一种VIENNA整流器通用快速调制方法技术

本发明专利技术公开了一种VIENNA整流器通用快速调制方法，包括1）通过VIENNA整流器的数学模型，建立九个开关的数学模型，得到九个开关占空比与调制波的等式约束；2）通过定义的新变量，建立满足控制电压约束的两个方程，给出满足等式约束条件的通用解；3）根据三相电流的不同方向，得到六种状态；根据此六种状态，得到不同的状态下的不等式约束条件；根据六种状态的不等式约束条件，得到自由变量的取值上下限；4）从VIENNA整流器的电容中性点电位控制的控制方程出发，求解出中性点电位平衡控制的补偿量。本发明专利技术公开的VIENNA整流器的调制模型和求解过程的计算工作量小，相对于三电平变流器的SVPWM调制技术，大大地减少了计算时间。大大地减少了计算时间。大大地减少了计算时间。

【技术实现步骤摘要】
一种VIENNA整流器通用快速调制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子电气设备及电气工程
，特别涉及一种VIENNA整流器通用快速调制方法。

技术介绍

[0002]VIENNA整流器是一种两象限中点钳位式三电平PWM整流器拓扑。在能量不需要双向流动的应用场合，VIENNA整流器存在诸多优点。一方面，与传统的两电平结构相比，由于电平数的增加，降低了电流的谐波畸变率(THD)和功率开关器件的电压应力；另一方面，与三电平PWM整流器相比，所需的功率开关器件由12个减少为6个，减低了开关损耗、成本和控制的复杂度；此外，当功率开关器件导通时，连接于直流母线的二极管可以阻断直通电流，不存在输出电压桥臂直通问题，不需要设置驱动死区时间，从而进一步提高了整流器的可靠性。
[0003]VIENNA整流器的控制策略主要分为单周期控制和矢量控制。单周期控制是一种无需乘法器、无需输入电压检测的非线性控制技术，其通过复位积分器使得被控量在一个开关周期内跟踪控制参考值。同时，单周期控制技术还具有开关频率恒定、响应速度快以及控制简单等优点。但VIENNA整流器的单周期控制忽略了电流内环的动态过程，直接由采样电流的绝对值得到全控开关管的占空比。因为没有电流内环，对电流控制为开环状态，电流容易受到干扰。矢量控制由电压外环和电流内环组成，其控制输出为2相坐标系下的控制电压，需要经过调制得到实际开关的占空比。目前研究和应用最为普遍的两种方法是正弦载波调制(sinusoidal carrier
‑
based modulation，SPWM)和空间矢量脉宽调制法(space vector pulse width modulation，SVPWM)。载波调制方法操作简单，易于实现，便于多模块级联，但直流侧电压利用率不高，无法对直流侧电压进行控制。SVPWM开关模型简单，便于微机实时控制，并且具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等特点，而且还可以利用电压矢量的冗余状态来实现对直流侧电压的控制及降低开关损耗。但是由于电压矢量的冗余状态增加，算法过于复杂，使用较少。如果能找出SPWM与SWPVM之间的本质关系，通过简单易于实现的SPWM调制方法来实现SVPWM的调制效果，就能将SVPWM应用推广到任意电平，充分利用SVPWM调制优点。但目前对这两种调制方法之间的内在关系的研究仍未能得到深入的分析与认识。
[0004]现有技术中，VIENNA整流器是一种三电平整流器，具有纹波小，广泛应用于高压大功率场合，其控制策略主要有单周期控制和矢量控制。单周期控制方法是一种公开的实现单位功率因数的简单易实现的方法，但使用该方法会出现直流侧上下电容上的电压的三倍频脉动。矢量控制的SVPWM调制因合成矢量多而计算复杂。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术缺陷，提供考虑中点电位平衡控制的VIENNA整流器快速调制方法，VIENNA整流器的调制模型和求解过程的计算工作量小，相对于三电平变流
器的SVPWM调制技术，大大地减少了计算时间。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：一种VIENNA整流器通用快速调制方法，包括以下步骤：
[0007]1)通过VIENNA整流器的数学模型，建立九个开关的数学模型，建立九个开关与真实的三个开关和电流方向的关系，得到九个开关占空比与调制波的等式约束；
[0008]2)通过定义的新变量，建立满足控制电压约束的两个方程，给出满足等式约束条件的通用解；
[0009]3)根据三相电流的不同方向，得到六种状态；根据此六种状态，得到不同的状态下的不等式约束条件；根据六种状态的不等式约束条件，得到自由变量的取值上下限，最终确定三个双向开关管的占空比；
[0010]4)从VIENNA整流器的电容中性点电位控制的控制方程出发，求解出中性点电位平衡控制的补偿量。
[0011]作为本专利技术的进一步限定，所述步骤1)具体包括：假设VIENNA整流器控制电压为u
α
、u
β
，利用u
α
＝S
α
u
dc
，u
β
＝S
β
u
dc
，得到S
α
、S
β
与S
ap
、S
an
、S
bp
、S
bn
、S
cp
、S
cn
之间的关系，见式(1)：
[0012][0013]因三开关S
ip
,S
in
,S
i0
与电流方向有关，设S
i
(i＝a,b,c)为三相开关的占空比，为书写简洁，令S'
i
＝1
‑
S
i i＝a,b,c，S'
i
(i＝a,b,c)为三相开关占空比的中间变量，则得到调制等式约束方程：
[0014][0015]其中，其中sign为符号函数，u
a
、u
b
、u
c
为调制输出相电压，S
α
、S
β
为α、β坐标系下的调制系数；i
a
、i
b
、i
c
为三相电感上的电流；S
ap
、S
an
、S
bp
、S
bn
、S
cp
、S
cn
分别为a相正电平开关占空比、a相负电平开关占空比、b相正电平开关占空比、b相负电平开关占空比、c相正电平开关占空比、c相负电平开关占空比；S
apn
、S
bpn
、S
cpn
为a，b，c三相调制系数中间变量；S
′
a
、S
′
b
、S
′
c
为占空比S
a
、S
b
、S
c
的中间变量。
[0016]作为本专利技术的进一步限定，所述步骤2)具体包括：约束方程(3)存在一个自由变量，得到解的一般结构为：
[0017][0018]其中S
x
、S
y
为S
cpn
为自由变量，自由变量与电流方向有关；S
x
、S
y
为根据S
α
、S
β
定义的中间变量。
[0019]作为本专利技术的进一步限定，所述步骤3)具体包括：确定六种可能的电流方向和S
apn
、S
bpn
、S
cpn
的变化范围，见表1：
[0020]表1i
a
、i
b
、i
c
的方向与S
apn
、S
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种VIENNA整流器通用快速调制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过VIENNA整流器的数学模型，建立九个开关的数学模型，建立九个开关与真实的三个开关和电流方向的关系，得到九个开关占空比与调制波的等式约束；2)通过定义的新变量，建立满足控制电压约束的两个方程，给出满足等式约束条件的通用解；3)根据三相电流的不同方向，得到六种状态；根据此六种状态，得到不同的状态下的不等式约束条件；根据六种状态的不等式约束条件，得到自由变量的取值上下限，最终确定三个双向开关管的占空比；4)从VIENNA整流器的电容中性点电位控制的控制方程出发，求解出中性点电位平衡控制的补偿量。2.根据权利要求1所述的考虑中点电位平衡控制的VIENNA整流器快速调制方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：假设VIENNA整流器控制电压为u
α
、u
β
，利用u
α
＝S
α
u
dc
，u
β
＝S
β
u
dc
，得到S
α
、S
β
与S
ap
、S
an
、S
bp
、S
bn
、S
cp
、S
cn
之间的关系，见式(1)：因三开关S
ip
,S
in
,S
i0
与电流方向有关，设S
i
(i＝a,b,c)为三相开关的占空比，令S'
i
＝1
‑
S
i
i＝a,b,c，S'
i
(i＝a,b,c)为三相开关占空比的中间变量，(2)，则得到调制等式约束方程：其中，其中sign为符号函数，u
a
、u
b
、u
c
为调制输出相电压，S
α
、S
β
为α、β坐标系下的调制系数；i
a
、i
b
、i
c
为三相电感上的电流；S
ap
、S
an
、S
bp
、S
bn
、S
cp
、S
cn
分别为a相正电平开关占空比、a相负电平开关占空比、b相正电平开关占空比、b相负电平开关占空比、c相正电平开关占空比、c相负电平开关占空比；S
apn
、S
bpn
、S
cpn
为a，b，c三相调制系数中间变量；S
′
a
、S
′
b
、S
′
c
为占空比S
a
、S
b
、S
c
的中间变量。3.根据权利要求2所述的一种VIENNA整流器通用快速调制方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：约束方程(3)存在一个自由变量，得到解的一般结构为：
其中S
x
、S
y
为S
cpn
为自由变量，自由变量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬，郑安琪，梁健，马恩禄，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：