CN116054160A - 电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法 - Google Patents

Abstract

一种电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，属于Vienna整流器调制技术领域。本发明针对现有技术中由于电网电压不平衡跌落的影响，Vienna整流器存在输入电流过零点畸变和有功功率降低的问题。包括：计算有功功率，并结合输入电流保护值计算得到功率调节系数k_ap；再基于正序分量调制度和电网电压不平衡度计算得到电流谐波系数k_ch；再根据功率调节系数k_ap、电流谐波系数k_ch、输入电流保护值、正负序电网电压相角差、正序电网电压幅值和负序电网电压幅值计算输入电流指令值；将输入电流指令值和输入电流实际值作差，再经比例谐振控制器处理得到三相调制波，对Vienna整流器进行驱动。本发明用于负序电流自调节。

Description

电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法

技术领域

本发明涉及电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，属于Vienna整流器调制技术领域。

背景技术

Vienna整流器是连接电网的三电平变换器，可以提供稳定直流侧电压和正弦输入电流。相对于NPC三电平变换器，Vienna整流器具有效率高、功率密度大和可靠性高等优点,因此，广泛应用于电动汽车充电桩、风力发电和航空等系统中。

在实际运行中，由于负载突增、不对称电网电压故障和线路阻抗等原因，电网电压容易出现不平衡跌落现象。当电网电压不平衡时，Vienna整流器存在直流侧电压波动和输入电流谐波增大等问题。并且由于Vienna整流器的单向拓扑特点，输入电流的过零点畸变会进一步增大。此外，当电网电压跌落时，输入电流的峰值会进一步增大。为了减小输入电流峰值和保证Vienna整流器运行于安全电流，需要降低整流器输出的有功功率。因此，当电网电压不平衡跌落时，基于Vienna整流器的先进控制和调制方法需要进一步研究。

目前，当电网电压不平衡时，为了减小直流侧电压波动和输入电流谐波，传统的策略主要分为基于双同步旋转坐标系(double synchronous reference frame，DSRF)功率控制策略和基于静止参考坐标系(stationary frame，SF)功率控制策略。基于DSRF的功率控制策略通过比例积分(Proportional integral，PI)控制实现正序和负序电流控制，可以减小不平衡电网电压条件下的直流侧电压波动和输入电流谐波。基于SF的功率控制策略通过比例谐振(Proportional resonance，PR)控制正序和负序电流，实现对直流侧电压波动和输入电流谐波抑制。

然而，当电网电压不平衡跌落时，一方面，传统策略未考虑电压和电流的相位角差，导致Vienna整流器输入电流存在过零点畸变。另一方面，传统策略未对输入电流最大值进行限制，导致Vienna整流器的有功功率降低。因此，当电网电压不平衡跌落时，减小输入电流谐波和增大有功功率具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中由于电网电压不平衡跌落的影响，Vienna整流器存在输入电流过零点畸变和有功功率降低的问题，本发明提供一种电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法。

本发明的一种电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，包括，

步骤一：由整流器直流侧电压指令值与直流侧电压实际值的平方差经过比例积分控制器得到有功功率；

由整流器的三相电网电压得到正序电网电压和负序电网电压，再得到正序电网电压幅值和负序电网电压幅值，结合有功功率和输入电流保护值计算得到功率调节系数k_ap；

步骤二：根据正序电网电压幅值和直流侧电压实际值计算得到正序分量调制度；再由正序电网电压幅值、负序电网电压幅值、电网电压不平衡度和正序分量调制度计算得到电流谐波系数k_ch；

步骤三：根据功率调节系数k_ap、电流谐波系数k_ch、输入电流保护值、正序电网电压、负序电网电压、正负序电网电压相角差、正序电网电压幅值和负序电网电压幅值计算输入电流指令值；

步骤四：将输入电流指令值和输入电流实际值作差，再经比例谐振控制器处理得到三相调制波，根据三相调制波对Vienna整流器进行驱动。

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，步骤一中所述功率调节系数k_ap表示为：

式中i_allow为Vienna整流器的输入电流保护值，P_o为有功功率，A_p为正序电网电压幅值，A_n为负序电网电压幅值。

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，步骤二中正序分量调制度表示为m_P：

式中u_DC为直流侧电压实际值。

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，步骤二中电流谐波系数k_ch表示为：

其中电网电压不平衡度η为：

式中η₀为k_ch＝0时对应的电网电压不平衡度，η₁为k_ch＝1时对应的电网电压不平衡度：

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，步骤三中，分k_ap＝k_ch＝1、k_ap＝1且k_ch<1、k_ap<k_ch以及k_ch<k_ap<1四种情况计算输入电流指令值。

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，k_ap＝k_ch＝1时，输入电流指令值的计算方法为：

式中i_{α_ref}为输入电流指令值的α轴分量，i_{β_ref}为输入电流指令值的β轴分量，u_αp为正序电网电压的α轴分量，u_βp为正序电网电压的β轴分量，u_αn为负序电网电压的α轴分量，u_βn为负序电网电压的β轴分量。

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，k_ap＝1且k_ch<1时，输入电流指令值的计算方法为：

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，k_ap<k_ch时，输入电流指令值的计算方法为：

式中i_{max_pu1}为三相输入电流的最大值：

式中

为正负序电网电压相角差。

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，k_ch<k_ap<1时，输入电流指令值的计算方法为：

根据本发明的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，步骤四中，输入电流实际值包括输入电流实际值的α轴分量i_α和输入电流实际值的β轴分量i_β；输入电流实际值根据三相输入电流计算获得；

三相调制波经双载波驱动模块实现对Vienna整流器的驱动。

本发明的有益效果：针对现有技术中当电网电压不平衡跌落时，导致Vienna整流器存在输入电流过零畸变和有功功率降低的问题，本发明方法通过引入功率调节系数和电流谐波系数对负序输入电流进行调节，可以降低输入电流谐波和增大有功功率。在电网电压不平衡条件下，本发明方法可以明显减小输入电流应力，有利于提高Vienna整流器的功率密度。

附图说明

图1是本发明所述电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法的流程框图；

图2是Vienna整流器的结构示意图；图中包括三相电网电压e_ga、e_gb、e_gc；输入滤波器、三相不控整流桥、双向开关管电路和上下直流母线电容C_p和C_n；

图3是a相电压跌落40％的三相线电压图；图中Time表示时间，10ms/div表示每格时间为10ms；u_ab表示ab相电压，u_bc表示bc相电压，u_ca表示ca相电压；

图4是a相电压跌落40％时，采用传统方法和本发明方法进行电流调节的实验结果对比图；图中传统策略为传统方法，所提策略为本发明方法；图中i_a表示a相电流，i_b表示b相电流，i_c表示c相电流，

图5是电网电压不平衡跌落时，采用传统方法对输入电流进行快速傅里叶变化的示意图；

图6是电网电压不平衡跌落时，采用本发明方法对输入电流进行快速傅里叶变化的示意图；

图7是采用本发明方法进行负序电流自调节后的功率变化实验结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，包括，

步骤一：由整流器直流侧电压指令值u_{DC_ref}与直流侧电压实际值u_DC的平方差经过比例积分控制器得到有功功率；

由整流器的三相电网电压得到正序电网电压和负序电网电压，再得到正序电网电压幅值和负序电网电压幅值，结合有功功率和输入电流保护值计算得到功率调节系数k_ap；

步骤二：根据正序电网电压幅值和直流侧电压实际值计算得到正序分量调制度；再由正序电网电压幅值、负序电网电压幅值、电网电压不平衡度和正序分量调制度计算得到电流谐波系数k_ch；

步骤三：通过比较功率调节系数k_ap和电流谐波系数k_ch的大小，根据功率调节系数k_ap、电流谐波系数k_ch、输入电流保护值、正序电网电压、负序电网电压、正负序电网电压相角差、正序电网电压幅值和负序电网电压幅值计算输入电流指令值，完成对负序电流的调节；

步骤四：将输入电流指令值和输入电流实际值作差，再经比例谐振控制器处理得到三相调制波，实现对电流指令值跟踪；根据三相调制波对Vienna整流器进行驱动。

本实施方式结合直流侧电压和正序分量调制度对功率调节系数k_ap和电流谐波系数k_ch进行计算。通过对比k_ap和k_ch的大小得到不同的输入电流指令值，实现对负序输入电流的调节。最后，结合比例谐振控制器实现对电流指令值跟踪，减小了输入电流谐波和电流应力，增大了有功功率。

图1中有功功率计算模块

以直流侧电压u_DCref的平方作为指令值。指令值和实际直流侧电压的平方差值经过比

例积分控制器得到有功功率P_o。

进一步，步骤一中所述功率调节系数k_ap表示为：

式中i_allow为Vienna整流器的输入电流保护值，P_o为有功功率，A_p为正序电网电压幅值，A_n为负序电网电压幅值。

再进一步，步骤二中正序分量调制度表示为m_P：

式中u_DC为直流侧电压实际值。

步骤二中电流谐波系数k_ch表示为：

其中电网电压不平衡度η为：

式中η₀为k_ch＝0时对应的电网电压不平衡度，η₁为k_ch＝1时对应的电网电压不平衡度：

再进一步，步骤三中，分k_ap＝k_ch＝1、k_ap＝1且k_ch<1、k_ap<k_ch以及k_ch<k_ap<1四种情况计算输入电流指令值。

k_ap＝k_ch＝1时，输入电流指令值的计算方法为：

式中i_{α_ref}为输入电流指令值的α轴分量，i_{β_ref}为输入电流指令值的β轴分量，u_αp为正序电网电压的α轴分量，u_βp为正序电网电压的β轴分量，u_αn为负序电网电压的α轴分量，u_βn为负序电网电压的β轴分量。

k_ap＝1且k_ch<1时，输入电流指令值的计算方法为：

k_ap<k_ch时，输入电流指令值的计算方法为：

式中i_{max_pu1}为三相输入电流的最大值：

式中

为正负序电网电压相角差。

结合输入电流指令值，可以计算得到k_ap<k_ch时的有功功率P_pro：

有功功率P_pro的直流分量P_{pro_dc}为：

为简化算法，可将i_{max_pu1}设置为1，从而得到功率调节系数的表达式为：

k_ch<k_ap<1时，输入电流指令值的计算方法为：

步骤四中，输入电流实际值包括输入电流实际值的α轴分量i_α和输入电流实际值的β轴分量i_β；输入电流实际值根据三相输入电流计算获得；图1的电流指令值跟踪模块在已知输入电流指令值的前提下，结合比例谐振控制器得到三相调制波，从而实现对电流指令值的跟踪。

三相调制波经双载波驱动模块结合双载波实现对Vienna整流器的驱动。

实验验证：

在图2的条件下，图4为传统方法和本发明方法的对比结果。可以看出，当a相电压跌落40％时，传统方法的最大输入电流为5A，而本发明方法的最大输入电流为4A。因此，本发明方法可以降低电流应力，提高Vienna整流器的功率密度。由于Vienna整流器的输入电流保护值为5A，传统方法无法进一步增加有功功率，其有功功率最大值为890W。而本发明方法的最大输入电流值为4A，可以进一步增加功率。

图5和图6是采用传统方法和本发明方法的快速傅里叶变化(fast Fouriertransform,FFT)对比结果。可以看出，当电网电压不平衡跌落时，传统方法输入电流包含3次、5次、7次、9次、13次、15次和17次谐波，其总谐波畸变率(Total harmonic distortionrate of current，THD)为6.5％。本发明方法可以明显抑制各次谐波，输入电流THD为2％，为传统方法的30％。

图7是本发明方法的功率变化实验结果。可以看出，本发明方法的有功功率可以从890W增加到1180W，此时输入电流最大值为5A，等于电流保护值。因此，本发明方法的最大有功功率为传统方法的1.33倍。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于包括，

步骤一：由整流器直流侧电压指令值与直流侧电压实际值的平方差经过比例积分控制器得到有功功率；

由整流器的三相电网电压得到正序电网电压和负序电网电压，再得到正序电网电压幅值和负序电网电压幅值，结合有功功率和输入电流保护值计算得到功率调节系数k_ap；

步骤二：根据正序电网电压幅值和直流侧电压实际值计算得到正序分量调制度；再由正序电网电压幅值、负序电网电压幅值、电网电压不平衡度和正序分量调制度计算得到电流谐波系数k_ch；

步骤三：根据功率调节系数k_ap、电流谐波系数k_ch、输入电流保护值、正序电网电压、负序电网电压、正负序电网电压相角差、正序电网电压幅值和负序电网电压幅值计算输入电流指令值；

步骤四：将输入电流指令值和输入电流实际值作差，再经比例谐振控制器处理得到三相调制波，根据三相调制波对Vienna整流器进行驱动。

2.根据权利要求1所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，步骤一中所述功率调节系数k_ap表示为：

式中i_allow为Vienna整流器的输入电流保护值，P_o为有功功率，A_p为正序电网电压幅值，A_n为负序电网电压幅值。

3.根据权利要求2所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，步骤二中正序分量调制度表示为m_P：

式中u_DC为直流侧电压实际值。

4.根据权利要求3所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，步骤二中电流谐波系数k_ch表示为：

其中电网电压不平衡度η为：

式中η₀为k_ch＝0时对应的电网电压不平衡度，η₁为k_ch＝1时对应的电网电压不平衡度：

5.根据权利要求4所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，步骤三中，分k_ap＝k_ch＝1、k_ap＝1且k_ch<1、k_ap<k_ch以及k_ch<k_ap<1四种情况计算输入电流指令值。

6.根据权利要求5所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，k_ap＝k_ch＝1时，输入电流指令值的计算方法为：

式中i_{α_ref}为输入电流指令值的α轴分量，i_{β_ref}为输入电流指令值的β轴分量，u_αp为正序电网电压的α轴分量，u_βp为正序电网电压的β轴分量，u_αn为负序电网电压的α轴分量，u_βn为负序电网电压的β轴分量。

7.根据权利要求6所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，k_ap＝1且k_ch<1时，输入电流指令值的计算方法为：

8.根据权利要求7所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，k_ap<k_ch时，输入电流指令值的计算方法为：

式中i_{max_pu1}为三相输入电流的最大值：

式中

为正负序电网电压相角差。

9.根据权利要求8所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，k_ch<k_ap<1时，输入电流指令值的计算方法为：

10.根据权利要求9所述的电网电压跌落条件下Vienna整流器负序电流自调节方法，其特征在于，步骤四中，输入电流实际值包括输入电流实际值的α轴分量i_α和输入电流实际值的β轴分量i_β；输入电流实际值根据三相输入电流计算获得；

三相调制波经双载波驱动模块实现对Vienna整流器的驱动。

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