CN106357135B - 一种vienna整流器中点电位交直流分量平衡控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，本方法可以减小直流侧电容和交流侧滤波器的设计容量，节约三电平VIENNA整流器成本；本方法在共模分量注入调制的基础上，动态修改共模分量直流补偿系数与交流补偿系数，同时解决了直流分量和交流分量中点不平衡问题；更为重要的是，本方法保证三相交流侧谐波畸变率与SVPWM调制一致前提下，大幅抑制了传统调制方法下中点电位低频振荡，改善了输出电能质量。可推广应用于电池测试、充电设施、驱动***等领域。

Description

一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法
技术领域
本发明涉及高功率因数、高功率密度电力电子领域，尤其一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法。
背景技术
有源功率因数校正技术是解决非线性元件对电网注入大量谐波问题的有效途径。三相三电平VIENNA整流可实现输入单位功率因数校正，不仅具有谐波小、开关损耗低和电磁干扰小等优点，而且电路结构简单、开关数目少、无桥臂直通问题。适合高压大功率变换场合，但是VIENNA整流电路拓扑固有的中点平衡问题，制约了其推广应用。
VIENNA整流电路拓扑的中点电位不平衡，包括直流分量不平衡和交流分量不平衡。目前已有多种抑制直流分量不平衡的控制方法：专利CN103187887提出用于三相三线制整流的控制器；专利CN 104836464、文献Performance Analysis of Carrier-BasedDiscontinuous PWM Method for Vienna Rectifiers with Neutral-Point VoltageBalance分别提出一种采用单周期控制的整流器直流侧中点电位平衡控制装置及方法，及不连续PWM调制方法解决直流母线上下电容电压直流不平衡控制。然而，因引发中点电位交直流分量不平衡因素复杂，极难控制，传统SPWM调制方式可调输出范围小、谐波大，使得引起中点电位振荡的交流分量不平衡控制问题未得到解决。
中点电位振荡会增加直流侧电容和半导体器件的应力，导致直流侧电容过设计，增加变换器成本，降低其运行可靠性。特别在大功率、高调制比情况下，中点电位振荡引入直流侧低频谐波，导致电能质量差。因此研究既能抑制直流分量，又能抑制交流分量的三相三电平VIENNA整流中点电位控制方法，意义重大。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，本方法动态修改共模分量交直流补偿系数，通过实时计算中点电位不平衡直流分量和交流分量补偿系数，动态补偿共模分量，能够同时解决中点电位直流分量和交流分量不平衡问题。该方法能使三电平VIENNA整流装置的交流侧与直流侧同时具有高质量的电能输入和输出，谐波低，可靠性高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，包括以下步骤：
(1)根据VIENNA整流器的每相状态，将一格周期均分为多个扇区，判断参考电压空间矢量所在扇区；
(2)根据参考电压所在扇区的对应修正值，对三相参考电压进行修正，得到两电平空间矢量的修正参考电压矢量；
(3)根据两电平空间矢量的修正参考电压矢量彼此之间的大小关系，划分区域，确定参考电压空间矢量所在区域；
(4)根据确定的扇区与区域及中点电流在开关周期内平均值为零，计算注入共模分量；
(5)计算中点电位不平衡直流分量补偿系数和中点电位振荡的交流分量补偿系数；
(6)反修正回三电平开关时序中，得到相应的开关时序。
具体的，还包括步骤(7)，验证交流分量补偿系数抑制中点电位振荡效果。
优选的，所述步骤(1)中，由于VIENNA整流器每相状态取决于开关状态与电流方向，因此将[-π/6，11π/6]均分为6个扇区。
优选的，所述步骤(2)中，三相参考电压分别加上所在扇区的参考电压修正值，计算得到两电平空间矢量的修正参考电压矢量。
所述步骤(3)中，根据等效两电平下三相参考电压Vas、Vbs、Vcs的大小排序判断参考电压矢量所在小区域，具体如表所示：
所述步骤(4)中，根据步骤所得扇区与区域及中点电流在开关周期内平均值为零，改变与三相参考电压相加的共模分量，计算出中点电位振荡的交流分量补偿系数fAC。
所述步骤(5)中，若上下端直流电容电压差值的绝对值大于中点电位不平衡阈值时，中点电位平衡PI控制器输出作为中点电位直流分量补偿系数fDC，中点电位平衡控制直至上下端直流电容电压差值的绝对值小于中点电位不平衡阈值时，顺序计算中点电位振荡的交流分量补偿系数；否则跳过步骤(5)。
所述步骤(7)中，根据两电平下等效占空比转化为实际占空比后计算中点电流，检验交流分量补偿系数抑制中点电位振荡效果。
本发明的有益效果为：
(1)该方法通过补偿共模分量，在确保较低的三相交流侧谐波畸变率前提下，解决了等效传统SVPWM调制方法下中点电位低频振荡难题，明显改善了电能质量；
(2)该方法可以减小直流侧电容设计容量，节约三电平VIENNA整流器成本；
(3)该方法可以减小交流侧滤波器设计容量，节约三电平VIENNA整流器成本；
(4)该方法可根据电容电压相差绝对值，通过中点电位补偿系数同时解决直流分量和交流分量中点不平衡问题
(5)该方法基于动态修正注入零序分量，抑制VIENNA整流中点电位交直流分量不平衡，能使三电平VIENNA整流装置的交流侧与直流侧同时具有高质量的电能输入和输出，谐波低，可靠性高；
(6)本方法保证三相交流侧谐波畸变率与SVPWM调制一致前提下，大幅抑制了传统调制方法下中点电位低频振荡，改善了输出电能质量；
(7)可推广应用于电池测试、充电设施、驱动***等领域。
附图说明
图1为三电平VIENNA整流器拓扑图；
图2为所提出抑制VIENNA整流器中点电位振荡的共模分量注入调制原理图；
图3为三相电流与对应扇区时序图；
图4为所等效三相参考电压仿真波形图；
图5为未加入补偿的共模分量与三相等效占空比仿真波形图；
图6为修改交流补偿系数的共模分量与三相等效占空比仿真波形图；
图7(a)为本发明与传统调制抑制中点电位振荡对比仿真结果示意图；
图7(b)为本发明的中点电流示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
以如图1所示三电平VIENNA整流器结构阐述整流器控制策略。
三电平VIENNA整流器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的快恢复二极管，各相桥臂的中点一侧串联等效双向开关Sa、Sb、Sc，即两个方向不同的IGBT管，另一侧经滤波器与电网连接；在并联的各桥臂输入端接入两个容值相同的电容C1、C2；分立电容中点O连接各相桥臂方向不同IGBT管的另一侧；两个电容中点连接各相桥臂的两个方向不同IGBT管的另一端，两个电容直流输出端并联负载电阻RL，三相串联的两个IGBT管可由一路PWM信号电路驱动。所述滤波器为滤波电感La、Lb、Lc。
VIENNA整流器每相有3个状态(kj＝N，O，P，其中P状态为电流从该相经电容C1流至中点O，O状态为电流从该相直接流至中点O，N为电流从中点O经电容C2流至该相)。VIENNA整流器不可能出现的状态[PPP]及[NNN]，因此总开关状态为25，产生19个不同的电压矢量。其中包括1个零矢量、6个小矢量、6个中矢量和6个大矢量，仅小矢量存在冗余矢量。
本发明中VIENNA整流器中点电位振荡的共模分量注入调制方法原理如图2所示，主要包括以下内容：
(1)判断参考电压空间矢量所在大扇区；
(2)修正参考电压完成3-2电平转换；
(3)判断参考电压空间矢量小区域；
(4)计算注入共模分量；
(5)中点电位不平衡直流分量补偿系数fDC计算；
(6)中点电位振荡的交流分量补偿系数fAC计算；
(7)反修正到三电平开关状态；
(8)中点电流计算验证。
步骤(1)中，由于VIENNA整流器每相状态取决于开关状态与电流方向，因此六个扇区划分如图4所示。以参考电压向量Vref位于扇区I(-π/6～π/6)为例，此时ia>0、ib<0、ic<0。
步骤(2)中，三相参考电压Ua，Ub，Uc分别加上扇区参考电压修正值，此时得到的V’ref即为两电平空间矢量的修正参考电压矢量。
等效两电平下三相参考电压Vas、Vbs、Vcs仿真波形如图4所示，其定义为式：
步骤(3)中，根据三相参考电压Vas、Vbs、Vcs的大小即可判断修正电压参考值V’ref所在小区域，其他扇区小区域判断类似。
表1扇区I小区域判断条件
步骤(4)中，计算共模分量，表达式为
其中f是扇区冗余矢量Vz中P型小矢量Vz +偏移量，f∈[-1,1]，Vcom∈[-Vmin,V0-Vmin]。
两电平下三相参考电压加上零序分量Vcom得空间矢量等效占空比da、db、dc，如图5所示，表达式为
步骤(5)中，当fDC＝0，载波注入零序分量与SVM等效；当0≤fDC<1时，中点电位升高；当-1<fDC<0时，中点电位降低。
VIENNA整流器Vref可由基本矢量(大矢量、中适量、冗余非冗余小矢量、零矢量)合成。大矢量与零矢量对中点电位不产生影响，中适量与非冗余小矢量通过直流侧电容中点对电容充放电，产生中点电位波动。同一扇区中，冗余小矢量对中点电位具有相反的作用效果，即可抑制由于中适量和非冗余小矢量引起的中点电位波动，也可解决中点电位直流分量不平衡问题。
步骤(6)中，令中矢量引起偏移系数补偿为fmedium，非冗余小矢量引起偏移系数补偿表示为fsmall。抑制中点电位振荡的交流分量补偿系数fAC由如下公式
fAC＝fmedium+fsmall
通过动态调节fAC，改变与三相参考电压(Vas、Vbs、Vcs)相加的零序分量Vcom，仿真波形如图6所示。即可抑制由于中适量和非冗余小矢量引起的中点电位波动，实现中点电流在开关周期内平均值为零。
分别计算分析各区域中点电流平均值及fAC关系表达式，如表2所示。
表2各扇区中点电位振荡补偿系数
开关时序反修正回三电平中，得七段法开关时序。
步骤(8)中，一个开关周期内三电平空间矢量的三相占空比分别为Da、Db、Dc，由公式可得中点电流，以检验本发明抑制中点电位振荡效果。
io＝Da·ia+Db·ib+Dc·ic
三相占空比Da、Db、Dc由两电平三相空间矢量等效占空比da、db、dc根据表3计算
表3实际占空比计算
为了验证中点电位平衡控制的效果，共模分量交直流补偿信号在0.02s之前被屏蔽。图7是本发明与传统调制抑制中点电位振荡对比仿真结果，当0.02s时刻，直流分量补偿系数fDC动态补偿共模分量，使中点电位迅速恢复平衡，恢复时间接近0.01s。图7(a)所示为VC1和VC2的振荡波形，时间0.02s-0.058s所示传统共模分量注入调制下，中点电位振荡峰峰值约为3V，而时间0.58s-0.1s本发明所提调制方法下其振荡峰峰值不到0.8，而如图7(b)引起中点电位不平衡的中点电流Io在fAC的动态补偿下恒为零。
通过以上仿真结果可知，当中点电压严重偏离平衡点时，运用本发明中提出的新调制方法，可使其迅速恢复平衡。更为重要的是，本方法可以明显地减小中点电压的振荡范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)根据VIENNA整流器的每相状态，将一格周期均分为多个扇区，判断参考电压空间矢量所在扇区；
(2)根据参考电压所在扇区的对应修正值，对三相参考电压进行修正，得到两电平空间矢量的修正参考电压矢量；
(3)根据两电平空间矢量的修正参考电压矢量彼此之间的大小关系，划分区域，确定参考电压空间矢量所在区域；
(4)根据确定的扇区与区域及中点电流在开关周期内平均值为零，计算注入共模分量，共模分量的表达式为三相参考电压Vas、Vbs、Vcs中的最大值为Vmax和最小值为Vmin，f是扇区冗余矢量Vz中P型小矢量Vz +偏移量，f∈[-1,1]；
(5)计算中点电位不平衡直流分量补偿系数和中点电位振荡的交流分量补偿系数，若上下端直流电容电压差值的绝对值大于中点电位不平衡阈值时，中点电位平衡PI控制器输出作为中点电位直流分量补偿系数fDC，中点电位平衡控制直至上下端直流电容电压差值的绝对值小于中点电位不平衡阈值时，顺序计算中点电位振荡的交流分量补偿系数，抑制中点电位振荡的交流分量补偿系数fAC由fAC＝fmedium+fsmall求得，其中中矢量引起偏移系数补偿为fmedium，非冗余小矢量引起偏移系数补偿表示为fsmall；
(6)反修正回三电平开关时序中，得到相应的开关时序。
2.如权利要求1所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：还包括步骤(7)，验证交流分量补偿系数抑制中点电位振荡效果。
3.如权利要求1所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，由于VIENNA整流器每相状态取决于开关状态与电流方向，因此将[-π/6，11π/6]均分为6个扇区。
4.如权利要求1所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，三相参考电压分别加上所在扇区的参考电压修正值，计算得到两电平空间矢量的修正参考电压矢量。
5.如权利要求1所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据等效两电平下三相参考电压Vas、Vbs、Vcs的大小排序判断参考电压矢量所在小区域，具体如表所示：
6.如权利要求1所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据步骤所得扇区与区域及中点电流在开关周期内平均值为零，改变与三相参考电压相加的共模分量，计算出中点电位振荡的交流分量补偿系数。
7.如权利要求1所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：所述步骤(5)中，若上下端直流电容电压差值的绝对值大于中点电位不平衡阈值时，中点电位平衡PI控制器输出作为中点电位直流分量补偿系数，中点电位平衡控制直至上下端直流电容电压差值的绝对值小于中点电位不平衡阈值时，计算中点电位振荡的交流分量补偿系数，抑制中点电位振荡。
8.如权利要求2所述的一种VIENNA整流器中点电位交直流分量平衡控制方法，其特征是：所述步骤(7)中，根据两电平下等效占空比转化为实际占空比后计算中点电流，检验交流分量补偿系数抑制中点电位振荡效果。
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