CN111952975B - 电网过零补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及整流变换器技术领域，公开了一种电网过零补偿方法。上述方法，在传统的电压外环控制母线电压，电流内环控制电感电流的基础上加上三相电网过零点区域电压判断。通过采集三相电网的电压分别判断三相电网的电压是否处于过零点区域内来判断三相电网是否过零。当判断三相电网中任意一相电网过零时，则记录该相电网的第一调制电压并使得所述第一调制电压钳位至零，同时对其它非过零的两相电网的第二调制电压和第三调制电压反向补偿上该置零前记录的所述第一调制电压的电压值。通过对三相电网在过零点进行补偿，可以解决因为升压电感自身的内阻以及硬件电路中电感电流控制信号存在延迟时造成的网侧电流滞后于网侧电压的问题，提高电流质量。

Description

电网过零补偿方法
技术领域
本发明涉及整流变换器技术领域，特别是涉及一种电网过零补偿方法。
背景技术
三相Vienna整流器作为三电平整流器广泛应用于通信电源、不间断电源、风力发电等场合。其较传统的两电平整流器而言具有更高的功率密度，所以应用在产品中可以缩小体积使得产品实现轻量化；此外其独特的结构使得开关管承受应力为直流侧母线电压的一半，所以更适合在大功率高电压输出中使用，并且其避免了桥臂直通的问题，同时避免了因设置死区时间而造成的电流质量变差问题，间接提高了其可靠性。在三相Vienna整流器的常规控制方法中，不管是SPWM控制还是SVPWM控制，都不可必免的因电感上的压降造成在电网过零点处形成电流畸变的现象，从而造成电网电流总谐波畸变率(THDI)的提高，影响电网电流质量。
发明内容
基于此，有必要针对在电网过零点处形成电流畸变，影响电网电流质量的问题，提供一种电网过零补偿方法。
一种电网过零补偿方法，包括分别采样三相电网的电压，判断三相电网的电压是否处于过零点区域；若三相电网中某一相电网的电压处于过零点区域，则判断该相电网处于过零点状态；获取处于过零点状态的该相的第一调制电压，对所述第一调制电压进行置零钳位处理；获取处于非过零点状态的另外两相的第二调制电压和第三调制电压，对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿，补偿值为所述第一调制电压置零前的电压值。
上述电网过零补偿方法，在传统的电压外环控制母线电压，电流内环控制电感电流的基础上加上三相电网过零点区域电压判断，通过采集三相电网的电压分别判断三相电网的电压是否处于过零点区域内来判断三相电网是否过零。当判断出三相电网中任意一相电网过零时，则记录该相的第一调制电压并使得所述第一调制电压钳位至零，其它非过零两相的第二调制电压和第三调制电压需要反向补偿上该置零前记录的所述第一调制电压的电压值。通过本发明提供的所述电网过零补偿方法对三相电网在过零点进行补偿，可以解决因为升压电感自身的内阻以及硬件电路中电感电流控制信号存在延迟时造成的网侧电流滞后于网侧电压的问题，从而大大改善网侧电流过零点畸变问题，减小电网电流总谐波畸变率，提高电流质量。
在其中一个实施例中，过零补偿后三相电网的第一调制电压、第二调制电压和第三调制电压分别为：
Figure BDA0002604476210000021
其中，RecDrvVoltA为过零补偿后的所述第一调制电压；RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压；RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压；RecDrvVoltA’为过零补偿前的所述第一调制电压；RecDrvVoltB’为过零补偿前的所述第二调制电压；RecDrvVoltC’为过零补偿前的所述第三调制电压。
在其中一个实施例中，所述过零点区域的电压范围为-30V～30V。
在其中一个实施例中，所述电网过零补偿方法还包括对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿时，补偿值为所述第一调制电压置零前的电压值乘以权重因子。
在其中一个实施例中，加入权重因子且经线过零补偿后三相电网的第一调制电压、第二调制电压和第三调制电压分别为：
Figure BDA0002604476210000031
其中，RecDrvVoltA为过零补偿后的所述第一调制电压；RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压；RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压；RecDrvVoltA’为过零补偿前的所述第一调制电压；RecDrvVoltB’为过零补偿前的所述第二调制电压；RecDrvVoltC’为过零补偿前的所述第三调制电压；p为权重因子。
在其中一个实施例中，所述权重因子的取值范围为0～1。
在其中一个实施例中，根据电网的电压选择所述权重因子的取值。
在其中一个实施例中，所述权重因子在电网电压的有效值小于150V时取0，在电网电压的有效值为220V时取1。
一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行上述实施例中任意一项所述电网过零补偿方法的步骤。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中任意一项所述电网过零补偿方法的步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一实施例的电网过零补偿方法的方法流程图；
图2为本发明其中一实施例的加入电网过零补偿方法的控制框图；
图3为本发明其中一实施例的满载时加入电网过零补偿方法前后电流波形对比图；
图4为本发明其中一实施例的半载时加入电网过零补偿方法前后电流波形对比图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
三相Vienna整流器作为三电平整流器广泛应用于通信电源、不间断电源、风力发电等场合。其与传统的两电平整流器相较而言具有更高的功率密度，所以在应用中可以缩小产品的体积使得产品实现轻量化。此外，其独特的结构使得开关管的承受应力为直流侧母线电压的一半，所以更适合在大功率高电压输出中使用，并且可以避免桥臂直通问题，同时避免因设置死区时间而造成的电流质量变差问题，从而间接提高了其可靠性。
在三相Vienna整流器的常规控制方法中，不管是采用SPWM控制还是SVPWM控制，都不可必免地会因电感上的压降而造成在电网过零点处形成电流畸变的现象。因此，造成了THDI(Total Harmonic Current Distortion，电网电流总谐波畸变率)的提高，影响了电网电流的质量。传统的电网电流过零补偿方法需要利用计算公式：
Figure BDA0002604476210000051
算出在电网过零时网侧电流与三相调制电压的相位差。但计算公式较为繁琐，而且由于磁性器件的参数在不同功率下会发生改变，随着功率的增大对于磁性器件参数的影响越明显，导致利用计算公式计算出的结果往往存在着较大的偏差，所以应用在实际产品中也达不到满意的效果。
本发明旨在通过一种根据电网电压直接判断出三相电网的过零点区域，在该区域改变原调制波的电压，从而间接改善网侧电流在过零点畸变的问题。
图1为本发明其中一实施例的电网过零补偿方法的方法流程图，在其中一个实施例中，所述电网过零补偿方法包括如下步骤S100至S400。
S100：分别采样三相电网的电压，判断三相电网的电压是否处于过零点区域。
S200：若三相电网中某一相电网的电压处于过零点区域，则判断该相电网处于过零点状态。
S300：获取处于过零点状态的该相电网的第一调制电压，对所述第一调制电压进行置零钳位处理。
S400：获取处于非过零点状态的另外两相的第二调制电压和第三调制电压，对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿，补偿值为所述第一调制电压置零前的电压值。
本发明提供的所述电网过零补偿方法在传统的电压外环控制母线电压，电流内环控制电感电流的基础上加上对三相电网在过零点区域的电压判断。通过对三相电网的电压进行采集，并分别判断三相电网的电压是否处于过零点区域。若其中某一相电网的电压处于所述过零点区域则判断该相电网处于过零点状态，则使得该相电网的调制电压钳位至零，并使得其它两相非过零的电网的第二调制电压和第三调制电压反向补偿上该相电网过零调制前的所述第一调制电压的电压值。
例如，所述三相电网分别包括A相电网、B相电网和C相电网。通过分别对A相电网、B相电网和C相电网进行采样后，判断A相电网的电压处于所述过零点区域，则判断所述A相电网处于过零点状态。获取所述A相电网的第一调制电压，并记录所述A相电网的第一调制电压在调制前的电压值。使得所述A相电网的所述第一调制电压置零，同时获取B相电网的第二调制电压和C相电网的第三调制电压。对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿，反向补偿的补偿值为所述A相电网的第一调制电压在调制前的电压值。同样地，当B相电网或C相电网的电压处于过零区域时，也与上述A相电网过零时作相同的处理，在此不加以赘述。通过本发明提供的所述电网过零补偿方法对三相电网在过零点进行补偿，可以解决因为升压电感自身的内阻以及硬件电路中电感电流控制信号存在延迟时造成的网侧电流滞后于网侧电压的问题，从而大大改善网侧电流过零点畸变问题，减小电网电流总谐波畸变率，提高电流质量。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在其中一个实施例中，过零补偿后三相电网的第一调制电压、第二调制电压和第三调制电压分别为：
Figure BDA0002604476210000071
其中，RecDrvVoltA为过零补偿后的所述第一调制电压；RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压；RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压；RecDrvVoltA’为过零补偿前的所述第一调制电压；RecDrvVoltB’为过零补偿前的所述第二调制电压；RecDrvVoltC’为过零补偿前的所述第三调制电压。
在本实施例中，所述三相电网分别包括A相电网、B相电网和C相电网。若在对所述A相电网、B相电网和C相电网进行采样后，判断所述A相电网的电压处于所述过零点区域，则判断所述A相电网处于过零点状态。获取所述A相电网的第一调制电压，并记录此时所述第一调制电压的电压值RecDrvVoltA’。同时，获取所述B相电网此时的所述第二调制电压RecDrvVoltB’和所述C相电网此时的所述第三调制电压RecDrvVoltC’。对所述A相电网的所述第一调制电压进行置零钳位处理，即使得RecDrvVoltA＝0，此时RecDrvVoltA为经过过零补偿后的所述第一调制电压。同时，对所述第二调制电压RecDrvVoltB’和所述第三调制电压RecDrvVoltC’进行反向补偿，反向补偿的补偿值为所述A相电网的第一调制电压在调制前的电压值RecDrvVoltA’；即，RecDrvVoltB＝RecDrvVoltB’-RecDrvVoltA’，RecDrvVoltC＝RecDrvVoltC’-RecDrvVoltA’，此时RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压，RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压。当B相电网或C相电网的电压处于过零区域时，也与上述A相电网过零时作相同的处理，在此不加以赘述。
在其中一个实施例中，所述过零点区域的电压范围为-30V～30V。在本实施例中，通过将上述电网过零补偿方法应用在实际产品中，并进行反复试验测试后发现，将所述过零点区域的电压范围选择为-30V～30V时，使用该方法不会影响到控制环路正常的控制效果。并且，通过将上述电网过零补偿方法应用于产品中并在不同功率下进行多次测试后发现，功率等级越大时该电网过零补偿方法对于电流过零补偿的效果越明显，可以有效地减小电网电流的总谐波畸变率，同时避免了在电流过零时发生畸变所带来的隐患。经过反复的实验测试也验证了上述电网过零补偿方法不仅实现步骤较为简便而且作用效果较为明显，应用可靠性较高。
图2为本发明其中一实施例的加入电网过零补偿方法的控制框图，在其中一个实施例中，所述电网过零补偿方法还包括对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿时，补偿值为所述第一调制电压置零前的电压值乘以权重因子。在将上述电网过零补偿方法应用在实际产品中，并进行反复试验测试时发现，如果输入的三相电网电压非常不稳、电网电压的幅值发生明显变化或当电网电压的幅值较小时，如果使用和在正常电网情况下相同的补偿值，就可能会导致在发波瞬间有较大的电流冲击产生。这是因为在相同的功率下，电网电压的有效值越小，则其电流的基础幅值就越大，而此时非过零状态的两相因为本算法的补偿作用会产生一个较大的驱动，从而造成一个大的电流冲击。因此，在本实施例中，对本发明提供的所述电网过零补偿方法经过优化后，在上述方法中加入一个取值与电网电压的幅值相关联的权重因子。即，在对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿时，对补偿值进行调整，将补偿值调整为所述第一调制电压置零前的电压值乘以权重因子，以防止在电网电压的幅值较小时，对非过零状态的两相电压的反向补偿过大，从而造成大的电流冲击。通过引入权重因子来进一步提升本发明提供的所述电网过零补偿方法的稳定性和适应性。
在其中一个实施例中，加入权重因子且经线过零补偿后三相电网的第一调制电压、第二调制电压和第三调制电压分别为：
Figure BDA0002604476210000091
其中，RecDrvVoltA为过零补偿后的所述第一调制电压；RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压；RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压；RecDrvVoltA’为过零补偿前的所述第一调制电压；RecDrvVoltB’为过零补偿前的所述第二调制电压；RecDrvVoltC’为过零补偿前的所述第三调制电压；p为权重因子。
同样地，在判断所述A相电网处于过零点状态后，获取所述A相电网的第一调制电压，并记录此时所述第一调制电压的电压值RecDrvVoltA’。同时，获取所述B相电网此时的所述第二调制电压RecDrvVoltB’和所述C相电网此时的所述第三调制电压RecDrvVoltC’。对所述A相电网的所述第一调制电压进行置零钳位处理，即使得RecDrvVoltA＝0，此时RecDrvVoltA为经过过零补偿后的所述第一调制电压。同时，对所述第二调制电压RecDrvVoltB’和所述第三调制电压RecDrvVoltC’进行反向补偿，在本实施例中反向补偿的补偿值为所述A相电网的第一调制电压在调制前的电压值RecDrvVoltA’乘以权重因子p；即，RecDrvVoltB＝RecDrvVoltB’-RecDrvVoltA’*p，RecDrvVoltC＝RecDrvVoltC’-RecDrvVoltA’*p，此时RecDrvVoltB为加入权重因子进行调节并过零补偿后的所述第二调制电压，RecDrvVoltC为加入权重因子进行调节并过零补偿后的所述第三调制电压。当B相电网或C相电网的电压处于过零区域时，也与上述A相电网过零时作相同的处理，在此不加以赘述。
在其中一个实施例中，所述权重因子的取值范围为0～1。本发明提供的所述电网过零补偿方法在正常的双环控制中加入了对电网电压的过零区域补偿。上述方法中有两个关键之处分别在于：一是对于过零区域的判断；二是对于权重因子p值的选取以对调制电压进行二次调节。通过将上述电网过零补偿方法应用在实际产品中，并进行反复试验测试后发现，将权重因子的取值范围选择为0～1，使用权重因子对过零补偿进行二次调节时可以较好地防止电路中出现一个较大的冲击电流。
在其中一个实施例中，根据电网的电压选择所述权重因子的取值。由于在相同功率下，电网电压的有效值越小，电网电流的基础幅值就越大，而本方法对非过零状态两相的补偿作用，会产生一个较大的驱动，从而造成一个大的电流冲击。引入权重因子用于对非过零状态两相的补偿作用进行调整，因此，权重因子的具体取值与电网的电压值相关。在本实施例中权重因子的取值与电网电压值呈正相关的关系。即，电网的电压值越小时，权重因子的取值也越小；电网的电压值越大时，则权重因子的取值也越大。电网的电压值较小时选取较小的权重因子，则对非过零状态两相的反向补偿值也就越小，因此非过零状态的两相电压产生的驱动值也较小，不会形成大的冲击电流。电网的电压值较大时选取的权重因子也较大，而电网电压的有效值大时，其电流的基础幅值较小，不用担心对非过零状态两相的反向补偿会造成大的冲击电流，因此可以对非过零状态的两相进行补偿值较大的反向补偿。通过本发明提供的所述电网过零补偿方法对三相电网在过零点进行补偿，可以解决因为升压电感自身的内阻以及硬件电路中电感电流控制信号存在延迟时造成的网侧电流滞后于网侧电压的问题，从而大大改善网侧电流过零点畸变问题，减小电网电流总谐波畸变率，提高电流质量。
在其中一个实施例中，所述权重因子在电网电压的有效值小于150V时取0，在电网电压的有效值为220V时取1。在实际应用时，对于p的具体取值应根据应用的实际产品做出相应的测试调整。
图3为本发明其中一实施例的满载时加入电网过零补偿方法前后电流波形对比图，图4为本发明其中一实施例的半载时加入电网过零补偿方法前后电流波形对比图。图3中的(a)图显示的是功率为满载时使用所述电网过零补偿方法前的电流波形对比图，图3中的(b)图显示的是功率为满载时使用所述电网过零补偿方法后的电流波形对比图；图4中的(a)图显示的是功率为半载时使用所述电网过零补偿方法前的电流波形对比图，图4中的(b)图显示的是功率为半载时使用所述电网过零补偿方法后的电流波形对比图。分别通过对图3的(a)、(b)图和图4的(a)、(b)图进行对比可发现，在不同的功率情况下加入本发明提供的所述电网过零补偿方法后均可大大优化电网电流在过零处的畸变情况，同时随着功率等级的增大该方法对电流过零补偿效果也越明显，可以有效较小电网电流的总谐波畸变率，提高电流质量。
本发明还提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行上述实施例中任意一项所述电网过零补偿方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中任意一项所述电网过零补偿方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电网过零补偿方法，其特征在于，包括：
分别采样三相电网的电压，判断三相电网的电压是否处于过零点区域；
若三相电网中某一相电网的电压处于过零点区域，则判断该相电网处于过零点状态；
获取处于过零点状态的该相电网的第一调制电压并记录此时所述第一调制电压的电压值，对所述第一调制电压进行置零钳位处理；
获取处于非过零点状态的另外两相电压的第二调制电压和第三调制电压，对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿，补偿值为所述第一调制电压置零前的电压值。
2.根据权利要求1所述的电网过零补偿方法，其特征在于，过零补偿后三相电网的第一调制电压、第二调制电压和第三调制电压分别为：
Figure FDA0003460204700000011
其中，RecDrvVoltA为过零补偿后的所述第一调制电压；RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压；RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压；RecDrvVoltA’为过零补偿前的所述第一调制电压；RecDrvVoltB’为过零补偿前的所述第二调制电压；RecDrvVoltC’为过零补偿前的所述第三调制电压。
3.根据权利要求2所述的电网过零补偿方法，其特征在于，所述过零点区域的电压范围为-30V～30V。
4.根据权利要求1所述的电网过零补偿方法，其特征在于，所述电网过零补偿方法还包括：
对所述第二调制电压和所述第三调制电压进行反向补偿时，补偿值为所述第一调制电压置零前的电压值乘以权重因子。
5.根据权利要求4所述的电网过零补偿方法，其特征在于，加入权重因子且经过零补偿后三相电网的第一调制电压、第二调制电压和第三调制电压分别为：
Figure FDA0003460204700000021
其中，RecDrvVoltA为过零补偿后的所述第一调制电压；RecDrvVoltB为过零补偿后的所述第二调制电压；RecDrvVoltC为过零补偿后的所述第三调制电压；RecDrvVoltA’为过零补偿前的所述第一调制电压；RecDrvVoltB’为过零补偿前的所述第二调制电压；RecDrvVoltC’为过零补偿前的所述第三调制电压；p为权重因子。
6.根据权利要求5所述的电网过零补偿方法，其特征在于，所述权重因子的取值范围为0～1。
7.根据权利要求6所述的电网过零补偿方法，其特征在于，根据电网的电压选择所述权重因子的取值。
8.根据权利要求7所述的电网过零补偿方法，其特征在于，所述权重因子在电网电压的有效值小于150V时取0，在电网电压的有效值为220V时取1。
9.一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行权利要求1-8中任意一项所述电网过零补偿方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-8中任意一项所述电网过零补偿方法的步骤。
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