CN114884325B - 一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法 - Google Patents

Abstract

一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，涉及Vienna整流器调制技术领域，针对现有技术中由于电容值的降低，导致中点电压波动和网侧电流谐波增大的问题，本申请主要是针对无电解电容Vienna整流器中点电压波动增大的问题，本申请通过双载波完成对Vienna整流器的驱动，可以省去扇区判断和角度，减小了控制器的计算负担。本申请可在整个线性调制区减小无电解电容Vienna整流器中点电压波动和网侧电流谐波，解决了现有技术中由于电容值的降低，导致中点电压波动和网侧电流谐波增大的问题。

Description

一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制 方法

技术领域

本发明涉及Vienna整流器调制技术领域，具体为一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法。

背景技术

与传统的三电平中点箝位整流器相比，Vienna整流器具有电路结构简单、开关器件少、开关损耗低和无桥臂直通等优点。因此，Vienna整流器广泛应用于风力发电、电动汽车充电和航空等高功率密度应用场合。Vienna整流器为三电平结构变换器，存在固有的中点电压波动问题。为了抑制中点电压波动，直流侧电容一般选取较大容值的电解电容。大容量的电解电容体积和寿命限制了Vienna整流器的功率密度和可靠性，因此采用小容值薄膜电容替代电解电容的Vienna整流器有重要应用需求。然而采用小容值薄膜电容导致中点电压波动问题更加突出，增加了直流侧电容和变换器的电压应力。因此，对于无电解电容Vienna整流器的中点电压波动抑制需要进一步研究。

目前，减小无电解电容Vienna整流器中点电压波动的控制方法主要分为载波调制方法、空间矢量调制方法和断续脉宽调制方法三种。载波调制方法主要在调制波中注入零序分量实现中点电压平衡。空间矢量调制方法通过调整冗余矢量占空比减小了中点电压波动。断续脉宽调制方法通过切换冗余钳位模式实现中点电压波动最小化。然而在高调制度下，载波调制方法容易出现过调制现象。空间矢量调制方法和断续脉宽调制方法中点电压波动抑制效果受限，导致网侧电流谐波增大。因此，当无电解电容Vienna整流器运行于调制度较高工况时，减小中点电压波动具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中由于电容值的降低，导致中点电压波动和网侧电流谐波增大的问题，提出一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，包括以下步骤：

步骤一：确定Vienna整流器的三相电网电压和三相电网电流，然后根据Vienna整流器的三相电网电压并结合伏秒平衡得到电压矢量占空比，之后利用电压矢量占空比得到Vienna整流器空间矢量图中每个区域的中点电流，并得到中点电流为零时，对应的冗余矢量分配系数k_r；

步骤二：当冗余矢量分配系数0<k_r<1时，则属于冗余矢量调制区域，否则，属于压缩矢量调制区域；

针对冗余矢量调制区域，根据三相电网电压得到叠加的零序分量，并根据三相电网电压和叠加的零序分量得到冗余矢量三相调制波；

针对压缩矢量调制区域，根据三相电网电流和电压矢量占空比得到压缩系数，并根据三相电网电压、压缩系数和冗余矢量三相调制波得到压缩矢量三相调制波；

步骤三：根据冗余矢量三相调制波和压缩矢量三相调制波对Vienna整流器进行驱动。

进一步的，所述电压矢量占空比表示为：

其中，d₀、d₁和d₂分别为空间矢量POO/ONN、PON和PNN的占空比，u_{a_ref}、u_{b_ref}和u_{c_ref}为三相电网电压。

进一步的，所述中点电流表示为：

i_np＝i_a(1-2k_r)d₀+i_bd₁

其中，i_np为中点电流，i_a和i_b为三相电网电流。

进一步的，所述冗余矢量分配系数k_r表示为：

进一步的，所述叠加的零序分量表示为：

u_com＝k_r(1-w_max+w_min)-w_min

其中，u_com为叠加的零序分量，w_max和w_min分别为调制波w_x的最大值和最小值，

进一步的，所述冗余矢量三相调制波表示为：

其中，u_{a_vec}、u_{b_vec}和u_{c_vec}为冗余矢量三相调制波。

进一步的，所述压缩系数表示为：

其中，λ为压缩系数。

进一步的，所述压缩矢量三相调制波表示为：

其中，u_{a_comp}、u_{b_comp}和u_{c_comp}为压缩矢量三相调制波。

本发明的有益效果是：

本申请主要是针对无电解电容Vienna整流器中点电压波动增大的问题，本申请通过双载波完成对Vienna整流器的驱动，可以省去扇区判断和角度，减小了控制器的计算负担。本申请可在整个线性调制区减小无电解电容Vienna整流器中点电压波动和网侧电流谐波，解决了现有技术中由于电容值的降低，导致中点电压波动和网侧电流谐波增大的问题。

附图说明

图1为Vienna整流器的示意图；

图2为Vienna整流器的空间电压矢量分布图；

图3为Vienna整流器中点电压波动抑制的控制框图；

图4为高调制度下现有方法和本申请的对比图。

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，包括以下步骤：

步骤一：确定Vienna整流器的三相电网电压和三相电网电流，然后根据Vienna整流器的三相电网电压并结合伏秒平衡得到电压矢量占空比，之后利用电压矢量占空比得到Vienna整流器空间矢量图中每个区域的中点电流，并得到中点电流为零时，对应的冗余矢量分配系数k_r；

步骤二：当冗余矢量分配系数0<k_r<1时，则属于冗余矢量调制区域，否则，属于压缩矢量调制区域；

针对冗余矢量调制区域，根据三相电网电压得到叠加的零序分量，并根据三相电网电压和叠加的零序分量得到冗余矢量三相调制波；

针对压缩矢量调制区域，根据三相电网电流和电压矢量占空比得到压缩系数，并根据三相电网电压、压缩系数和冗余矢量三相调制波得到压缩矢量三相调制波；

步骤三：根据冗余矢量三相调制波和压缩矢量三相调制波对Vienna整流器进行驱动。

本实施方式基于双载波实现对Vienna整流器驱动。在实现过程中对调制波直接进行计算，省去了现有方法的扇区判断和电压矢量角度计算，减小控制器的计算时间。通过引入压缩系数重新分配了电压矢量占空比，实现了对无电解电容Vienna整流器中点电压波动的抑制和网侧电流谐波减小。

步骤一中，所述冗余矢量分配系数的计算。依据电压矢量对中点电压的影响，可以得到不同区域中点电流的表达式。当中点电流为零时，得到冗余矢量分配系数。

结合图2和图3所示，步骤一冗余矢量分配系数计算模块中，包括：

当参考电压矢量位于Vienna整流器的空间电压矢量分布图扇区I的子区域5时，选择电压矢量U₀(POO/ONN)、U₁(PON)和U₂(PNN)进行电压矢量合成。根据伏秒平衡原则，可以得到：

式中，U_0α、U_1α和U_2α分别为电压矢量U₀、U₁和U₂的α轴分量，U_1β为电压矢量U₁的β轴分量，其表达式为：

u_{α_ref}和u_{β_ref}分别为三相电网电压的α和β轴分量，其表达式为：

式中，u_{a_ref}、u_{b_ref}和u_{c_ref}分别为三相电网电压，从而得到各电压矢量的占空比为：

式中，d₀、d₁和d₂分别为空间矢量POO/ONN、PON和PNN的占空比。当Vienna整流器输出大矢量PNN时，各相网侧电流没有和直流侧电容的中点相连，因此不影响中点电位平衡。Vienna整流器输出中矢量PON时，网侧b相电流与直流侧中点相连。因此修改占空比d₁可以控制网侧b相电流流入中点的大小。同理，修改冗余小矢量ONN占空比(1-k_r)d₀可以控制a相电流流入中点的大小，其中k_r为冗余矢量分配系数。而修改冗余小矢量POO占空比k_rd₀可以控制b相和c相电流流入中点的大小，考虑到平衡电网三相电网电流和为零，等效控制a相电流流出中点的大小。因此，得到在扇区I子区域5的中点电流表达式：

i_np＝i_a(1-2k_r)d₀+i_bd₁

式中，i_x(x＝a，b和c)为三相电网电流，当中点电流满足为零时，从而完成冗余矢量分配系数k_r的计算：

本申请所提无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制的混合调制方法的控制如图3所示，包括：

冗余分配系数判断模块：当冗余矢量分配系数0<k_r<1时，此时属于冗余矢量调制。否则，属于压缩矢量调制。属于冗余矢量调制。

叠加零序分量计算模块：当属于冗余矢量调制时，叠加的零序分量的计算方法为：

u_com＝k_r(1-w_max+w_min)-w_min

冗余矢量调制波计算模块：从而得到冗余矢量调制的三相调制波为：

压缩系数计算模块:当属于压缩矢量调制时，需要结合压缩系数对各电压矢量占空比进行重新分配。当位于Vienna整流器空间矢量图的扇区I子区域5时，修改后的占空比满足：

式中，d_{0_comp}、d_{1_comp}和d_{2_comp}分别为引入压缩系数λ后空间矢量POO/ONN、PON和PNN的占空比。为了实现对无电解电容Vienna整流器中点电压波动的抑制，中点电流需要满足：

i_np＝i_ad_{0_comp}(1-2k_r)+i_bd_{1_comp}＝0

为了提高Vienna整流器效率，选取压缩矢量调制区域k_r＝0，从而得到压缩系数的计算公式为：

压缩矢量调制波计算模块：压缩矢量调制波和空间矢量的占空比关系为：

扇区I子区域5压缩矢量三相调制波的计算方法为：

双载波驱动模块：在已知三相调制波的前提下，结合双载波完成对Vienna整流器的驱动。本申请主要以扇区Ⅰ子区域5为例对本申请计算方法进行了说明，其余区域计算方法与此类似。

图4为现有方法和本发明方法的对比结果。可以看出，在调制度较高时，本发明方法可以减小无电解电容Vienna整流器的中点电压的波动和网侧电流谐波，证明了其有效性和可行性。

图1中包括输入滤波器、三相不控整流桥、双向开关管电路和直流薄膜母线电容；

图3是采用本发明方法对无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制的控制框图；包括冗余矢量分配系数计算模块，冗余矢量分配系数判断模块、压缩系数计算模块、压缩矢量调制波计算模块、叠加零序分量计算模块、冗余矢量调制波计算模块和双载波驱动模块。

图4是高调制度下现有方法和本发明方法的对比结果；包括直流侧电压u_DC、PO和ON端电压u_PO和u_ON、网侧a相输入电流i_a、上下直流侧电容电压差Δu。

叠加的零序分量如文献L.J.Hang,B.Li,M.Zhang,Y.Wang,and L.M.Tolbert,“Equivalence of svm and carrier-based pwm in three-phase/wire/level viennarectifier and capability of unbalanced-load control,”IEEETrans.Ind.Electron.,vol.61,no.1,pp.20-28,Jan.2014.

Vienna整流器空间矢量图如文献A Novel Discontinuous PWM Strategy toAchieve Switching Loss Reduction and NeutralPoint Voltage Balance for ViennaRectifier以及Investigation of Neutral-Point Voltage Oscillation Suppressionand Balancing Control inVIENNA Rectifiers.

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：确定Vienna整流器的三相电网电压和三相电网电流，然后根据Vienna整流器的三相电网电压并结合伏秒平衡得到电压矢量占空比，之后利用电压矢量占空比得到Vienna整流器空间矢量图中每个区域的中点电流，并得到中点电流为零时，对应的冗余矢量分配系数k_r；

步骤二：当冗余矢量分配系数0<k_r<1时，则属于冗余矢量调制区域，否则，属于压缩矢量调制区域；

针对冗余矢量调制区域，根据三相电网电压得到叠加的零序分量，并根据三相电网电压和叠加的零序分量得到冗余矢量三相调制波；

针对压缩矢量调制区域，根据三相电网电流和电压矢量占空比得到压缩系数，并根据三相电网电压、压缩系数和冗余矢量三相调制波得到压缩矢量三相调制波；

步骤三：根据冗余矢量三相调制波和压缩矢量三相调制波对Vienna整流器进行驱动。

2.根据权利要求1所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述电压矢量占空比表示为：

其中，d₀、d₁和d₂分别为空间矢量POO/ONN、PON和PNN的占空比，u_{a_ref}、u_{b_ref}和u_{c_ref}为三相电网电压。

3.根据权利要求2所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述中点电流表示为：

i_np＝i_a(1-2k_r)d₀+i_bd₁

其中，i_np为中点电流，i_a和i_b为三相电网电流。

4.根据权利要求3所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述冗余矢量分配系数k_r表示为：

5.根据权利要求4所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述叠加的零序分量表示为：

u_com＝k_r(1-w_max+w_min)-w_min

其中，u_com为叠加的零序分量，w_max和w_min分别为调制波w_x的最大值和最小值，

6.根据权利要求5所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述冗余矢量三相调制波表示为：

其中，u_{a_vec}、u_{b_vec}和u_{c_vec}为冗余矢量三相调制波。

7.根据权利要求6所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述压缩系数表示为：

其中，λ为压缩系数。

8.根据权利要求7所述的一种无电解电容Vienna整流器中点电压波动抑制混合调制方法，其特征在于所述压缩矢量三相调制波表示为：

其中，u_{a_comp}、u_{b_comp}和u_{c_comp}为压缩矢量三相调制波。

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