维也纳整流器中点电位振荡控制方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及高功率因数、高功率密度电力电子技术领域，尤其是维也纳整流器中点电位振荡控制方法、系统及装置。

背景技术

随着对高电能质量和功率密度整流器的迫切需求，近年来三电平维也纳(VIENNA)整流器已成为国内外研究热点，其不仅可以实现输入单位功率因数校正，具有谐波小、开关损耗低和电磁干扰小等优点，且电路结构简单、开关数目少，无桥臂直通问题，但是，三电平VIENNA整流器存在着中点电位直流及交流不平衡问题。

现有技术的中点平衡控制都是聚焦解决上下电容间的直流不平衡问题，目前为止，针对三电平变换器的直流不平衡问题提出了一些成熟可行的控制方法和措施。中点电位振荡抑制解决的是交流不平衡问题，遗憾的是，目前为止，现有技术关注三电平变换器中点电位振荡抑制方法研究很少，并且主要集中在：通过加入时间偏移量来抑制中点电位振荡，但实施方法复杂，导致实时性差；通过计算中点电位补偿系数，动态补偿注入的零序分量来抑制中点电位振荡，存在着复杂的坐标变换和计算，实时性差等问题；采用SPWM方法抑制中点振荡，但存在着开关损耗高、输出谐波大的缺点，不利于工程实用；采用非连续调制来抑制中点电位振荡，但同时增加了交流侧谐波，降低了电能质量。由于中点电位交流不平衡的振荡会造成低频谐波的存在进而影响电能质量，而三电平VIENNA整流器的性能指标要求是很严格的，因此研究其中点电位的振荡抑制是特别重要的。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种基于小矢量可调的VIENNA整流器中点电位振荡优化控制方法，同时本发明实施例还提供了能对应实现该方法或功能的系统及装置。

第一方面，本申请的技术方案提供了维也纳整流器中点电位振荡控制方法，应用于维也纳整流器，所述维也纳整流器包括功率管，其步骤包括：根据维也纳整流器中电流流向，确定基本空间电压矢量；

构建αβ坐标系，确定所述基本空间电压矢量在所述αβ坐标系中的扇区；

选择所述扇区的基本空间电压矢量，根据所述基本空间电压矢量求解有效基本矢量的作用时间；

调整所述基本空间电压矢量的改变时间，根据所述改变时间优化所述作用时间，根据优化后的作用时间控制所述功率管的开通及关断顺序。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述根据维也纳整流器中电流流向，确定基本空间电压矢量这一步骤，其包括：

确定所述维也纳整流器每相的电流流向，确定所述功率管的开关组合状态；

根据所述开关组合状态确定所述基本空间电压矢量。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述构建αβ坐标系，确定所述基本空间电压矢量在所述αβ坐标系中的扇区这一步骤，包括：

根据所述基本空间电压矢量与α轴夹角，将αβ坐标空间划分得到若干第一扇区，并在所述第一扇区中划分得到若干第二扇区；

将所述基本空间电压矢量变换得到αβ坐标向量，根据所述αβ坐标向量确定所述第一扇区；

根据所述αβ坐标向量确定第一变量，根据所述第一变量在所述第一扇区中坐标位置关系确定所述基本空间电压矢量所处的第二扇区。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述选择所述扇区的基本空间电压矢量，根据所述基本空间电压矢量求解有效基本矢量的作用时间这一步骤，其包括：

获取第一扇区最近的三个所述基本空间电压矢量，根据伏秒平衡原理求解有效基本矢量的作用时间。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述调整所述基本空间电压矢量的改变时间，根据所述改变时间优化所述作用时间，根据优化后的作用时间控制所述功率管的开通及关断顺序这一步骤，其包括：

将所述基本空间电压矢量组合得到矢量对；

改变所述矢量对中基本空间电压矢量的动作时长，保持所述矢量对的动作时长不变。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述改变所述矢量对中基本空间电压矢量的动作时长，保持所述矢量对的动作时长不变这一步骤，其包括：

在所述第二扇区中确定中点电位波动；

改变开关序列动作时间，保持所述矢量对的动作时长不变，消除所述中点电位波动；

根据改变后的开关序列动作时间，递推得到所述第一扇区中所述基本空间电压矢量的动作时长。

第二方面，本发明的技术方案还提供一种系统，应用于维也纳整流器，所述维也纳整流器包括功率管，其包括：

调整模块，用于根据维也纳整流器中电流流向，确定基本空间电压矢量；构建αβ坐标系，根据所述基本空间电压矢量在所述αβ坐标系中的扇区；选择所述扇区的基本空间电压矢量，根据所述基本空间电压矢量求解有效基本矢量的作用时间；调整所述基本空间电压矢量的改变时间，根据所述改变时间优化所述作用时间，根据优化后的作用时间控制所述功率管的开通及关断顺序；

整流模块，用于根据所述调整模块的调整指令将交流电转换为直流电。

第三方面，本发明的技术方案还提供一种维也纳整流器中点电位振荡控制装置，其包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器运行第一方面中的维也纳整流器中点电位振荡控制方法。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本申请的技术方案针对αβ坐标系中各个扇区中电流流向的基本空间电压矢量，调整其对应扇区中基本空间电压矢量的作用时间，根据优化后的作用时间控制功率管的开通及关断顺序；能够有效实现中点电位振荡的抑制，三相交流侧输入电流的谐波明显降低；并且方法简单，不需要经过复杂的坐标变换和计算，实时性好，利于工程实用，有效提高了电能质量，直流侧电容容量和交流侧滤波器的容量都得以减小，成本得以降低，进一步提高了三电平VIENNA整流器的整体性能和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的三电平维也纳整流器的拓扑图；

图2为本发明实施例提供的维也纳整流器中点电位振荡控制方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的三电平维也纳整流器空间矢量图；

图4(a)为本发明实施例提供的开关序列动作时间变动之前的示意图；

图4(b)为本发明实施例提供的开关序列动作时间变动之后的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

首先针对本申请方案中所涉及相关技术名词进行解释：

维也纳整流器(VIENNA)是脉冲宽度调变的整流器，可以接收三相交流电源，也是功率因数修正电路；

αβ坐标系即指两相静止坐标系。

在第一方面，本申请的技术方案提供了一种能够实现基于小矢量可调的VIENNA整流器中点电位振荡优化控制的系统，其主要包括调整模块和整流模块，其中，调整模块主要用于进行重点电位振荡优化控制，其主要根据维也纳整流器中电流流向，确定基本空间电压矢量；构建αβ坐标系，根据基本空间电压矢量在αβ坐标系中的扇区；选择扇区的基本空间电压矢量，根据基本空间电压矢量求解有效基本矢量的作用时间；调整基本空间电压矢量的改变时间，根据改变时间优化作用时间，根据优化后的作用时间控制功率管的开通及关断顺序。整流模块其主要用于根据调整模块的调整指令将交流电转换为直流电。

在实施例中，整流模块主要为VIENNA整流器，VIENNA整流器从本质上讲就是能量的传递，电流由交流侧流向直流侧，根本上中点电位不平衡的是由于流过中点的电流对上下电容的充放电时间不同造成的，直流侧的上下电容值固定不变，控制中点电位平衡只能从控制中点电流出发，由于电容是储能元件，中点电流流过上下电容时必然会引起电容的储存电荷发生变化，从而造成中点电位不平衡，如果通过流入中点电流的电荷积累与原有中点电位的电荷相抵消，那么，中点电位就可以达到平衡。本实施例中的三电平VIENNA整流器的拓扑如图1所示，在图1中，e

在第二方面，如图2所示，基于第一方面中提供的系统实施例，本申请的技术方案提供了维也纳整流器中点电位振荡控制方法的实施例，其中，方法包括步骤S100-S400：

S100、根据维也纳整流器中电流流向，确定基本空间电压矢量；

其中，基本空间电压矢量是根据三相VIENNA整流器每相中的状态，得到若干多种开关状态的组合，对应得到基本空间电压矢量，其包括零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，其中仅小矢量存在冗余矢量。

S200、构建αβ坐标系，确定基本空间电压矢量在αβ坐标系中的扇区；

具体地，实施例中，采用正三角形划分大区间，将坐标系划分得到若干大扇区，在大扇区中划分得到若干小扇区，在判断和参考基本空间电压矢量所在大扇区时，将三相静止坐标系即abc坐标系通过坐标变换将参考合成矢量用两相静止坐标下的向量，通过参考合成矢量之间的关系来判断基本空间电压矢量所在的大扇区，在确定大扇区之后，通过定义新的变量，根据变量的大小进一步判断处在的小扇区。

S300、选择扇区的基本空间电压矢量，根据基本空间电压矢量求解有效基本矢量的作用时间；

具体地，依据参考合成矢量所在的小扇区，选择该扇区最近的三个基本矢量，根据伏秒平衡原理求解有效基本矢量的作用时间。

S400、调整基本空间电压矢量的改变时间，根据改变时间优化作用时间，根据优化后的作用时间控制功率管的开通及关断顺序；

具体地，为了最优化中点电位振荡，在每一个开关序列中流入中点电位的电流引起的中点电位波动为0，通过改变每一个开关序列中小矢量对各自的动作时长，而保持该小矢量对的总动作时长不变，其他矢量的动作时长也保持不变，依此原则调整就可以最优化中点电位振荡。首先计算得到一个小扇区中基本空间电压矢量的改变时间，并类推至该大扇区中所有的小扇区，根据所有小扇区中基本空间电压矢量的改变时间确定大扇区中所有基本空间电压矢量的改变时间，并类推至所有的大扇区。最后按调整优化后的动作时间控制功率管的开通及关断顺序。

在一些可行的实施例中，根据维也纳整流器中电流流向，确定基本空间电压矢量这一步骤S100可以进一步细化为：确定维也纳整流器每相的电流流向，确定开关组合状态；根据开关组合状态确定基本空间电压矢量。

具体地，由于三相VIENNA整流器中每相均有3个状态：[N]、[O]、[P]，其中[P]状态为电流从该相经电容C

在一些可行的实施例中，构建αβ坐标系，根据基本空间电压矢量在αβ坐标系中的扇区这一步骤S200，其可以进一步细化为步骤S210-S230：

S210、将αβ坐标系根据基本空间电压矢量与α轴夹角，将αβ坐标空间划分得到若干第一扇区，并在第一扇区中划分得到若干第二扇区；

S220、将基本空间电压矢量变换得到αβ坐标向量，根据αβ坐标向量确定第一扇区；

S230、根据αβ坐标向量确定第一变量，根据第一变量在第一扇区中坐标位置关系确定基本空间电压矢量所处的第二扇区。

步骤S210-S230中，第一扇区即指αβ坐标系空间进行划分后的大扇区，第二扇区即指大扇区中进一步划分得到的小扇区；在αβ坐标系上根据基本空间电压矢量与α轴的夹角，将其分为6个大扇区，每个大扇区又分为4个小区，分别命名为1，2，3，4，其中3和4为了分析方便又分别分为3a、3b、4a、4b，其空间矢量状态如图3所示。实施例中所有开关状态及中点电流关系如表1所示，由于大矢量与零矢量对中点电位不产生影响，不列入表1。

表1

在判断基本空间电压矢量所在大扇区的过程中，将abc坐标系通过坐标变换将参考合成矢量用两相静止坐标下的v

表2

进一步判断基本空间电压矢量所在小扇区，以图3中第一扇区为例进行判断，其他大扇区通过类似方法判断。首先定义三个新的变量分别为：

则小扇区1，2，3a，3b，4a，4b的判断如表3所示：

表3

在一些可行的实施例中，选择扇区的基本空间电压矢量，根据基本空间电压矢量求解有效基本矢量的作用时间这一步骤S300，其可以进一步具体为：获取第一扇区最近的三个基本空间电压矢量，根据伏秒平衡原理求解有效基本矢量的作用时间。

具体地，依据参考合成矢量所在的小扇区，选择该扇区最近的三个基本矢量，根据伏秒平衡原理求解有效基本矢量的作用时间，第一大扇区中每个小区间内基本矢量优化前作用时间如表4所示，其他扇区每个小区间内基本矢量的作用时间类似。

表4

在表4的作用时间中，M为调制比，T

在一些可行的实施例中，调整基本空间电压矢量的改变时间，根据改变时间优化作用时间，根据优化后的作用时间控制功率管的开通及关断顺序这一步骤S400，其可以进一步细化为步骤S410-S420：

S410、将基本空间电压矢量组合得到矢量对；

S420、改变矢量对中基本空间电压矢量的动作时长，保持矢量对的动作时长不变；

具体地，为了最优化中点电位振荡，在每一个开关序列中流入中点电位的电流引起的中点电位波动为0，通过改变每一个开关序列中小矢量对各自的动作时长，而保持该小矢量对的总动作时长不变，其他矢量的动作时长也保持不变，依此原则调整就可以最优化中点电位振荡。以大扇区1为例进行分析如下，其他扇区类似分析。

(1)小区域1：

本区域开关序列为[ONN]-[PNN]-[PON]-[POO]-[PON]-[PNN]-[ONN]，通常情况下[POO]和[ONN]动作时间相等，如图4(a)所示，此时中矢量[PON]导致流入中点的电流不为0，从而引起中点电位振荡，电位的上升或者下降取决于B相电流的方向，为了抵消中矢量引起的电位振荡，可以改变分别改变[POO]和[ONN]动作时间：

T

T

T

由中矢量[PON]引起的中点电位波动大小ΔV为:

公式(1)-(4)中I

为了消除这个波动电压，通过改变[ONN]和[POO]各自作用时间大小，这一对沉余小矢量总作用时间不变，则有：

由于对称性：

|2T

公式(8)中，I

在公式(9)-(10)中，T

(2)小区域2：

在此小区域中七段式开关序列为[OON]-[PON]-[PPN]-[PPO]-[PPN]-[PON]-[OON]依据前述同样原理分析可得：

(3)小区域3a：

在此小区域中七段式开关序列为[ONN]-[OON]-[PON]-[POO]-[PON]-[OON]-[ONN]依据前述同样原理可知，影响中点电位的矢量分别为[ONN]、[OON]、[POO]、[PON]依据前述同样原理，由表1推导可得：

因此有：

其他开关段时间保持不变。

(4)3b区域：

在此区域中七段式开关序列为[OON]-[PON]-[POO]-[PPO]-[POO]-[PON]-[OON]依据前述同样原理，由表1推导可得：

因此，在本序列开关周期中：

其他开关段时间保持不变。

(5)4a区域：

在此区域中七段式开关序列为[ONN]–[OON]–[OOO]–[POO]–[OOO]–[OON]–[ONN]依据前述同样原理可得：

所以有：

其他段作用时间保持不变。

(6)4b区域：

在此区域中七段式开关序列为[OON]–[OOO]–[POO]–[PPO]–[POO]–[OOO]–[OON]依据前述同样原理可得，由表1推导可得：

所以有：

其他段作用时间保持不变。

在一些可行的实施例中，改变矢量对中基本空间电压矢量的动作时长，保持矢量对的动作时长不变这一步骤，其还包括步骤S430：根据改变后的开关序列动作时间，递推得到第一扇区中基本空间电压矢量的动作时长。

具体地，以大扇区Ⅰ为例，各个基本空间电压矢量调整的时间汇总如表5所示：

表5

其他大扇区对应小扇区的调整时间按上述表5进行类推。进而第一扇区各小区基本空间电压矢量优化后的动作时间如所示：

在小扇区1中，矢量[POO]的作用时间

在小扇区2中，矢量[PPN]的作用时间T＝T

在小扇区3a中，矢量[POO]的作用时间

在小扇区3b中，矢量[POO]的作用时间T＝T

在小扇区4a中，矢量[POO]的作用时间

在小扇区4b中，矢量[POO]的作用时间T＝2T

其他大扇区中各个基本空间电压矢量优化后动作时间通过类推得到。最终按调整优化后的动作时间控制功率管的开通及关断顺序。

第三方面，本申请的技术方案还提供维也纳整流器中点电位振荡控制装置，其包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器运行如第一方面中的维也纳整流器中点电位振荡控制方法。

本发明实施例还提供了一种存储介质内存储有程序，程序被处理器执行，实现如第一方面中的方法。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

本发明能够有效实现中点电位振荡的抑制，三相交流侧输入电流的谐波明显降低，实施方法简单，不需要经过复杂的坐标变换和计算，实时性好，利于工程实用，有效提高了电能质量，直流侧电容容量和交流侧滤波器的容量都得以减小，成本得以降低，进一步提高了三电平VIENNA整流器的整体性能和可靠性。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。