零矢量合成参考矢量，使用矢量序列1；当调制度

范围时，采用两个非相邻的非零矢量和一个零矢量合成参考矢量，使用矢量序列2；

电感电流纹波数学表达式如下：

其中u_o为桥臂输出电压，u_dc为输出电压，L_p为直流侧电感，Δt为矢量作用时间；

由式(3)可知：电感电流纹波由矢量所对应的线电压与输出电压u_dc的差值决定，如图8所示，以扇区1、扇区2为例，当调制度

时，采用矢量I1、I3、I2合成参考矢量，矢量I2所对应的线电压大于输出电压，矢量I3所对应的线电压小于输出电压，然而在扇区1内I1所对应的线电压大于输出电压，扇区2内I1所对应的线电压小于输出电压，若采用传统的均分12个扇区方案，则会出现I1所对应的线电压与输出电压的差值不确定，最后使得该扇区内所采用的矢量序列在某些参考矢量相位范围内电感电流纹波抑制效果不佳的问题，因此从矢量所对应的线电压与输出电压的关系来决定矢量顺序，扇区1的矢量顺序为I1、I3、I2、I3、I1，扇区2的矢量顺序为I1、I2、I3、I2、I1。

各扇区作用矢量序列如表2所示：

表2

步骤4：根据安秒平衡公式

其中

为合成参考矢量的矢量，T_n、T_n+1、T_n+2分别为

的矢量作用时间，T_s为开关周期。

求得各矢量作用时间，将矢量作用时间通过载波比较产生驱动信号S₁～S₆，驱动三相电流源型变换器。当调制度

采用矢量作用时间1，当调制度

采用矢量作用时间2，其中矢量作用时间如表3所示。

表3

步骤5：用Matlab/Simulink搭建仿真模型，对所提方案进行验证。

图4、图5为调制度为0.7时，本发明提出的三相电流源型变换器直流侧电流纹波细分调制优化方法的网侧电流仿真图，以及直流侧电感电流以及扇区仿真图，如图可以看出当调制度

时，网侧电流THD低，谐波抑制程度好，直流侧电感电流纹波较小。

图6、图7为调制度为0.3时，为本发明提出的三相电流源型变换器直流侧电流纹波细分调制优化方法的网侧电流仿真图，以及直流侧电感电流以及扇区仿真图，如图可以看出在调制度

时，所提方案直流侧电感电流纹波较小，网侧电流THD小。

本发明提出的不均分扇区划分方案会根据调制度变化而实时变化，保证了在任何输出功率要求下，扇区划分方法都是最佳的，解决了传统空间矢量调制策略采用均分扇区而致使扇区内某个矢量与输出电压的差值不确定，从而产生的电感电流纹波大小不确定，最后使得该扇区内所采用的矢量序列在某些参考矢量相位范围内电感电流纹波抑制效果不佳的问题。所提方案解决了现有的直流侧电感电流纹波抑制方案中适用范围有限的问题，本发明适用于全调制度范围，并且纹波抑制效果明显，网侧电流正弦化高，THD更低。

Claims (3)

1.一种三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：首先确定双闭环控制中的电压外环和电流内环的参数，包括三相电网电压u_a、u_b、u_c，相电压峰值v_in、三相电网电流参考值I^* _{α_ref}、I^* _{β_ref}，调制度m、参考矢量相位θ和输出电压u_dc；

步骤2：将三相电流源型变换器的空间矢量图分成12个均分扇区，然后令线电压与输出电压u_dc相等，求得12个交点，将所述12个均分扇区分成不均分的且扇区宽度随着输出电压u_dc变化而实时变化的24个扇区，其中，根据功率守恒定律计算出输出电压u_dc的表达式：

u_dc≈1.5mv_in (2)

步骤3：根据参考矢量相位θ判断参考矢量所处扇区，通过调制度m所处范围选择合成参考矢量的矢量序列，其中，当调制度

范围时，采用相邻的三个非零矢量合成参考矢量；当调制度

范围时，采用两个非相邻的非零矢量和一个零矢量合成参考矢量；

步骤4：根据安秒平衡公式求得矢量作用时间，将矢量作用时间通过载波比较产生驱动信号S₁～S₆，驱动三相电流源型变换器。

2.根据权利要求1所述的一种三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，其特征在于：所述步骤2将空间矢量图分成24个不均分的扇区的具体方法为：

令线电压和输出电压u_dc相等：

其中，u_ab、u_bc、u_ac、u_ba、u_cb、u_ca均为线电压；

将式(2)代入式(1)，得出输出电压u_dc与线电压的12个交点，所述交点由调制度m决定，当调制度m处于不同范围时，切分空间矢量图的12个分界点也不同，当调制度

范围时，采用分界方法1，当调制度

范围时，采用分界方法2，最终将空间矢量图分成不均分的且扇区宽度随着输出电压变化而实时变化的24个扇区。

3.根据权利要求1所述的一种三相电流源型变换器直流侧电流纹波抑制细分调制方法，其特征在于：当调制度m处于不同范围，根据安秒平衡公式计算得到的合成参考矢量的各矢量作用时间也不同，当调制度

范围时，采用矢量作用时间1，当调制度

范围时，采用矢量作用时间2。

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