CN109586590A - 用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法，可在降低电流源变流器共模电压的同时补偿***无功，步骤为：1.根据clark变换将电流源变流器9种开关电流状态映射到αβ空间坐标系下的9个矢量状态；2.计算每个矢量对应的共模电压，提出降低挑选零矢量的方法降低***共模电压；3.将变流器并网点电压电流变换到dq坐标下，通过控制变流器d轴、q轴电流分别控制***有功无功，并由此确定变流器调制参考矢量；4.由安秒平衡原理确定合成参考矢量的三个开关矢量，再根据步骤2中的方法确定零矢量对应开关状态。该调制方法通过dq坐标变换实现有功无功独立控制，同时挑选共模电压最低的零矢量用于合成参考矢量降低***共模电压。

Description

用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法

技术领域

本发明涉及一种多功能电流源型变流器空间矢量调制方法，具体涉及一种可以同时降低电流源变流器共模电压及实现变流器最大功率因数运行的调制方法。

背景技术

变流技术是将电能由直流转变为交流或交流转变为直流的技术，在当今工业应用中扮演着重要的角色。三相电流源型变流器应用非常广泛，其原理是采用开关管搭建主电路，再配合相应的调制方法，控制开关管的开关状态，使输入/输出电流波形近似正弦。电流源变流器空间矢量调制方法的基本原理是将电流源型三相全桥变流器九种PWM电流状态经过坐标变换得到九种静止电流矢量，再将三相正弦参考电流经过坐标变换得出参考电流矢量，之后选择九个静止电流矢量中若干矢量根据安秒平衡原理合成参考电流矢量，并由此确定各开关管的开关状态。理论推导和实验均表明，空间矢量调制具有直流电流利用率高，谐波特性好等优点。

由于传统空间矢量调制方法未对零矢量进行挑选，变流器的共模电压峰值较高，不利于***绝缘。采用增加共模电抗器的方法，虽然可以在一定程度降低共模电压的影响，但增加***体积和成本。另一方面因为变流器交流侧LC滤波电路滤波电容的存在，会造成电网节点具有超前功率因数。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法，可以在不加共模电抗器或共模电抗器很小的情况下，降低变流器共模电压的同时实现变流器最大功率因数运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法，包括以下步骤：

(1)对电流源型变流器的9种开关状态对应的三相PWM电流进行克拉克坐标变换，将三相PWM电流变换为αβ平面上的两相空间电流矢量，并将两相空间电流矢量按照长度分为两组：零矢量(I_a0、I_b0和I_c0)、非零矢量(I₁…I₆)；变换公式为(1-1)

其中，i_wa(t)、i_wb(t)、i_wc(t)为三相PWM电流，i_α(t)、i_β(t)为两相空间电流矢量I(t)的α、β轴分量；

(2)由电流源型变流器共模电压产生原理，计算每个开关状态产生的共模电压，得到降低共模电压的调制方法；

(3)将变流器并网点电压、电流经派克坐标变换映射到dq旋转坐标系下，通过控制变流器d轴、q轴电流控制变流器有功无功，实现变流器最大功率因数运行，并由此确定空间矢量调制的参考矢量；

(4)由安秒平衡原理确定合成参考矢量的三个开关矢量及作用时间，并根据步骤(2)中的方法确定零矢量对应开关状态。

进一步的，所述步骤(2)具体包括如下步骤：

(1)变流器共模电压由式(1-2)确定：

其中v_cmv为变流器共模电压，v_gp和v_gn为变流器直流侧上、下母线对地电压；

(2)计算9个开关状态对应共模电压，在忽略交流侧滤波电感压降的情况下，由式(1-2)可得零矢量产生共模电压峰值为U_m，非零矢量对应共模电压峰值为0.5U_m，U_m为电网相电压峰值；

(3)根据电网电压挑选共模电压最小的零矢量用于合成参考矢量：

其中v_a、v_b、v_c为电网三相电压。

进一步的，所述步骤(3)中，实现变流器有功无功独立控制包括如下步骤：

(1)将电网电压、并网电流由派克公式(1-4)变换到dq旋转坐标系下，并计算***有功无功：

其中ω为电网电压角速度，t为时间；为dq坐标下电压矢量，U_gd、U_gq为电压矢量的d轴q轴分量；为dq坐标下电流矢量，I_gd、I_gq为电流矢量的d轴q轴分量，i_a、i_b、i_c为变流器三相并网电流；P、Q为变流器有功和无功功率；

(2)由公式(1-6)分别控制变流器d轴q轴电流可独立控制***有功无功功率，并由此确定参考矢量。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明可同时降低电流源型变流器共模电压以及实现***单位功率因数运行。针对电流源变流器共模电压问题，计算每个开关矢量产生共模电压。分析指出变流器共模电压峰值由零矢量对应开关状态产生，为此提出通过挑选零矢量的方法降低***共模电压。针对LC滤波器造成***超前功率因数的问题，提出直接功率控制策略。在dq旋转坐标系下对变流器d轴q轴电流独立控制，补偿LC滤波器的无功电流实现变流器最大功率因数运行。由功率控制策略得到***参考调制波，再由挑选零矢量的空间矢量调制方法确定开关信号，驱动变流器运行。

2.计算了电流源变流器每个开关状态对应共模电压。指出***共模电压峰值由零矢量产生，并通过挑选零矢量的方法降低变流器共模电压峰值。同时针对超前功率因数问题，通过dq坐标下有功无功解耦实现直接功率控制，可使电流源变流器最大功率因数运行。

3.本发明提出的基于电流源变流器的多功能空间矢量调制策略，可以在降低变流器共模电压的同时补偿***无功电流保证***最大功率因数运行。

附图说明

图1为本发明实施例中电流源整流器拓扑结构示意图。

图2为电流源变流器的空间矢量图。

图3为共模电压仿真波形图。

图4为变流器直流侧负载电流仿真波形图。

图5(a)、图5(b)和图5(c)分别为变流器交流侧电网电压、并网电流和PWM电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于电流源变流器的多功能空间矢量调制方法具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

以电流源整流器为例，图1是本发明具体实施方式的电路图。如图1所示，电流源型整流器采用三相全桥拓扑作为整流电路，每个全桥由六个功率开关管，在本实施例中为带反向二极管的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成。

本发明本用于电流源整流器的多功能空间矢量调制方法基本步骤如下：

步骤1：根据电流源变流器约束条件：任何时刻某一全桥同时有且仅有两个开关器件导通，一个位于上半桥，另一个位于下半桥。在这个约束条件下，电流源整流器可以确定9种三相PWM电流状态。将9种三相PWM电流状态经过坐标变换得到9种两相空间电流矢量。这些矢量按照长度可以分为两组：零矢量(和)、非零矢量变换公式为(2-1)，空间矢量图见图2，对应开关状态分类见表1。

其中，i_wa(t)、i_wb(t)、i_wc(t)为三相PWM电流，i_α(t)、i_β(t)为两相空间电流矢量I(t)的α、β轴分量。

表1

步骤2：计算各个矢量产生共模电压，共模电压可由下式确定

其中v_cmv为变流器共模电压，v_gp和v_gn为变流器直流侧上、下母线对地电压。

每个开关状态对应共模电压见表1右侧。可以看出非零矢量产生共模电压峰值为0.5U_m，U_m为电网相电压峰值；零矢量产生共模电压峰值为U_m。因此，抑制共模电压的首要任务就是降低零矢量引起的共模电压。为降低共模电压幅值，采用挑选零矢量方法。即在每一个采样时刻在线实时采集电流源型变流器网侧三相电网电压幅值，挑选其中电压绝对值最小的电网相电压，根据式(2-3)选择相对应的零矢量作为本次采样周期使用的空间矢量。

其中v_a、v_b、v_c为电网三相电压。

步骤3：将电网电压、并网电流由派克(park)公式(2-4)变换到dq旋转坐标系下，并计算***有功无功。

其中ω为电网电压角速度，t为时间；为dq坐标下电压矢量，U_gd、U_gq为电压矢量d轴q轴分量；为dq坐标下电流矢量，I_gd、I_gq为电流矢量d轴q轴分量，i_a、i_b、i_c为变流器三相并网电流；P、Q为变流器有功和无功功率。

步骤4：由公式(2-6)，分别控制变流器d轴q轴电流可独立控制***有功无功功率，并由此确定空间矢量参考矢量。

其中I_{d_ref}和I_{q_ref}为空间矢量调制波d轴q轴参考矢量，k_p1、k_i1和k_p2、k_i2分别为d轴q轴PI控制参数，P_ref为***参考有功

步骤5：将dq坐标系下调制参考矢量变换到αβ两相静止坐标系下。由两个非零矢量和一个零矢量根据安秒平衡原理合成参考矢量I_ref(t)。具体合成方式为：如图2所示，参考矢量由其所在扇区的两个非零矢量和经过公式(2-3)挑选后的零矢量合成

步骤6：用Matlab/Simulink搭建仿真模型，对本发明提出的变流器控制方法进行验证。为验证本发明技术方案的有效性，在0.2s仿真前采用传统空间矢量调制不对零矢量挑选，但采用本专利所提功率控制策略，0.2s后采用本专利所提多功能空间矢量调制策略。

图3为两种调制策略共模电压对比。可以看出在使用传统空间矢量调制方法时，共模电压峰值为电网相电压峰值±311V，0.2s使用本专利控制策略后，共模电压峰值变为±180V。由此可以看出，本专利提出的基于电流源型变流器多功能空间矢量控制策略对共模电压的抑制效果十分显著。

图4为直流侧负载电流，可以看出两种方法切换前后直流侧电流无变化，说明本专利所提控制策略没有影响整流器直流电流性能。

图5为整流器网侧的相电压、相电流和PWM电流波形。可以看出，在切换瞬间相电流和PWM电流没有暂态畸变，且切换前后电流THD无明显变化，说明三个零矢量对交流侧电流影响是等效的，也说明本专利所提控制策略在降低共模电压的同时没有引起交流电流的畸变。此外可以看出三相电网电压和对应的电网电流相位一致，说明无功补偿策略可以矫正由滤波电容造成的超前功率因数，实现***单位功率因数运行。

综上本发明可以同时降低电流源型变流器共模电压和实现变流器单位功率因数运行，是一种值得推广的新型电流源变流器控制策略。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对电流源型变流器的9种开关状态对应的三相PWM电流进行克拉克坐标变换，将三相PWM电流变换为αβ平面上的两相空间电流矢量，并将两相空间电流矢量按照长度分为两组：零矢量(I_a0、I_b0和I_c0)、非零矢量(I₁…I₆)；变换公式为(1-1)

其中，i_wa(t)、i_wb(t)、i_wc(t)为三相PWM电流，i_α(t)、i_β(t)为两相空间电流矢量I(t)的α、β轴分量；

(2)由电流源型变流器共模电压产生原理，计算每个开关状态产生的共模电压，得到降低共模电压的调制方法；

(3)将变流器并网点电压、电流经派克坐标变换映射到dq旋转坐标系下，通过控制变流器d轴、q轴电流控制变流器有功无功，实现变流器最大功率因数运行，并由此确定空间矢量调制的参考矢量；

(4)由安秒平衡原理确定合成参考矢量的三个开关矢量及作用时间，并根据步骤(2)中的方法确定零矢量对应开关状态。

2.根据权利要求1所述用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括如下步骤：

(1)变流器共模电压由式(1-2)确定：

其中v_cmv为变流器共模电压，v_gp和v_gn为变流器直流侧上、下母线对地电压；

(2)计算9个开关状态对应共模电压，在忽略交流侧滤波电感压降的情况下，由式(1-2)可得零矢量产生共模电压峰值为U_m，非零矢量对应共模电压峰值为0.5U_m，U_m为电网相电压峰值；

(3)根据电网电压挑选共模电压最小的零矢量用于合成参考矢量：

其中v_a、v_b、v_c为电网三相电压。

3.根据权利要求1所述用于电流源型变流器的多功能空间矢量调制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，实现变流器有功无功独立控制包括如下步骤：

(1)将电网电压、并网电流由派克公式(1-4)变换到dq旋转坐标系下，并计算***有功无功：

其中ω为电网电压角速度，t为时间；为dq坐标下电压矢量，U_gd、U_gq为电压矢量的d轴q轴分量；为dq坐标下电流矢量，I_gd、I_gq为电流矢量的d轴q轴分量，i_a、i_b、i_c为变流器三相并网电流；P、Q为变流器有功和无功功率；

(2)由公式(1-6)分别控制变流器d轴q轴电流可独立控制***有功无功功率，并由此确定参考矢量。