一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法
阅读：360发布：2024-01-22
专利汇可以提供一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种抑制五相 电流 源型变流器电流谐波的控制方法，该方法采用五相全桥拓扑结构，在每个 开关 周期筛选出四个有效矢量以及一个零矢量，能够显著降低电流谐波，改善输出电流 波形 ，省去额外的 电能 质量 治理装置，节省成本，提高运行效率，保证空间矢量 脉宽调制 原有的电流控制 精度 。同时也不会影响交流侧的功率 角 ，能够保证五相独立 电网 运行在较高的功率因数状态下。，下面是一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法专利的具体信息内容。
1.一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法，基于五相电流源型变流器并网整流器，五相电流源型变流器通过滤波器连接至公共连接点PCC后与五相独立电网交换功率；其中，变流器由十个功率开关模块组成五相全桥拓扑，变流器的直流侧串联公用的直流侧母线电感Ldc用于抑制直流侧的电流波动；其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ进行极坐标变换得出合成矢量在αβ平面与α坐标轴的夹角θ(0≤θ<2π)，并将θ作为参考矢量 的夹角；
步骤S2：根据夹角θ计算参考矢量 所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；
步骤S3：优化有效矢量的排列顺序，确保矢量切换过程中动作的开关数目最少，按照有效矢量排序从五种零矢量中挑选一种能最小化开关动作次数的零矢量；
步骤S4：得到开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法，其特征在于，步骤S2中四个有效矢量包括两个大矢量和两个小矢量。
一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，能源紧缺、环境污染等问题日益严重。因此，太阳能、风能、氢能等新能源的开发利用日渐加快，新型分布式发电技术也越来越受到人们的重视。在分布式并网发电系统中，变流器在可再生能源转换装置与电网间起到了必不可少的接口作用，并成为分布式发电系统中极其重要的组成部分。在新型动力机车牵引以及舰船推进等低压大功率应用场合采用多相系统，通过增加相数来降低对每一相功率器件容量的要求是一种新型的功率变换解决方案。与传统的三相系统相比，多相系统的主要优点有：多相电机输出转矩密度更高，转矩波动更低，运行可靠性高；多相变流器直流母线电流波动较小；由于相数冗余，具备更好的容错运行能力，可以在缺相情况下继续运行。
[0003] 相比于多相电压源型变流器(VSC)，多相电流源型变流器(CSC)具有拓扑简单、功率开关管数目少且直接串联方便、在开关频率较低的情况下仍然可以输出高质量的电流波形，短路特性可靠并满足四象限运行等特点，特别适合于中压大功率应用场合。在石油化工、船舶、水泥、采矿和金属和废水处理等行业中，通过对这些工业领域中应用的多相电机进行变频调速控制，可达到节能降耗的目的。
[0004] 与传统三相系统变流器调制策略相比，五相电流源型变流器调制策略更加复杂，电流空间矢量分布于基波平面和三次谐波平面，必须同时考虑基波以及三次谐波电流参考矢量的合成。因此，目前关于五相电流源型变流器相关调制策略还只是采用传统的三段法调制。这种调制方式会使变流器交流侧电流有很大的三次谐波。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法，该方法省去额外的电能质量治理装置，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和运行效率，并且由测试可知变流器输出电流谐波的抑制效果显著，可以保证对网侧电流的控制精度。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种抑制五相电流源型变流器电流谐波的控制方法，基于五相电流源型变流器并网整流器，五相电流源型变流器通过滤波器连接至公共连接点PCC后与五相独立电网交换功率；其中，五相电流源型变流器由十个功率开关模块组成五相全桥拓扑，五相电流源型变流器的直流侧串联公用的直流侧母线电感Ldc用于抑制直流侧的电流波动；该控制方法包括以下步骤：
[0008] 步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ进行极坐标变换得出合成矢量在αβ平面与α坐标轴的夹角θ(0≤θ<2π)，并将θ作为参考矢量 的夹角；
[0009] 步骤S2：根据夹角θ计算参考矢量 所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量(两个大矢量和两个小矢量)，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；
[0010] 步骤S3：优化有效矢量的排列顺序，确保矢量切换过程中动作的开关数目最少，按照有效矢量排序从五种零矢量中挑选一种能最小化开关动作次数的零矢量；
[0012] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0013] 1.本发明中采用基于空间矢量脉宽调制抑制五相电流源型变流器输出电流谐波的控制方法，通过使用两个大矢量，两个小矢量和一个零矢量合成参考电流矢量，能够显著降低变流器输出电流谐波，省去了额外的电能质量治理装置，节省了成本，提高了运行效率。空间矢量脉冲调制方法具有调制灵活性高以及实现方便的特点，而且具有良好的数字化特性便于后续编程控制以及处理。
[0014] 2.在空间矢量脉冲调制基础上的抑制电流谐波控制策略无需增加额外的电气设施，没有滞后具有实时性，不会降低电网的功率因数。同时，该方法给出优化后的空间矢量排序，减少开关动作次数，降低了系统的开关损耗。附图说明
[0015] 图1为本发明具体实施例中五相电流源型变流器的拓扑结构。
[0016] 图2-1为本发明中五相电流源型变流器空间矢量在基波平面的分布示意图。
[0017] 图2-2为本发明中五相电流源型变流器空间矢量在三次谐波平面的分布示意图。
[0018] 图3为本发明中的矢量切换顺序示意图。
[0019] 图4-1为传统方案应用时五相电流源型变流器交流侧电流波形示意图。
[0020] 图4-2为传统方案应用时五相电流源型变流器a相输出电流波形示意图。
[0021] 图4-3为本发明方案应用时五相电流源型变流器交流侧电流波形示意图。
[0022] 图4-4为本发明方案应用时五相电流源型变流器a相输出电流波形示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0024] 本发明的控制方法基于五相电流源型变流器并网整流器的拓扑结构，如图1所示，其结构具体如下：五相电流源型变流器2通过滤波器1连接到公共连接点PCC后与五相独立电网交换功率；其中，五相电流源型变流器2由十个功率开关模块组成五相全桥拓扑，五相电流源型变流器2的直流侧串联公用的直流侧母线电感Ldc用于抑制直流侧的电流波动。
[0025] 本发明基于空间矢量脉宽调制抑制五相电流源型变流器输出电流谐波的控制策略，其具体方法如下：
[0026] 步骤S1：在每个开关周期开始时，变流器利用采样电路采集公共连接点五相独立电网电压值VPCC，并将VPCC经过五相克拉克坐标变换后的数字量VPCCα和VPCCβ发送至变流器的控制模块，将数字量VPCCα和VPCCβ进行极坐标变换得出合成矢量在αβ平面与α坐标轴的夹角θ(0≤θ<2π)，并将θ作为参考矢量 的夹角；
[0027] 步骤S2：根据夹角θ计算参考矢量 所在的扇区，由此确定合成参考矢量所采用的四个有效矢量(两个大矢量和两个小矢量)，并结合夹角θ的值确定所有矢量的作用时间；
[0028] 步骤S3：优化有效矢量的排列顺序，确保矢量切换过程中动作的开关数目最少，按照有效矢量排序从五种零矢量中挑选一种能最小化开关动作次数的零矢量；
[0029] 步骤S4：得到开关管的占空比信号，由此控制变流器开关管的开通与关断。
[0030] 以下为本发明更具体的实施方式：
[0031] 步骤S2中：变流器参考矢量 所在扇区根据参考矢量与基波(αβ)平面α坐标轴的夹角θ确定，具体确定方式如图2-1所示。根据多相系统的克拉克(Clarke)变换矩阵，基波平面和三次谐波平面对应电流分量可以表示为：
[0032] [iα iβ ix iy i0]T＝C5[iwa iwb iwc iwd iwe]T (1)
[0033] 式中，iwa，iwb，iwc，iwd和iwe分别指变流器五相PWM瞬时电流。iα和iβ表示基波平面的正交电流分量，ix和iy表示三次谐波平面的正交电流分量，i0表示零序电流分量。在五相五线制系统中，i0等于零。Clarke变换矩阵C5为：
[0034]
[0035] 由式(1)和(2)即可得到分布于基波(αβ)平面与三次谐波(xy)平面的空间矢量，如表1所示。
[0036] 表1为本发明得到的五相电流源型变流器空间矢量
[0037]
[0038]
[0039] 将直流电流大小表示为Idc，基波平面上的空间矢量按照幅值大小可以分为两类：大矢量 幅值为0.76Idc，小矢量 幅值为0.47Idc。在基波平面上，
每个扇区内参考矢量 由两个大矢量两个小矢量和一个零矢量合成。以第I扇区为例，其安秒平衡方程为：
每个扇区内参考矢量 由两个大矢量两个小矢量和一个零矢量合成。以第I扇区为例，其安秒平衡方程为：
[0040]
[0041] 式中，Ts代表采样周期， 代表基波平面电流参考矢量， 代表三次谐波平面电流参考矢量。t1，t2，t3和t4分别指式(3)中对应空间矢量的作用时间。
[0042] 结合图2-1和图2-2所示的空间矢量分布状态可以得到基波和三次谐波电流分量与6个有效矢量作用时间之间的关系：
[0043]
[0044] 式中系数矩阵A5为：
[0045]
[0046] 因此，有效矢量作用时间可以表示为：
[0047]
[0048] 为了消除五相电流源型变流器输出电流的三次谐波分量，需要保证三次谐波平面上电流分量为零(iref,x＝iref,y＝0)。根据式(6)可以得到对应的矢量作用时间：
[0049]
[0050] 式中，基波平面参考电流分量iref,α和iref,β可以表示为：
[0051]
[0052] 式中ma为调制比，即参考电流峰值(Iref)与直流母线电流值之比(ma＝Iref/Idc)。按照归一化方法，可以得到电流参考矢量与扇区起始空间矢量(扇区I内为 )的夹角：
[0053] θs＝θ-(k-1)π/5 (9)
[0054] 式中，k＝1，2，…，10，对应十个扇区I，II，…，X。结合式(7)和(8)可以得到：
[0055]
[0056] 步骤S3中：根据所确定的四个有效矢量和一个零矢量来合成电流参考矢量，每个空间矢量对应2个开关管导通。因此，为了降低变流器的开关损耗，需要优化空间矢量的切换顺序，减少切换过程中动作的开关数量。图3以扇区I为例说明了矢量切换顺序。切换顺序：以小矢量 为起始矢量，其余有效矢量的排序遵循一个计算周期内开关切换数量最小的原则，即 零矢量可选择 此时，一个计算周期开关切换数量为4。
[0057] 根据图4-1可以看出五相电流源型变流器在采用传统的三段法调制策略时，交流电流会出现严重的电流畸变。图4-2为变流器a相输出电流。根据图4-3可以看出当采用提出的抑制抑制输出电流谐波的控制方法时，变流器交流电流波形呈对称的五相正弦波，保证了空间矢量脉宽调制原有的电流控制精度。图4-4为变流器a相输出电流。同时也不会影响网侧的功率角，能够保证电网运行在一个很高的功率因数状态下。
[0058] 综上：本发明提出的基于空间矢量脉宽调制抑制抑制五相电流源型变流器输出电流谐波的控制方法可以方便的应用于五相PWM电流源型变流器当中，起到很好的抑制五相电流源型变流器输出电流谐波的效果。省去额外的电能质量治理设备，节省了系统的成本与体积，提高了功率密度和运行效率，保证对网侧电流的控制精度。是一种值得推广的新型变流器控制方法。
[0059] 本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
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