阅读说明：本技术 一种针对大负载情况下Vienna整流器电流畸变的控制方法 (Control method for Vienna rectifier current distortion under heavy load condition ) 是由 季嘉伟 刘钊 孔建寿 余婕 龚健 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大负载情况下Vienna整流器电流畸变的控制方法,由实际运行情况得到Vienna整流器的调制度m,再根据m与θ<Sub>m</Sub>的关系式得到对应的最大允许滞后角θ<Sub>m</Sub>；计算出实际滞后角θ并与最大允许滞后角θ<Sub>m</Sub>进行比较,从而确定是否需要补偿无功,若θ≤θ<Sub>m</Sub>则无需补偿,若θ>θ<Sub>m</Sub>则需要补偿无功；采用零序分量注入法,完成Vienna整流器控制。本发明不仅可以改善大负载情况下的电流畸变,还可以最大化功率因数角。(The invention discloses a control method for Vienna rectifier current distortion under a heavy load condition, which obtains the modulation degree m of the Vienna rectifier according to the actual operation condition, and then obtains the modulation degree m according to m and theta m To obtain a corresponding maximum allowable lag angle theta m (ii) a Calculating the actual lag angle theta and the maximum allowable lag angle theta m Comparing to determine whether to compensate for reactive power, if theta is less than or equal to theta m Then no compensation is required, if theta>θ m Reactive power needs to be compensated; and (5) completing the control of the Vienna rectifier by adopting a zero-sequence component injection method. The invention can not only improve the current distortion under the condition of large load, but also maximize the power factor angle.)

一种针对大负载情况下Vienna整流器电流畸变的控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术，特别涉及一种针对大负载情况下Vienna整流器电流畸变的控制方法。

背景技术

对于Vienna整流器，由于相电流与参考电压矢量之间存在夹角，在三相电流过零点时其拓扑中二极管将强制换流，从而会引起的电流畸变，导致电流变差。而传统的零序分量注入法虽然可以在一定情况下解决电流畸变问题，但是该方法受到调制度的限制，这就导致相电流与参考电压矢量之间的夹角也有限制，所以当负载电流增大到超过一定限制时仅零序分量注入法将不再适用，下面详细阐述零序分量注入法原理。

图1为传统三相三线制Vienna整流器的拓扑，Vienna整流器为三电平变换器，图2为三电平空间矢量图，按照三相电压分布划分为6个扇区，从扇区Ⅰ至扇区Ⅵ。由于电感上的压降导致参考电压v_ref与电流i_s之间产生滞后角，如图2中扇区Ⅰ所示，假设当某一调制度下使得v_ref在a区域运行，则基本矢量组合为[100]，[10-1]，[00-1]，[0-1-1]。但是当进入b区域时，由于二极管的不可控特性，只能输出[01-1]而不是[0-1-1]。因此采用如[000]→[100]→[10-1]→[100]→[000]的五段式SVPWM即可避免电流畸变。换句话说，只要在电流换向时开关一直开着，就可以避免电流畸变。因此将第一扇区的分析推广到其余扇区，把SVPWM里的分析等价到SPWM中计算后即可得到零序分量注入法。

传统零序分量法受到调制度m的限制，如图3的第一扇区空间矢量图，当v_ref在区域1和2运行时，可以由冗余矢量进行代替，当进入区域3时，只能使用大矢量[1-1-1]且没有冗余矢量可以代替，而[1-1-1]本身在电流换向时无法输出，因此一旦进入区域3后，如果调制度m超过一定限制，电流一定会畸变。

发明内容

本发明的目的在提供一种针对大负载情况下Vienna整流器电流畸变的控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大负载情况下Vienna整流器电流畸变的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、由实际运行情况得到Vienna整流器的调制度m，再根据m与θ_m的关系式得到对应的最大允许滞后角θ_m；

步骤2、计算出实际滞后角θ并与最大允许滞后角θ_m进行比较，从而确定是否需要补偿无功，若θ≤θ_m则无需补偿，若θ>θ_m则需要补偿无功；

步骤3、采用零序分量注入法，完成Vienna整流器控制。

进一步的，步骤1中，m与θ_m的关系式为

进一步的，步骤2中，实际滞后角计算公式为

其中，i_d和e_d分别为有功电流和电网电压，V_out为直流侧输出电压，i_out为输出电流。

进一步的，步骤3中，需要补偿无功为

i_q ^*＝i_d ^*tanΔθ

其中，Δθ由下式获得

θ＝θ_v-Δθ

式中，θ_v是参考矢量v_ref与电网电压e_d的夹角，i_d为有功电流，ω是电网角频率，L为电感感值；随着补偿的无功增加，θ_v也会略微增大，因此难以直接确定Δθ，令实际滞后角θ等于当前调制度所允许的最大滞后角θ_m，再由上式即可求解得到θv和Δθ。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：对Vienna整流器的空间矢量图进行分析，确定传统零序分量注入法的适用范围，通过补偿一定的无功功率来减小电流与参考电压矢量之间的滞后角θ，并使之达到零序分量法的使用范围内，从而再使用零序分量注入法，不仅可以改善大负载情况下的电流畸变，还可以最大化功率因数角。

附图说明

图1为三相三线制Vienna整流器拓扑图。

图2为三电平空间矢量图。。

图3为第一扇区空间矢量图。

图4为调制度m与最大允许滞后角θ_m的关系图。

图5为单位功率因数的运行矢量图。

图6为无功功率补偿原理图。

图7为θ_m和Δθ以及θ_v和Δθ的关系图。

图8为电流仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

步骤1、由实际运行情况得到Vienna整流器的调制度m，再根据m与θ_m的关系式得到对应的最大允许滞后角θ_m。

在该步骤中，可以从图3的第一扇区空间矢量图中分析得到调制度m与最大允许滞后角θ_m的关系式，如下：

为了方便表述，上式中采用归一化处理，假设三角形的边长为2，参考矢量的长度为ɑ，另一条边长为x。

化简可得到m与θ_m的关系式：

根据关系式可以画出曲线图4，由此可以看出当调制度m增大时，最大允许滞后角θ_m是逐渐下降的。选取对应调制度m时的θ_m即可得到最大允许滞后角。

步骤2、计算出实际滞后角θ并与最大允许滞后角θ_m进行比较，从而确定是否需要补偿无功，若θ≤θ_m则无需补偿，若θ>θ_m则需要补偿无功。

实际滞后角θ的表达式如下

其中i_d和e_d分别为有功电流和电网电压，V_out为直流侧输出电压，i_out为输出电流。

步骤3、当θ>θ_m时需要补偿无功为i_q ^*＝i_d ^*tanΔθ，然后再结合零序分量注入法解决。

下面对步骤3做详细说明，图5为单位功率因数时整流器的运行矢量图，其中电流和参考矢量之间滞后角达到最大为θ_m。负载增大，输出电流i_out增加，i_d也会增加，当i_d增到如图6所示时，所对应的滞后角θ>θ_m，通过补偿一定的无功功率来使i_d与v_ref的滞后角θ减小，如图所示补偿后的电流为i。只需要补偿到当θ＝θ_m时使用零序分量注入法即可，这样可以保证功率因数最大化，但是可以从图6中发现，当补偿一定的无功之后，参考电压矢量v_ref与电网电压e_d之间的角度也会略微增大，记为θ_v，从而使得补偿无功的具体数值难以确定，但从图中可以得到滞后角θ与补偿角Δθ和θ_v的关系式：

θ＝θ_v-Δθ (4)

由余弦定理和勾股定理可以得到：

上式中u_L是电感电压，化简可得下式：

从图6中可以很直观的看到v_ref的变化，即补偿了一定的无功之后v_ref减小，从而调制度m也下降，那么所允许的最大滞后角θ_m其实是增加的。换言之，通过补偿无功，可以使原先的θ>θ_m变为θ≤θ_m，为了最大化功率因数角，那么只需要满足θ＝θ_m即可，然后利用公式(4)和(6)求解出此时的θ_v和Δθ，Δθ即为所应该补偿的无功角，无功指令为

i_q ^*＝tanΔθ·i_d ^* (7)

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。

在Matlab/Simulink中搭建实验仿真模型，系统参数如表1所示。当负载增加到使i_d＝12A时，计算出此时的v_ref并且得到调制度m＝0.894，对应的θ_m＝4°，但是此时的实际滞后角为5.08°，因此单纯使用零序分量注入法仍会有电流畸变。因此采用补偿无功的办法，画出θ_m和Δθ的关系图以及θ_v和Δθ的关系，如图7所示，在增大的时候θ_v增量很小，选取相应的Δθ，根据计算得无功电流指令约为0.21A。

表1 Vienna整流器电路参数

参数	数值
		电网电压(相)	60V(50Hz)
直流侧电压	165V
		滤波电感L	2mH
直流侧电容C	2.05mF
		开关频率	30kHz

仿真如图8所示，0.5s前为仅零序分量注入法后的电流情况，注入分量如表2所示，0.5s之后补偿部分无功之后，电流得到了改善。

表2零序分量注入法

扇区	零序分量	注入范围
			I	-V<sub>b</sub>	V<sub>a</sub>-2V<sub>b</sub>+V<sub>c</sub>&gt;0,V<sub>a</sub>-V<sub>b</sub>&lt;1,V<sub>a</sub>-V<sub>c</sub>&gt;1
II	-V<sub>a</sub>	2V<sub>a</sub>-V<sub>b</sub>-V<sub>c</sub>&gt;0,V<sub>a</sub>-V<sub>c</sub>&lt;1,V<sub>b</sub>-V<sub>c</sub>&gt;1
			III	-V<sub>c</sub>	V<sub>a</sub>+V<sub>b</sub>-2V<sub>c</sub>&gt;0,V<sub>a</sub>-V<sub>b</sub>&lt;-1,V<sub>b</sub>-V<sub>c</sub>&lt;1
IV	-V<sub>b</sub>	V<sub>a</sub>-2V<sub>b</sub>+V<sub>c</sub>&lt;0,V<sub>a</sub>-V<sub>b</sub>&gt;-1,V<sub>a</sub>-V<sub>c</sub>&lt;-1
			V	-V<sub>a</sub>	2V<sub>a</sub>-V<sub>b</sub>-V<sub>c</sub>&lt;0,V<sub>a</sub>-V<sub>c</sub>&gt;-1,V<sub>b</sub>-V<sub>c</sub>&lt;-1
VI	-V<sub>c</sub>	V<sub>a</sub>+V<sub>b</sub>-2V<sub>c</sub>&lt;0,V<sub>a</sub>-V<sub>b</sub>&gt;1,V<sub>b</sub>-V<sub>c</sub>&gt;-1