CN104836464B - 一种vienna整流器直流侧中点电位平衡控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制装置及方法。本发明公开了一种应用于数字单周期控制的三相三电平整流器直流侧中点电位控制方法及***。控制方法的原理为：首先采集整流器输入侧电流值以及直流侧上、下电容电压值，然后计算单周期控制中每个周期的积分初始值，以此控制三相开关管的占空比，进而起到平衡直流侧中点电位的作用。核心控制***由DSP和FPGA组成，DSP主要负责零序占空比的计算，直流侧上、下电容电压差的PI控制，单周期积分初始值的计算，与上位机通信等任务；FPGA的主要任务是数据采集，故障判断与保护，单周期控制方法的实现等。该方法具有算法简单易实现、硬件成本低、控制效果好等特点。

Description

一种VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于数字单周期控制的VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制方法及***。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，非线性元件的使用给电网注入了大量的谐波。为了解决这一问题，功率因数校正电路被越来越多的应用到电力电子设备中。VIENNA整流器是一种优秀的三相三电平功率因数校正整流器，具有结构简单易维护、开关数量少、功率器件应力小、无输出电压直通危险等优点。

单周期控制技术(One Cycle Control，简称OCC)是二十世纪九十年代初由美国加州大学的Keyue M.Smedley教授提出的一种新型的PWM控制技术，其基本思想是通过控制电路的占空比来控制开关量在一个开关周期内的平均值等于或正比于参考量。模拟单周期控制技术无需乘法器，只通过RS触发器、复位积分器和比较器即可实现功率因数校正的目的，是一种将大信号非线性开关转换为线性开关的技术。与传统模拟单周期控制技术相比，基于DSP+FPGA的数字单周期控制技术具有明显优势。主要包括：1)控制更加灵活，在推导出***的占空比控制方程后，根据方程可编程实现数字算法；2)更容易与其它控制方式相结合，构成复合控制以提高***整体性能；3)噪声抗干扰能力强；4)外设集成度较高。

中点平衡问题是VIENNA整流器的固有问题。实现中点电压平衡的控制策略主要有两种，一种是基于空间矢量的空间矢量脉宽调制(Space Vector PWM，SVPWM)方法，另一种是基于载波的正弦脉宽调制(Carrier-based PMW，CBPWM)方法。在SVPWM调制方法中，主要有以下几种方法：1)开环被动控制：在每一个新开关周期，小矢量的正负状态进行转换。这种方法只有在平衡负载的情况下能够较好控制中点电位，其动态调整特性不好；2)滞环型控制：是目前应用最多的一种闭环控制方法，在检测每相电流方向基础之上，通过选择小矢量正负状态使中点电位朝不平衡方向的相反方向来选择。这种方法的缺点就是电流中有1/2开关频率的纹波；3)有源控制：这种方法通过控制电流的调制因子，需要检测中点电位不平衡的大小和相电流的幅度，好处就是没有1/2开关频率的纹波，但是由于增加了其他的开关状态从而增加了开关损耗，这种方法一般没有滞环控制那么可靠。在SPWM调制方法中，中点电压平衡的算法绝大部分是通过向三相调制波中注入零序分量来实现的。但是零序分量的选取需要很高的技巧，零序分量的计算往往需要三相参考电压，输出电流，直流母线电容电压以及电容值等参数，大量的参数使零序分量的计算变得复杂也不利于实时控制***的实现，同时增加了成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制装置和方法，用于更优化地解决现有的VIENNA整流器的中点平衡问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采集VIENNA整流器的输入侧三相电流i_a、i_b、i_c、输入侧三相电压V_as、V_bs、V_cs和直流电压值V_dc；采集直流侧上、下电容电压值V_c1、V_c2；

步骤二、将输入侧三相电流i_a、i_b、i_c、输入侧三相电压V_as、V_bs、V_cs和直流电压值V_dc带入下式得到占空比的正弦分量d_a、d_b、d_c：

其中，L_a、L_b、L_c分别为a、b、c三相的交流侧电感；

将占空比正弦分量d_a、d_b、d_c带入下式得到开关零序占空比d₀：

将直流侧上、下电容电压值V_c1、V_c2作差并进行PI控制，P、I参数参照下式关系式进行设计，得到PI控制输出电压V_m2：

式中，C＝C₁＝C₂为直流侧电容，△V_dc＝V_c1-V_c2为直流侧上、下电容电压差值；

步骤三、利用开关零序占空比d₀和PI控制输出电压V_m2按照下式计算获得数字单周期控制每个周期的积分初始值Λ_k：

上式中，

i_k为输入侧三相电流，k分别取a、b、c，R_s为交流电流采样电阻；

采用具有对称特性的积分方式，从每个周期的积分初始值Λ_k开始积分至载波峰值1后不直接复位至零，而是递减至该周期的积分初始值Λ_k，完成一个周期的对称积分过程。该调制过程可以视为上升沿调制和下降沿调制的合成，具有平均输入电流与输入电压成正比、降低奇次谐波等特点。

步骤四、在数字单周期控制中，将直流侧电压参考值减去直流侧上、下电容电压值后获得的差值经过PI控制，得到PI控制输出电压V_m1，将V_m1取倒数后与调制波相乘以调整调制波的幅值；

步骤五、将调整幅值后的调制波输入比较器，与单周期载波进行比较输出PWM信号。传统的载波调制方法中，单周期载波和调制波的生成在一个处理器当中完成，而本发明的上述将载波调制中涉及到的功能划分到两个控制器中去，与传统OCC具有相同效果，却将FPGA中的大量乘法运算工作转移到DSP当中，减少了FPGA的运算量，也使得DSP擅长运算的优势得到了发挥，使***的运算速度得到提高。

本发明利用积分初始值Λ_k控制开关占空比，从而控制中点电位平衡。调整受控零序占空比即引入前馈控制，同时直流侧电容电压差PI控制起到反馈调节作用。因此调整数字OCC积分起点就可以实现VIENNA整流器直流侧中点电位的平衡。

上述方法可以基于一种VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制装置实现，该装置包括FPGA和DSP；所述FPGA中包含电网运行数据采集模块和单周期控制模块，所述DSP中包含零序占空比计算模块、电容电压差PI控制模块、数字单周期控制积分初始值计算模块和调制波幅值调整模块；所述FPGA采集电网运行数据并传输至DSP，所述DSP根据获得的电网运行数据计算获得数字单周期控制每个周期的积分初始值Λ_k并传输至FPGA中的单周期控制模块，单周期控制模块生成单周期载波并进行开关占空比控制。

有益效果：

本发明采用的技术方案是一种应用于数字单周期控制的VIENNA整流器直流侧中点电位控制方法，该方法采集整流器直流侧上、下电容电压值，作差后进行PI控制，同时计算与中点电位相关的开关零序占空比，将PI处理结果和开关零序占空比送入数字OCC积分初始值计算模块，将计算后得到的结果作为数字OCC控制每个周期的积分初始值，以此来控制每个开关周期的占空比，进而控制中点电位平衡。该方法具有算法简单易实现、硬件成本低、控制效果好的优点。

附图说明

图1为VIENNA整流器主电路拓扑图；

图2为DSP+FPGA核心控制器功能框图；

图3为数字单周期控制积分初始值计算模块示意图；

图4为中点电位平衡控制原理图；

图5为直流侧两电容电压整体仿真波形；

图6为直流侧两电容电压仿真波形局部放大图；

图7为单周期积分载波和交流电流交叠的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1为三相三电平(VIENNA)整流器的主电路拓扑图，图中L_a、L_b、L_c为交流侧电感，i_a、i_b、i_c为交流侧输入电流。S_a、S_b、S_c为双向开关。V_dc为直流侧输出电压，C₁、C₂分别为直流支撑电容，V_c1、V_c2为电容C₁、C₂两端的电压。V_MID为中点电压，在正常情况下，中点电压不发生偏移，V_MID＝V_dc/2。但是由于支撑电容参数的不一致，负载不平衡以及调制策略不同等原因，会使电容充放电不平衡，导致中点电压波动，中点电压波动值ΔV_dc定义为△V_dc＝V_c1-V_c2。

图2为DSP+FPGA核心控制器功能框图。DSP中包括通信模块和中点电位核心算法模块，中点电位核心算法模块又包括零序占空比计算模块、电容电压差PI控制模块、数字单周期控制积分初始值计算模块和调制波幅值调整模块。FPGA中包括采样模块、保护模块、双口RAM(DPRAM1、DPRAM2)、单周期控制模块、状态机模块、***控制模块。

FPGA中的采样模块主要负责从AD芯片采集主电路的电压、电流信号并提供给DPRAM2和保护模块。保护模块主要负责对过压、过流等检测电路的输出信号进行处理，在故障时封锁脉冲以保护开关器件。DPRAM2主要负责向DSP发送电路运行状态如电压、电流等信息。DSP中的通信模块主要负责通过地址总线和数据总线读取DPRAM2中的电路运行状态，电压、电流等信息，并且实现和上位机的通讯。FPGA中的DPRAM1主要负责接收DSP中中点电位核心算法的输出结果。单周期控制模块主要负责执行单周期控制核心算法并生成各种开关器件的驱动脉冲。

图3为DSP算法部分功能图，由零序占空比计算模块、电容电压差PI控制模块和数字单周期控制积分初始值计算模块组成。计算方法流程如下：

步骤1、在零序占空比计算模块中，将采集到的输入侧三相电流值i_a、i_b、i_c、输入侧三相电压V_as、V_bs、V_cs和直流侧输出电压值V_dc进行处理，得到占空比的正弦分量d_a、d_b、d_c。占空比的正弦分量d_a、d_b、d_c由下式给出：

其中，L_a、L_b、L_c分别为a、b、c三相的交流侧电感；

将计算得到的占空比正弦分量d_a、d_b、d_c按下式处理后得到占空比零序分量d₀：

步骤2、在电容电压差PI控制模块中，将采集到的直流侧上下两个电容的电压V_c1、V_c2作差后的中点电压波动值△V_dc＝V_c1-V_c2送入PI控制器，得到PI控制输出电压。其中PI控制器参数按以下关系式进行设计：

步骤3、对于数字单周期控制积分初始值计算模块，输入为步骤1、2中得到的零序占空比d₀和PI控制输出电压V_m2，按照下式计算后得到数字单周期控制每个周期的积分初始值Λ，用于实现数字单周期控制的VIENNA整流器直流侧中点电位平衡。

利用积分方法生成单周期载波，从每个周期的积分初始值Λ_k起开始递增至载波峰值1，然后递减至本周期的积分初始值Λ_k，每个周期内递增和递减过程对称从而生成每个周期的载波。

步骤4、图4为中点电位平衡控制原理图，将直流侧电压参考值V_ref减去上下两个电容的电压值V_c1、V_c2后，将所得到的差值进行PI处理后得到V_m1，将V_m1取倒数后与调制波|R_s*i_k|相乘以调整调制波的幅值；

步骤5、将步骤4中调整幅值后的调制波与单周期积分载波经比较器得到PWM信号。

传统方法中V_m1与单周期载波相乘，然后与反映出交流电流采样值的调制波经比较器得到PWM信号。本发明所述方法中，该方法将FPGA中完成的乘法计算转移到DSP中去，提高了数字控制***的运算速度。

图5、图6为直流侧两电容电压整体仿真波形和局部放大仿真波形，由仿真波形可见，经本发明的中点电位控制方法后，两电容的电压近似相同、控制效果较好。图7为单周期积分载波和交流电流采样信号交叠的仿真波形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、采集VIENNA整流器的输入侧三相电流、三相电压以及直流电压值；采集直流侧上、下电容电压值；

步骤二、将输入侧三相电流i_a、i_b、i_c、输入侧三相电压V_as、V_bs、V_cs和直流电压值V_dc带入下式得到占空比的正弦分量d_a、d_b、d_c：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{as}=L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+\frac{V_{dc}}{2}{d}_a\\ V_{bs}=L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+\frac{V_{dc}}{2}{d}_b\\ V_{cs}=L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+\frac{V_{dc}}{2}{d}_c\end{array}\right.$

其中，L_a、L_b、L_c分别为a、b、c三相的交流侧电感；

将占空比正弦分量d_a、d_b、d_c带入下式得到开关零序占空比d₀：

$d_0=-\frac{\left|i_a\right|d_a+\left|i_b\right|d_b+\left|i_c\right|d_c}{\left|i_a\right|+\left|i_b\right|+\left|i_c\right|}$

将直流侧上、下电容电压值作差并进行PI控制，得到PI控制输出电压V_m2；

步骤三、利用开关零序占空比d₀和PI控制输出电压V_m2按照下式计算获得数字单周期控制的每个周期的积分初始值Λ_k，

${\mathrm{\Λ}}_k=\frac{d_0+V_{m2}}{1-\left(R_S\right|i_k|+d_0+V_{m2})}$

上式中，

i_k为输入侧三相电流，k表示a、b、c三相中的其中一相；R_s为交流电流采样电阻；R_S|i_k|表示调制波；

利用积分方法生成单周期载波，从每个周期的积分初始值Λ_k起开始递增至载波峰值1，然后递减至本周期的积分初始值Λ_k，每个周期内递增和递减过程对称从而生成每个周期的载波；

步骤四、将直流侧电压参考值减去直流侧上、下电容电压值后获得的差值经过PI控制，得到PI控制输出电压V_m1，将V_m1取倒数后与调制波相乘以调整调制波的幅值；

步骤五、将获得的单周期载波与调整幅值后的调制波输入至比较器后获得PWM信号用于调制每相开关的占空比。

2.一种采用权利要求1所述的VIENNA整流器直流侧中点电位平衡控制方法的装置，其特征在于：包括FPGA和DSP；所述FPGA中包含电网运行数据采集模块和单周期控制模块，所述DSP中包含零序占空比计算模块、电容电压差PI控制模块、数字单周期控制积分初始值计算模块和调制波幅值调整模块；所述FPGA采集电网运行数据并传输至DSP，所述DSP根据获得的电网运行数据计算获得数字单周期控制每个周期的积分初始值Λ_k并传输至FPGA中的单周期控制模块，单周期控制模块生成单周期载波并进行开关占空比控制。