三相三開關三電平高功率因數整流器的控制方法與流程
2024-03-02 07:25:15 2
本發明屬於電力電子領域，涉及一種高功率因數整流器，尤其是一種三相三開關三電平高功率因數整流器的控制方法。
背景技術：
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隨著電力電子技術的發展，交流電源系統的電能質量問題受到越來越多的關注。傳統的整流環節廣泛採用二極體不控整流或晶閘管相控整流電路.對電網注入了大量的諧波及無功.造成了嚴重的汙染。提高電網側功率因數以及降低輸入電流諧波的單位功率因數整流器成為研究熱點。
目前三相三開關三電平高功率因數整流器採用的控制方法主要有三種：
空間矢量脈寬調製：三相三開關三電平整流器由3個橋臂組成，每個橋臂有3個開關狀態，總共有27種開關狀態。但由於三相電流的對稱性，三相電流的極性不能同時為正或為負，故三相三開關三電平整流器沒有111和-1-1-1兩種開關狀態，因此開關狀態的總數為25個。使用SVPWM矢量控制，電流區間有6個，每個電流區間的開關狀態有8個，因此空間矢量有8*6＝48個，矢量狀態多，控制複雜，計算時間長。很難將開關頻率提高到10K以上，因此需要高頻PWM整流器的場合，矢量控制比較受限。
滯環控制：滯環控制是一個常規的雙閉環控制，外環為電壓環，內環為電流環，外環PI調節器輸出分別乘以三相電壓的相位信號，就得到三相交流電流的基準信號。該基準信號與實際交流電流信號比較後，其誤差值送到滯環比較器，由比較器的輸出來控制開關的通斷。這一控制方法保證了輸入電流和電網電壓同相，並控制直流輸出電壓。採用滯環控制的PWM整流器系統結構簡單，易於全硬體實現，且系統動態性能優良，電流響應快。但其缺點也很明顯：其功率管的開關頻率變化劇烈，頻率低時跟蹤較差，頻率高時開關損耗大。
單周控制：就是在每個開關周期內控制開關管的佔空比，使開關變量的穩態平均值等於或者與參考量成正比。
空間矢量脈寬調製控制方法，矢量狀態多，控制複雜，計算時間長。很難將開關頻率提高到10K以上，因此需要高頻PWM整流器的場合，矢量控制比較受限。
採用滯環控制的，其功率管的開關頻率變化劇烈，頻率低時跟蹤較差，頻率高時開關損耗大。
單周控制，直接控制一個周期的開關管的佔空比，屬於平均電流控制，對電流跟蹤能力差，抗幹擾能力差。
技術實現要素：
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本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種能量單相流動的三相三開關三電平高功率因數整流器，與傳統的用於大功率的三相全橋整流器相比，具有一定的優勢，三電平特性使開關管上的電壓應力只有輸出電壓的一半，在大功率的應用場合下選擇開關管比較容易，輸出電壓紋波小、輸入濾波器體積小，降低了電流THD。與三電平整流器相比，所需開關管由12個降低為3個，成本降低，控制簡單。因此，三相三電平高功率因數整流器可取代現有的二極體整流或晶閘管整流，廣泛應用於工業系統中，提高電能質量。
本發明的目的是通過以下技術方案來解決的：
三相三開關三電平高功率因數整流器的控制方法，是將三角波比較控制和單周控制進行結合；採用雙閉環控制，外環為直流電壓環，內環為交流電流環，最後由三角波比較器的輸出來控制開關的通斷；三角波比較控制時，在電流為負值時將輸出的調製波反向，而單周控制中引入|ia|為反饋量進行。
採集的數據量為三相交流電壓va、vb、vc，三相交流電流ia、ib、ic，直流電壓Vdc1、Vdc2；使用三相電網電壓除以實時電網峰值電壓，得到一個與三相電網電壓同相位、幅值為1的三相電網同步信號va1、vb1、vc1；上電容電壓Vdc1與下電容電壓Vdc2相加得到直流電壓Vdc。
還包括一個均壓環；
直流電壓環的組成：直流電壓給定Vdcref與直流電壓Vdc的差值送入電壓環PI調節器，得到電壓環PI調節器的輸出Vdcpiout；直流電壓環的目的為穩定直流端電壓；
交流電流環的組成：電壓環PI調節器的輸出Vdcpiout分別乘以三相電網同步信號va1、vb1、vc1後得到信號iaref、ibref、icref，信號iaref、ibref、icref取絕對值後的信號iaref1、ibref1、icref1電流環的輸入給定；三相交流電流ia、ib、ic取絕對值得到電流環輸入信號ia1、ib1、ic1；電流給定iaref1、ibref1、icref1與電流環輸入信號ia1、ib1、ic1的差值送入電流環PI調節器，得到電流環PI調節器的輸出ipiouta、ipioutb、ipioutc；電流環的作用為根據直流端的負荷情況輸出有功電流；
上電容電壓Vdc1與下電容電壓Vdc2的差值送入均壓環PI調節器，構成了均壓控制環；均壓控制環的作用為平衡上下電容電壓，使上下電容電壓相等；
三相電網同步信號va1、vb1、vc1減去均壓控制環後得到信號va2、vb2、vc2，1減去va2、vb2、vc2的絕對值後乘以比例係數k得到三相前饋值A相前饋、B相前饋、C相前饋；
電流環PI調節器的輸出ipiouta、ipioutb、ipioutc；加上三相前饋值A相前饋、B相前饋、C相前饋後，送入三角波比較單元，生成3路PWM驅動開關管。
本發明的有益效果在於：是將三角波比較控制和單周控制進行結合。控制依然引入雙閉環控制，外環為電壓環，內環為電流環，最後由三角波比較器的輸出來控制開關的通斷。滯環控制時由於UAN不僅與開關狀態有關，也與電流方向有關，因此需要在電流為負值時將輸出的調製波反向，而單周控制中整流器的佔空比與輸入電流的絕對值有關，因此，在控制中引入|ia|為反饋量進行，因此不需要像滯環控制中在電流為負值時將輸出的調製波反向。
附圖說明：
圖1為本發明的三相三開關三電平高功率因數整流器結構示意圖；
圖2為本發明的三相三開關三電平高功率因數整流器控制框圖。
具體實施方式：
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
參見圖1、2，是將三角波比較控制和單周控制進行結合；採用雙閉環控制，外環為直流電壓環，內環為交流電流環，最後由三角波比較器的輸出來控制開關的通斷；三角波比較控制時，在電流為負值時將輸出的調製波反向，而單周控制中引入|ia|為反饋量進行。
當三相電源電壓對稱時，有：
假定VIENNA工作在CCM模式下，da、db、dc分別為開關管Sa、Sb、Sc驅動信號的佔空比，有：
整流器輸入輸出電壓與開關管驅動佔空比之間的關係。
為了實現單位功率因數，應該做到各相輸入電流分別跟隨各相輸入電壓，即各相的輸入阻抗為純阻性，定義Re為各相輸入等效電阻。因此VIENNA整流器的控制目標是要使三相輸入電壓、輸入電流滿足：
最終得到整流器輸入輸出電壓與開關管驅動佔空比之間的關係。
因此，整流器的佔空比與輸入電流的絕對值有關，因此，在控制中引入|ia|為反饋量進行。
當三相電源電壓對稱時，有：
假定VIENNA工作在CCM模式下，da、db、dc分別為開關管Sa、Sb、Sc驅動信號的佔空比，有：
整流器輸入輸出電壓與開關管驅動佔空比之間的關係。
為了實現單位功率因數，應該做到各相輸入電流分別跟隨各相輸入電壓，即各相的輸入阻抗為純阻性，定義Re為各相輸入等效電阻。因此VIENNA整流器的控制目標是要使三相輸入電壓、輸入電流滿足：
最終得到整流器輸入輸出電壓與開關管驅動佔空比之間的關係。
因此，整流器的佔空比與輸入電流的絕對值有關，因此，在控制中引入|ia|為反饋量。
需要採集的數據量為三相交流電壓va、vb、vc，三相交流電流ia、ib、ic，直流電壓Vdc1、Vdc2。
本文所述的控制方法，無需三相軟體鎖相環檢測三相電網相位信息，節省計算時間，直接使用三相電網電壓除以實時電網峰值電壓，得到一個與三相電網電壓同相位、幅值為1的三相電網同步信號va1、vb1、vc1。
上電容電壓Vdc1與下電容電壓Vdc2相加得到直流電壓Vdc。
控制部分總共包括三個環路：直流電壓環、交流電流環、均壓環。
直流電壓環的組成：直流電壓給定Vdcref與直流電壓Vdc的差值送入電壓環PI調節器，得到電壓環PI調節器的輸出Vdcpiout。直流電壓環的目的為穩定直流端電壓。
交流電流環的組成：電壓環PI調節器的輸出Vdcpiout分別乘以三相電網同步信號va1、vb1、vc1後得到信號iaref、ibref、icref，信號iaref、ibref、icref取絕對值後的信號iaref1、ibref1、icref1電流環的輸入給定。三相交流電流ia、ib、ic取絕對值得到電流環輸入信號ia1、ib1、ic1。電流給定iaref1、ibref1、icref1與電流環輸入信號ia1、ib1、ic1的差值送入電流環PI調節器，得到電流環PI調節器的輸出ipiouta、ipioutb、ipioutc。電流環的作用為根據直流端的負荷情況輸出有功電流。
上電容電壓Vdc1與下電容電壓Vdc2的差值送入均壓環PI調節器，構成了均壓控制環。均壓控制環的作用為平衡上下電容電壓，使上下電容電壓相等。
三相電網同步信號va1、vb1、vc1減去均壓控制環後得到信號va2、vb2、vc2，1減去va2、vb2、vc2的絕對值後乘以比例係數k得到三相前饋值A相前饋、B相前饋、C相前饋。
電流環PI調節器的輸出ipiouta、ipioutb、ipioutc。加上三相前饋值A相前饋、B相前饋、C相前饋後，送入三角波比較單元，生成3路PWM驅動開關管。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。