一種抑制電流過零點畸變的VIENNA整流器調製方法
2024-04-13 10:28:05 1
一種抑制電流過零點畸變的vienna整流器調製方法
技術領域
1.本技術屬於整流器調製領域，具體為一種抑制電流過零點畸變的vienna整流器調製方法。
背景技術：
2.隨著全球能源危機愈演愈烈，煤炭、石油、天然氣等不可再生能源實現能量的高效利用成為人類迫以解決的關鍵問題。近年來，伴隨著新能源汽車的廣泛應用，vienna整流器由於其電壓應力低，開關器件少以及高功率密度等因素受到廣泛關注。但是，由於被控對象及變換器自身的非線性因素的影響，很容易給電網帶來高次諧波及無功功率，不僅對電網造成汙染，還使得電能質量降低。vienna整流器由於其自身固有因素，當電流在過零附近時，參考電壓矢量與輸入電流矢量符號並不能保證完全相同，這就會導致電流過零畸變現象的發生。
技術實現要素：
3.基於上述問題，本技術提供一種改進的svpwm調製方法消除了vienna整流器在電流過零點附近產生的畸變，提高了電流質量。其技術方案為，
4.一種抑制電流過零點畸變的vienna整流器調製方法，包括vienna整流器，其三相之間耦合過程調製如下，
5.在a相電流過零時，a相由svpwm產生的調製波階段式鉗位至0的同時，b相、c相調製波減去當前a相調製波的幅值，同時保證0開關周期足夠長的時間以消除電流過零畸變的現象；
6.在b相電流過零時，b相由svpwm產生的調製波階段式鉗位至0的同時，a相、c相調製波減去當前b相調製波的幅值，同時保證0開關周期足夠長的時間以消除電流過零畸變的現象；
7.在c相電流過零時，c相由svpwm產生的調製波階段式鉗位至0的同時，a相、b相調製波減去當前c相調製波的幅值，同時保證0開關周期足夠長的時間消除電流過零畸變的現象；
8.在每一相調製波鉗位至0的過程中，應保證0開關周期數目要比逐步將佔空比鉗位至0的開關周期數目大得多，以保證消除電流過零畸變。
9.優選的，vienna整流器的電感電壓根據電流的符號與調製波符號分別表述為，
10.當電流的符號與調製波符號相同時，電感電壓為
[0011][0012]
當電流符號與調製波符號不同時，電感電壓為
[0013][0014]
由於在過零點附近，三相輸入電壓ek，vk都接近為0，所以上式可以被簡化為
[0015][0016]udc
為輸出電壓、ik為三相注入電流、vk為正弦波分量、v
com
為共模分量，在過零點附近，由於調製波符號與電流符號並不相同，電感電壓會造成參考電壓矢量滯後於輸入電流矢量，根據則根據電路關係，求解滯后角度θ。
[0017]
優選的，所述vienna整流器採用svpwm時的空間矢量分布圖，整個空間矢量分布圖可以被分為6個大扇區，每一個大扇區被分為6個小扇區，在一個工頻周期內，將6個滯后角度θ內的調製波鉗位至0，並且保證0開關周期足夠長的時間，計算步驟如下：
[0018]
由於滯后角度是由電感電壓引起的，則根據電路關係，求得滯后角度θ
[0019][0020][0021]
由於旋轉矢量在一個周期內旋轉的角度為2π，則每一個開關周期所佔的角度θ0可被求得
[0022][0023]
其中，ts為載波頻率，tb為基波頻率；
[0024]
則可求得在每一個θ內被調整的周期數n為
[0025][0026]
式中，ω＝2πf，r為電阻。
[0027]
優選的，由於三相電流的對稱性，只需分析半個工頻周期內的變化即可表示一個周期內所有電流的過零點變化，
[0028]
在π/6+θ～π/6範圍內，為b相電流過零點附近；在此範圍內的前幾個開關周期，將b相調製波等比例下降到0，a，c兩相的調製波也進行等比例補償，補償大小為b相調製波幅值除以下降到0的開關周期數，在剩餘開關周期內，保持為0；
[0029]
在π/2+θ～π/2範圍內，為a相電流過零點附近；在此範圍內的前幾個開關周期，將a相調製波等比例下降到0，b，c兩相的調製波也進行等比例補償，補償大小為a相調製波幅值除以下降到0的開關周期數，在剩餘開關周期內，保持為0；
[0030]
在5π/6+θ～5π/6範圍內，為c相電流過零點附近；在此範圍內的前幾個開關周期，將c相調製波等比例下降到0，a，b兩相的調製波也進行等比例補償，補償大小為c相調製波幅值除以下降到0的開關周期數，在剩餘開關周期內，保持為0。
[0031]
優選的，vienna整流器由常規的svpwm產生的三相調製波在過零範圍內被調整的幅值大小以及精確區間如下，
[0032][0033]
其中k代表由常規的svpwm在過零點附近產生的調製波逐步鉗位至0的開關周期個數，則n-k的大小代表著調製波被鉗位至0的開關周期個數，n為自然數，其取值範圍為[0,k]。
[0034]
有益效果
[0035]
本發明的目的是提出一種抑制電流過零點畸變的vienna整流器調製方法。由於vienna整流器在採用傳統的空間矢量脈寬調製(svpwm)時，電流在過零點附近會產生畸變，造成整個電流環遲滯，並且給電網帶來了諧波汙染，通過對vienna整流器產生過零畸變的原因進行詳細分析，提出了一種改進的svpwm消除了電流在過零點處產生畸變。
附圖說明
[0036]
圖1為vienna電路圖。
[0037]
圖2為傳統的svpwm時的空間矢量分布圖。
[0038]
圖3為vienna整流器的三相等效電路。
[0039]
圖4為實際的合成矢量路線與期盼的合成矢量路線。
[0040]
圖5為參考電壓矢量與輸入電流矢量的相位關係圖。
[0041]
圖6為vienna整流器a相調製波與載波波形圖(a)採用傳統的svpwm時a相在一個工頻周期內的調製波(b)採用傳統的svpwm時a相在過零點附近的調製波波形(c)採用改進的svpwm時a相在一個工頻周期內的調製波(d)採用改進的svpwm時a相在過零點附近的調製波波形。
[0042]
圖7(a)為採用傳統的svpwm開關管觸發波形與a相輸入電流波形(b)為採用改進的svpwm開關管觸發波形與a相輸入電流波形。
[0043]
圖8(a)為採用傳統的svpwm三相電流輸入波形(b)為採用改進的svpwm三相電流輸入波形。
[0044]
圖9為vienna整流器啟動時輸入電流以及輸出電壓波形。
[0045]
圖10為vienna整流器給定電壓突變時輸入電流以及輸出電壓波形。
[0046]
圖11為vienna整流器負載突變時輸入電流以及輸出電壓波形。
[0047]
圖12改進的svpwm調製方法整體流程圖。
具體實施方式
[0048]
以下詳細說明都是例示性的，旨在對本技術提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本技術所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本技術的示例性實施方式。
[0049]
一種抑制電流過零點畸變的vienna整流器調製方法，所述變換器主電路如圖1所示，主要包括：交流側電感l＝1.8mh,二極體d
1-d6，絕緣柵雙極電晶體s
1-s6，直流母線電容c1＝c2＝1500uf，功率負載r
l
＝75ω，ek包括ea,eb,ec為三相輸入電壓，ik包括ia,ib,ic為三相注入電流，u
dc
為輸出直流電壓，開關頻率10khz，基波頻率50hz。
[0050]
vienna整流器在採用傳統的svpwm時的空間矢量分布圖如圖2所示。整個空間矢量分布圖可以被分為6個大扇區，每一個大扇區被分為6個小扇區。虛線表示的是各相電流過零位置。vienna整流器的三相等效電路如圖3所示。
[0051]
根據等效電路，可建立其在abc坐標系下的三相等效模型。
[0052][0053]
在採用傳統的三電平svpwm調製策略時，其調製波可被分為正弦波與共模分量之和的形式。其式可被表達為：
[0054]vrk
＝vk+[-rva+(r-1)vc+2r-1]＝vk+v
com
,k＝a,b,c
[0055]
式中，u
on
為電容中性點與電網中性點之間電壓，v
rk
為三相調製波，vk為正弦波分量(vk包括va、vb、vc，三相調製波中的正弦分量)，r為冗餘矢量的分配係數，v
com
為共模分量。
[0056]
根據狀態空間平均模型，u
ko
,u
on
可被表達為
[0057][0058][0059]
將上述式子聯立，當電流的符號與調製波符號相同時，電感電壓為
[0060][0061]
當電流符號與調製波符號不同時，電感電壓為
[0062][0063]
由於在過零點附近，ek，vk都接近為0，所以上式可以被簡化為
[0064][0065]
可見由於在過零點附近，由於調製波符號與電流符號並不相同，電感電壓的影響會造成參考電壓矢量滯後於輸入電流矢量。由於傳統的svpwm是根據參考電壓矢量劃分的扇區，這就會導致在過零點附近在採用傳統的svpwm時會產生合成矢量的錯誤。其實際的合成矢量路線與期盼的合成矢量路線如圖4所示。
[0066]
其參考電壓矢量與輸入電流矢量的相位關係如圖5所示。由於滯后角度是由上述
分析的電感電壓引起的，則根據電路關係，可求得滯后角度θ
[0067][0068][0069]
式中，ω＝2πf、r為電阻。
[0070]
每一相電流在一個工頻周期內都有兩處過零點，因此三相電流在一個工頻周期內有六處過零點，並且由於三相之間的耦合現象，每一相電流在一個工頻周期內都有六處畸變。需要在這六處對傳統的svpwm都要進行改進。
[0071]
為了消除在電流過零點附近當調製波符號與輸入電流符號不同導致的電感電壓突變進而產生的電流過零點畸變現象，根據當調製波不同時電感電壓公式，將調製波鉗位至0時，可以認為在電流過零點附近，電感電壓為0。這就保證了無論調製波符號與輸入電流符號是否相同，電感電壓上的矢量都不會引起電流畸變。根據上述分析，在一個工頻周期內，需要將6個θ內的調製波鉗位至0，但是調製波鉗位至0會造成佔空比的突然變化，不利於vienna整流器整個系統運行的穩定性，因此需要將調製波逐步鉗位至0，並且保證0開關周期足夠長的時間。
[0072]
由於旋轉矢量在一個周期內旋轉的角度為2π，則每一個開關周期所佔的角度θ0可被求得
[0073][0074]
其中，ts為載波頻率，tb為基波頻率。
[0075]
則可求得在每一個θ內被調整的周期數n為
[0076][0077]
由於三相之間的耦合，在a相電流過零時，b相，c相也會發生畸變；在b相電流過零時，a相，c相也會發生畸變；在c相電流過零時，a相，b相也會發生畸變。因此，在a相電流過零時，a相由svpwm產生的調製波階段式鉗位至0的同時，b相、c相調製波減去當前a相調製波的幅值，同時保證0開關周期足夠長的時間以消除電流過零畸變的現象；在b相電流過零時，b相由svpwm產生的調製波階段式鉗位至0的同時，a相、c相調製波減去當前b相調製波的幅值，同時保證0開關周期足夠長的時間以消除電流過零畸變的現象；在c相電流過零時，c相由svpwm產生的調製波階段式鉗位至0的同時，a相、b相調製波減去當前c相調製波的幅值，同時保證0開關周期足夠長的時間消除電流過零畸變的現象。在每一相調製波鉗位至0的過程中，應保證0開關周期數目要比逐步將佔空比鉗位至0的開關周期數目大得多，以保證消除電流過零畸變。
[0078]
根據傳統的svpwm空間電壓矢量分布圖，各相電流過零點分別在π/6，π/2，5π/6，7π/6，3π/2，11π/6附近，分別在以上六個範圍內對傳統的svpwm進行改進。由於三相電流的對稱性，在此只分析半個工頻周期內的變化即可表示一個周期內所有電流的過零點變化。
[0079]
1.在π/6+θ～π/6範圍內，為b相電流過零點附近。在此範圍內的前幾個開關周期，
將b相調製波等比例下降到0，a相、c相兩相的調製波也進行等比例補償，補償大小為b相調製波幅值除以下降到0的開關周期數，在剩餘開關周期內，保持為0。
[0080]
2.在π/2+θ～π/2範圍內，為a相電流過零點附近。在此範圍內的前幾個開關周期，將a相調製波等比例下降到0，b相、c相兩相的調製波也進行等比例補償，補償大小為a相調製波幅值除以下降到0的開關周期數，在剩餘開關周期內，保持為0。
[0081]
3.在5π/6+θ～5π/6範圍內，為c相電流過零點附近。在此範圍內的前幾個開關周期，將c相調製波等比例下降到0，a相、b相兩相的調製波也進行等比例補償，補償大小為c相調製波幅值除以下降到0的開關周期數，在剩餘開關周期內，保持為0。
[0082]
可列出vienna整流器由常規的svpwm產生的三相調製波在過零範圍內被調整的幅值大小以及精確區間。在此表中，k代表由常規的svpwm在過零點附近產生的調製波逐步鉗位至0的開關周期個數，則n-k的大小代表著調製波被鉗位至0的開關周期個數。n為自然數，其取值範圍為[0,k]。值得注意的是，k的大小與n的大小息息相關，載波頻率，開關頻率以及滯后角度θ又直接決定著n。k的取值範圍可以適當被調整，當n較大時，可以更加細微的將調製波逐步鉗位至0，當k的取值較為小時，應首先保證零狀態開關周期具有足夠長的時間。圖6分別顯示了在採用常規的svpwm和本發明改進的svpwm調製策略時a相電壓調製波的波形。可以明顯的看到，在採用本發明改進的svpwm調製策略時，調製波逐步被鉗位至0。
[0083][0084]
改進的svpwm軟體控制的整體流程圖如圖12所示。利用霍爾傳感器，通過ad採集晶片，使用dsp採集到電網電壓，三相輸入電流，直流輸出電壓信息。根據電網電壓及輸入電流，計算得到參考電壓與輸入電流滯后角度θ。給定電壓與反饋電壓比較，選擇合適的控制算法得到電壓參考矢量。電壓參考矢量進入傳統的svpwm調製算法得到三相調製信號。將三相調製信號分別在上述範圍6個θ範圍內進行改進，得到改進的svpwm三相調製信號。改進的三相調製信號送入比較器得到6路開關管的觸發信號。
[0085]
圖7顯示了a相電流分別採用傳統的svpwm與改進的svpwm輸入電流波形以及開關管的觸發信號。可以明顯看到，在採用改進的svpwm後，開關管觸發信號，在電流過零點附近被鉗位至0。圖8顯示了三相輸入電流分別採用傳統的svpwm與改進的svpwm後的電流波形，可以看到，在採用改進的svpwm調製方法時，三相電流過零點畸變均得到消除。圖9圖10圖11分別顯示了vienna整流器在啟動，給定電壓突變以及負載突變時的電流波形，可以看到，均無過零點畸變現象。
[0086]
以上所述僅為本技術的優選實施例而已，並不用於限制本技術，對於本領域的技術人員來說，本技術可以有各種更改和變化。凡在本技術的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本技術的保護範圍之內。