CN112910283A - 模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法及*** - Google Patents

模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法及***，包括：采用基于电网电压定向的矢量控制策略，直流电压外环用于实现直流输出电压稳定控制，电流内环用于实现输入电流快速跟踪控制；直流电压外环的输出作为整个***d轴电流的给定值；所述整个***d轴电流给定值与每一台整流器的电流分配比例系数的乘积，作为各台整流器d轴电流的给定值；基于载波调制方法实现对模块化并联整流器中功率开关管的控制。本发明实现了多机并联整流器***中共模电压和环流的同时抑制，从而降低并联***的共模电磁干扰，改善三相输入电流的电能质量，适用于各并联模块电流分配相等、不相等的运行工况。

Description

模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法及***
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
三相PWM整流器具有功率因数高、能量可双向流动等优势，在交流电机变频调速、可再生能源***、分布式发电、不间断电源等场合得到了广泛应用。然而，单台整流器因容量有限，无法用于大容量场合。共交流、直流母线的模块化并联形式则是理想解决方案，可在不增加功率开关管电流应力的情况下，提升***的容量、可靠性和效率。然而，共母线并联形式产生了环流路径，引发环流问题，造成并网电流波形畸变、器件损耗增加、***效率降低等严重危害。同时，在整流器***中，功率器件固有的高频开关特性会产生共模电压(Common-Mode Voltage,CMV)，引发共模电流、共模电磁干扰等诸多弊端，严重影响***及其它用电设备的稳定可靠运行。因此，共模电压和环流抑制已成为模块化并联整流器***亟待解决的关键问题。
发明人发现，当采用传统空间矢量调制方法时，模块化并联整流器的共模电压高达直流输出电压的二分之一，究其原因是零矢量对应的共模电压幅值很高。而现有的共模电压和环流抑制方法采用空间矢量调制方案设计，计算量大，数字实现过程复杂，同时仅适用于含两台整流器的并联***，难以扩展至并联整流器数量大于三台的***。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法及***，能够将整流器的共模电压限制在直流母线电压的六分之一以内，同时有效抑制各个并联模块之间的环流，从而降低并联***的共模电磁干扰，改善三相输入电流的电能质量，适用于各并联模块电流分配相等、不相等的运行工况。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，包括：采用基于电网电压定向的矢量控制策略，直流电压外环用于实现直流输出电压稳定控制，电流内环用于实现输入电流快速跟踪控制；
所述直流电压外环的输出作为整个***d轴电流的给定值；所述整个***d轴电流给定值与每一台整流器的电流分配比例系数的乘积，作为各台整流器d轴电流的给定值。
进一步地，基于载波调制方法实现对模块化并联整流器中功率开关管的控制，每一台整流器电流内环PI控制器的输出量经dq/abc坐标变换后，得到三相原始调制波。
进一步地，模块化并联整流器采用主从控制架构，其中一台整流器作为主机，其余整流器作为从机。
进一步地，为各从机设计增强型环流控制器，用以抑制各并联整流器之间的环流。
进一步地，所述增强型环流控制器输出量的取值范围具体为：
Figure BDA0002968003940000031
其中，vmaxj、vminj、vmidj分别为第j台整流器中三相原始调制波的最大值、最小值和中间值。
进一步地，对于主机，在三相原始调制波中注入零序分量，得到三相最终调制波；对于从机，在三相原始调制波中注入零序分量以及增强型环流控制器的输出，得到三相最终调制波。
进一步地，各整流器根据得到的三相调制波，判断当前参考电压矢量所在的扇区Nj；设置两组相位相差180度的三角载波，记为第一载波和第二载波；基于Nj的取值，选择设定的三角载波与调制波进行比较，根据比较结果生成相应的PWM控制信号。
进一步地，基于Nj的取值，选择设定的三角载波与调制波进行比较，具体包括：
对于A相，当Nj＝1,6时，调制波与第二载波比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与第一载波比较，生成PWM控制信号；
对于B相，当Nj＝3,4时，调制波与第二载波比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与第一载波比较，生成PWM控制信号；
对于C相，当Nj＝2,5时，调制波与第二载波比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与第一载波比较，生成PWM控制信号。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制***，包括：PWM控制器，所述PWM控制器被配置为执行如上述的模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法中的步骤。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明实现了多机并联整流器***中共模电压和环流的同时抑制，从而降低并联***的共模电磁干扰，改善三相输入电流的电能质量，适用于各并联模块电流分配相等、不相等的运行工况。
(2)本发明适用于各台整流器输入滤波电感相等、不相等的运行工况。
(3)本发明适用于各台整流器电流分配比例相等、不相等的运行工况。
(4)本发明基于载波调制方案设计，无需实施复杂的三角函数运算，便于数字化实现。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中模块化并联整流器***的拓扑结构图；
图2为本发明实施例中的***控制方法框图；
图3为本发明实施例中的载波配置示意图；
图4(a)-(c)为采用传统空间矢量调制方法、三台整流器的电流分配比例系数相等(λ1＝λ2＝λ3＝1/3)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形；
图5(a)-(c)为采用本发明方法、三台整流器的电流分配比例系数相等(λ1＝λ2＝λ3＝1/3)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形；
图6(a)-(c)为采用传统空间矢量调制方法、三台整流器的电流分配比例系数不相等(λ1＝1/2，λ2＝1/3，λ3＝1/6)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形；
图7(a)-(c)为采用本发明方法、三台整流器的电流分配比例系数不相等(λ1＝1/2，λ2＝1/3，λ3＝1/6)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
根据本发明的实施例，公开了一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法的实施例，包括：采用基于电网电压定向的矢量控制策略，直流电压外环用于实现直流输出电压稳定控制，电流内环用于实现输入电流快速跟踪控制；
所述直流电压外环的输出作为整个***d轴电流的给定值；所述整个***d轴电流给定值与每一台整流器的电流分配比例系数的乘积，作为各台整流器d轴电流的给定值；基于载波调制方法实现对模块化并联整流器中功率开关管的控制。
其中，模块化并联整流器***结构如图1所示，整个并联***由M台三相两电平PWM整流器组成(M≥3)。每台整流器包括A相、B相和C相桥臂，每相桥臂包括两个功率开关管。三相交流电网经输入电感连接至整流器的三相桥臂，直流侧为滤波电容。各台整流器的输入端和输出端分别连接在一起，提升了整个***的容量，提高了效率和可靠性。
可以理解的是，功率开关管为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；功率开关管也可采用其他形式晶体管来实现。
具体地，所述整流器的每相桥臂有两种工作状态，记为：P和N。选取直流输出电压的负极为参考点，当上侧功率开关管开通、下侧功率开关管关断时，桥臂输出电压等于直流输出电压值，此时的工作状态记为P状态；当下侧功率开关管开通、上侧功率开关管关断时，桥臂输出电压等于0，此时的工作状态记为N状态。
对于第j台(j＝1,2,M)整流器，共模电压定义为：直流侧两个电容的中点(即点Oj)与三相交流电网的公共点(即点Og)之间的电压。环流定义为三相输入电流之和，即：
izj＝iaj+ibj+icj (1)
图2为模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法示意图，
整个并联***采用主从控制架构，第1台整流器为主机，其它整流器为从机。采用基于电网电压定向的矢量控制策略，直流电压外环用于实现直流输出电压稳定控制，电流内环用于实现输入电流快速跟踪控制。采用锁相环(PLL)实现电网电压定向。直流电压外环采用PI控制器，其输出作为d轴电流的给定值，可表示为
Figure BDA0002968003940000071
设计电流分配比例系数，实现不同整流器功率灵活分配，各台整流器的d轴电流给定值可表示为：
Figure BDA0002968003940000072
其中，电流分配比例系数λ1,λ2,…,λM满足
λ1+λ2+…+λM＝1 (4)
为实现单位功率因数运行，各台整流器的q轴电流给定值均设置为0，即
Figure BDA0002968003940000073
电流内环采用PI控制器，并辅以电网电压前馈和解耦算法，实现输入电流快速跟踪控制。基于载波调制方法实现对模块化并联整流器中功率开关管的控制，每一台整流器电流内环PI控制器的输出量经dq/abc坐标变换后，得到三相原始调制波。
为避免复杂的计算过程，基于载波调制方法实现对整流器***中功率开关管的控制。第j台(j＝1,2,…,M)整流器的三相原始调制波可以表示为
Figure BDA0002968003940000081
其中，mj为调制度。
三相原始调制波的最大值、最小值和中间值可表示为
Figure BDA0002968003940000082
为提高直流电压利用率，在三相调制波中注入式(8)所示的零序分量，注入过程可表示为式(9)。
Figure BDA0002968003940000083
Figure BDA0002968003940000084
为第2台，第3台，……，第M台整流器设计增强型环流控制器，抑制各并联模块之间的环流。第j台整流器的增强型环流控制器输出量可表示为
Figure BDA0002968003940000085
为避免过调制引起输出波形畸变，需要对环流控制器输出量yj作限幅处理，可表示为
Figure BDA0002968003940000086
为避免产生高共模电压幅值的基本电压矢量，需要对环流控制器输出量yj作进一步限幅处理，可表示为
Figure BDA0002968003940000091
综上，得到环流控制器输出量的取值范围：
Figure BDA0002968003940000092
将式(10)所示的增强型环流控制器输出量作限幅处理，然后注入三相调制波中，以实现环流高效抑制。
对于主机，在三相原始调制波中注入零序分量，得到三相最终调制波；对于从机，在三相原始调制波中注入零序分量以及增强型环流控制器的输出，得到三相最终调制波。
最终得到的三相调制波可表示为：
Figure BDA0002968003940000093
在第j台整流器中，根据式(14)所示的三相调制波，判断当前参考电压矢量所在的扇区，记为Nj(j＝1,2,…,M)。设置两组相位相差180度的三角载波，如图3所示。
载波优化配置选择方案如下：对于A相，当Nj＝1,6时，调制波与载波2比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与载波1比较，生成PWM控制信号。对于B相，当Nj＝3,4时，调制波与载波2比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与载波1比较，生成PWM控制信号。对于C相，当Nj＝2,5时，调制波与载波2比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与载波1比较，生成PWM控制信号。具体来讲，当调制波高于三角载波时，对应桥臂输出P状态，上侧功率开关管开通、下侧功率开关管关断；当调制波低于三角载波时，对应桥臂输出N状态，上侧功率开关管关断、下侧功率开关管开通。
当采用传统空间矢量调制方法、三台整流器的电流分配比例系数相等(λ1＝λ2＝λ3＝1/3)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形如图4(a)-(c)所示。可以看出，采用传统空间矢量调制方法，并辅以相应的环流抑制方法，可实现环流抑制，但共模电压幅值高达直流输出电压的1/2。
当采用本发明方法、三台整流器的电流分配比例系数相等(λ1＝λ2＝λ3＝1/3)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形如图5(a)-(c)所示。可以看出，此时共模电压幅值为直流输出电压的1/6。与传统空间矢量调制方法相比，共模电压幅值降低2/3。本发明方法可同时抑制模块化并联整流器***的共模电压和环流。
当采用传统空间矢量调制方法、三台整流器的电流分配比例系数不相等(λ1＝1/2，λ2＝1/3，λ3＝1/6)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形如图6(a)-(c)所示。可以看出，采用传统空间矢量调制方法时，各整流器的共模电压幅值高达直流输出电压的1/2，将产生严重的共模电磁干扰。
当采用本发明方法、三台整流器的电流分配比例系数不相等(λ1＝1/2，λ2＝1/3，λ3＝1/6)时，各整流器的三相输入电流、环流、线电压和共模电压波形如图7(a)-(c)所示。此时，各整流器的共模电压幅值为直流输出电压的1/6。本发明方法可有效抑制模块化并联整流器***的共模电压和环流，且适用于电流分配比例系数相等和不相等的工况，优势明显。
实施例二
根据本发明的实施例，公开了一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制***的实施例，包括：PWM控制器，所述PWM控制器被配置为执行如实施例一中所述的模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法中的步骤。
实施例三
根据本发明的实施例，公开了一种计算机可读存储介质的实施例，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法中的步骤。
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 (10)

1.一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，包括：采用基于电网电压定向的矢量控制策略，直流电压外环用于实现直流输出电压稳定控制，电流内环用于实现输入电流快速跟踪控制；
所述直流电压外环的输出作为整个***d轴电流的给定值；所述整个***d轴电流给定值与每一台整流器的电流分配比例系数的乘积，作为各台整流器d轴电流的给定值。
2.如权利要求1所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，基于载波调制方法实现对模块化并联整流器中功率开关管的控制，每一台整流器电流内环PI控制器的输出量经dq/abc坐标变换后，得到三相原始调制波。
3.如权利要求1所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，模块化并联整流器采用主从控制架构，其中一台整流器作为主机，其余整流器作为从机。
4.如权利要求3所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，为各从机设计增强型环流控制器，用以抑制各并联整流器之间的环流。
5.如权利要求4所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，所述增强型环流控制器输出量的取值范围具体为：
Figure FDA0002968003930000011
其中，vmaxj、vminj、vmidj分别为第j台整流器中三相原始调制波的最大值、最小值和中间值。
6.如权利要求4所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，在三相原始调制波中注入零序分量以及增强型环流控制器的输出，作为各从机最终的三相调制波。
7.如权利要求1所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，各整流器根据得到的三相调制波，判断当前参考电压矢量所在的扇区Nj；设置两组相位相差180度的三角载波，记为第一载波和第二载波；基于Nj的取值，选择设定的三角载波与调制波进行比较，根据比较结果生成相应的PWM控制信号。
8.如权利要求7所述的一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法，其特征在于，基于Nj的取值，选择设定的三角载波与调制波进行比较，具体包括：
对于A相，当Nj＝1,6时，调制波与第二载波比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与第一载波比较，生成PWM控制信号；
对于B相，当Nj＝3,4时，调制波与第二载波比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与第一载波比较，生成PWM控制信号；
对于C相，当Nj＝2,5时，调制波与第二载波比较，生成PWM控制信号；当Nj为其它值时，调制波与第一载波比较，生成PWM控制信号。
9.一种模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制***，其特征在于，包括：PWM控制器，所述PWM控制器被配置为执行如权利要求1-8中任一项所述的模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-8中任一项所述的模块化并联整流器的共模电压和环流同时抑制方法中的步骤。
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