CN102097959A

CN102097959A - 三相三电平vienna型整流器的空间矢量脉宽调制方法

Info

Publication number: CN102097959A
Application number: CN2010106093976A
Authority: CN
Inventors: 张志�; 张博; 殷正炎; 何思模; 徐海波
Original assignee: EAST ELECTRIC SYSTEM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: EAST ELECTRIC SYSTEM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及不间断电源技术，尤其涉及一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，其通过采用坐标平移的方法将三电平空间矢量坐标系下的运算，转化为两电平空间矢量坐标系下的运算，使得电压矢量u_α和u_β的合成矢量的作用时间的计算大为简化，从而减小三相三电平整流器的处理器的运算量，本发明提供的一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，物理意义清晰，能实现对有功和无功电流的解耦控制，使得***具有较好的静动态性能，能保证输入侧具有单位功率因数和实现直流侧电压的恒定。

Description

三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法

技术领域

本发明涉及不间断电源（UPS）的三相三电平整流器技术，尤其涉及一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法。

背景技术

随着不间断电源的功率等级越来越高，传统的不间断电源的两电平变换器，由于其存在耐压值低、du/dt（电压对时间的变化率）大、EMI（电磁干扰）大、逆变效率低等缺点，两电平变流器并不适用于高压大功率的不间断电源。而多电平变换器，因其功率容量大、开关频率低、输出谐波含量小等一系列优点，为高压大功率变换器的设计研发开辟了一条新思路。例如：三相三电平VIENNA型整流器电路作为中大功率（输出功率在200kVA以上）不间断电源的整流器主电路拓扑，具有高输入功率因数、开关管数目少、低开关电压应力等优点，具有较高的性价比和较大的市场竞争力。

目前，三相三电平VIENNA型整流器电路的拓扑结构如图1所示，e_a，e_b，e_c是三相交流电压输入，p、n是直流输出端，o点是直流侧电容C1和C2的中点，六个绝缘门极双极型晶体管（IGBT）S_a1、S_b1、S_c1、S_a2、S_b2、S_c2为开关管，这些开关管用于功率因数校正，三个电感L用于储能和滤波，R_l为负载。三相三电平整流器通过矢量控制方法来控制对开关管的开通和关断时间，从而将输入的三相交流电压转化为p、n端输出的直流电压，为负载R_l供电。如中国专利号为200910145279.1公开的一种三电平电路的一种空间矢量脉宽调制控制器及其控制方法，就是通过三电平空间矢量脉宽调制方法（SVPWM）计算出电压矢量u_α和u_β的合成矢量的作用时间，进而通过处理器输出开关管的工作时间控制三相电压的转换。但是，这种三相三电平整流器电路的三电平空间矢量脉宽调制方法，计算仍然较为复杂、处理器的运算量较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种可减小处理器的运算量、计算较为简单的三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法。

本发明的目的通过以下技术措施实现：

本发明提供的一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：

（1）通过电压电流双环控制方法获得在αβ坐标系下的电压矢量u_α和u_β，确定电压矢量u_α和u_β在三相三电平整流器空间矢量图中的区间，进而确定电压矢量u_α和u_β的合成矢量；

（2）采用坐标平移的方法将三相三电平整流器空间矢量图的坐标原点平移至电压矢量u_α和u_β所在的区间，将三电平空间矢量坐标系下的运算，转化为两电平空间矢量坐标系下的运算，进而在两电平空间矢量坐标系下计算出电压矢量u_α和u_β的合成矢量的作用时间。

所述步骤（1）的电压电流双环控制方法包括以下步骤：

A、采样三相输入电压e_a、e_b、e_c和三相输入电流i_a、i_b、i_c，将三相输入电压e_a、e_b、e_c经过PARK变换后，得到实际的电压有功分量e_d和电压无功分量e_q；将三相输入电流i_a、i_b、i_c经过PARK变换后，得到实际的电流有功分量i_d和电流无功分量i_q；

B、采样直流侧电容C1的电压u_dc1和C2的电压u_dc2，将电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2之和的电压u_dc与直流侧电压参考值u*_dc进行比较，并进行比例积分运算，得到有功电流的给定值i*_d；再将有功电流的给定值i*_d与实际的电流有功分量i_d进行比较，并进行比例积分运算，然后将比例积分运算结果与电压有功分量e_d相加，并进行解耦运算，得到整流器需要输出的d轴电压矢量u_d；

C、将无功电流的给定值i*_q设为i*_q＝0，再将无功电流的给定值i*_q与实际的电流无功分量i_q进行比较，并进行比例积分运算，然后将比例积分运算结果与电压无功分量e_q相加，并进行解耦运算，得到整流器需要输出的d轴电压矢量u_q；

D、将整流器需要输出的q轴电压矢量u_q和d轴电压矢量u_d进行PARK反变换，得到在αβ坐标系下的电压矢量u_α和u_β。

进一步包括直流侧两电容电压平衡的控制方法：在所述步骤（1）中确定电压矢量u_α和u_β在三相三电平整流器空间矢量图中的区间后，确定该区间的冗余小矢量；然后，根据采样到的直流侧电容C1的电压u_dc1和C2的电压u_dc2，动态调整该区间冗余小矢量的作用时间，进而控制直流侧电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2，使电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2保持一致。

本发明有益效果在于：

本发明提供的一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，通过采用坐标平移的方法将三电平空间矢量坐标系下的运算，转化为两电平空间矢量坐标系下的运算，使得电压矢量u_α和u_β的合成矢量的作用时间的计算大为简化，从而减小三相三电平整流器的处理器的运算量。而且，本发明进一步包括直流侧两电容电压平衡的控制方法，其可以根据采样到的直流侧电容C1的电压u_dc1和C2的电压u_dc2的大小，动态调整电压矢量u_α和u_β的冗余小矢量的作用时间，进而控制直流侧电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2一致，实现对直流侧电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2的平衡控制。

附图说明

图1是三相三电平整流器电路的拓扑结构图。

图2是本发明一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法的控制原理图。

图3是三相三电平整流器空间矢量图。

图4是本发明一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法的采用坐标平移法后的两电平空间矢量图。

图5是本发明一种三相三电平整流器直流侧两电容电压平衡的控制方法的中点电流i_o=-i_a的电流走向示意图。

图6是本发明一种三相三电平整流器直流侧两电容电压平衡的控制方法的中点电流i_o=i_a的电流走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，图1为三相三电平六开关整流器电路的拓扑结构图，其电路连接结构与一般的三相三电平整流器电路结构连接原理相同，p、n是直流输出端，o点是直流侧两个电容C1和C2的中点，六个绝缘门极双极型晶体管（IGBT）S_a1、S_b1、S_c1、S_a2、S_b2、S_c2为开关管，这些开关管用于功率因数校正，三个电感L用于储能和滤波，R_l为负载。根据基尔霍夫电压电流定律和PARK变换（交/直变换），可以得到该三相三电平六开关整流器的状态方程为：

其中，i_d、i_q分别为有功电流和无功电流分量，u_dc为直流侧两电容C1的电压u_dc1和C2的电压u_dc2之和，e_d、e_q分别为三相输入电压在d轴和q轴上的分量，i_o为负载电流。

本发明提供的一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：首先，通过电压电流双环控制方法获得在αβ坐标系下的电压矢量u_α和u_β，如图2所示，电压外环用于控制直流母线电压的恒定，电流内环实现对电流的控制，电流内环又分为有功电流环（d轴）和无功电流环（q轴），分别实现对三相三电平整流器有功和无功电流的控制。电压电流双环控制方法的具体过程如下：

C、为了保证***输入侧具有单位功率因数，将无功电流的给定值i*_q设为i*_q＝0，再将无功电流的给定值i*_q与实际的电流无功分量i_q进行比较，并进行比例积分运算，然后将比例积分运算结果与电压无功分量e_q相加，并进行解耦运算，得到整流器需要输出的q轴电压矢量u_q；

然后，确定电压矢量u_α和u_β在三相三电平整流器空间矢量图中的区间，进而确定电压矢量u_α和u_β的合成矢量。图3为三相三电平整流器空间矢量图，以电压矢量u_α和u_β在位于图3中的扇区2为例，则电压矢量u_α和u_β的合成矢量为（4001），（4011），（4000）或（4111）。在确定合成矢量后，还需分别计算这些合成矢量的作用时间。在图3中，状态1代表每相桥臂的上桥臂IGBT导通而下桥臂IGBT关断，状态0代表每相桥臂的上桥臂IGBT导关断而下桥臂IGBT导通。如状态（4100）代表区间4中，A相桥臂上管导通、下管关断，B相桥臂下管导通、上管关断，C相桥臂下管导通、上管关断。

从图3中可以看出，整个三相三电平整流器空间矢量图，一共有24个扇区，采用传统算法需计算每个扇区合成矢量的作用时间，数字信号处理器（DSP）运算量较大，且计算复杂。因此，本发明采用坐标平移的方法将三相三电平整流器空间矢量图的坐标原点平移至电压矢量u_α和u_β所在的区间，将三电平空间矢量坐标系下的运算，转化为两电平空间矢量坐标系下的运算，进而在两电平空间矢量坐标系下计算出电压矢量u_α和u_β的合成矢量的作用时间，具体方法如下：

以电压矢量u_α和u_β位于图3中三相三电平整流器空间矢量图的区间4为例，将坐标原点（4100）平移到（4000）后，形成如图4所示的两电平空间矢量图，就可以将三电平空间矢量坐标系下的运算，转化为两电平空间矢量坐标系下的运算，进而在两电平空间矢量坐标系下计算出电压合成矢量的作用时间，使电压合成矢量的作用时间的计算大为简化。当然，当矢量位于其他5个区间（区间1、2、3、5和6）时，都可以相应的进行坐标平移，使电压合成矢量的作用时间的计算简化，在此不再赘述。

从上述方案可以看出，本发明提供的一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，物理意义清晰，能实现对有功和无功电流的解耦控制，使得***具有较好的静动态性能，能保证输入侧具有单位功率因数和实现直流侧电压的恒定。

另外，由于三相三电平整流器在运行过程中必须要保证直流侧两电容电压的平衡，否则部分开关器件所承受的电压应力也会增大，直流侧两电容电压大小不一致，容易造成电容的损坏，不利于整流器的安全运行。在分析冗余小矢量的作用时，发现输出的电压矢量相同，但对直流侧两电容电压影响刚好相反，因此可以根据直流侧两电容电压的大小，动态的调整冗余小矢量的作用时间，可以实现直流侧两电容电压的平衡控制。

本发明进一步包括直流侧两电容电压平衡的控制方法，其包括以下步骤：首先，确定电压矢量u_α和u_β在三相三电平整流器空间矢量图中的区间，进而确定该区间的冗余小矢量；然后，根据采样到的直流侧电容C1的电压u_dc1和C2的电压u_dc2，动态调整该区间内冗余小矢量的作用时间，进而控制直流侧电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2，使电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2保持一致。例如：图1中的三相三电平整流器共有6对冗余小矢量，其中，图4中的小矢量（4000），（4111）互为冗余小矢量，当小矢量（4000）作用时，如图5所示，中点电流i_o=-i_a；当小矢量（4111）作用时，如图6所示，中点电流i_o=i_a；即流入两个电容中点的电流相反，所以影响电容中点的电位，进而影响到直流侧两电容电压的大小。因此，只要根据直流侧两电容电压的大小，动态地调整冗余小矢量的作用时间，就可以实现直流侧两电容电压的平衡控制。当然，图4中其他5个区间的5对冗余小矢量作用原理相同，在此不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤（1）的电压电流双环控制方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的三相三电平VIENNA型整流器的空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，进一步包括直流侧两电容电压平衡的控制方法：在所述步骤（1）中确定电压矢量u_α和u_β在三相三电平整流器空间矢量图中的区间后，确定该区间的冗余小矢量；然后，根据采样到的直流侧电容C1的电压u_dc1和C2的电压u_dc2，动态调整该区间冗余小矢量的作用时间，进而控制直流侧电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2，使电容C1的电压u_dc1与C2的电压u_dc2保持一致。