变频驱动器谐波抑制稳压调控系统及方法与流程

本发明涉及电力电子，特别是涉及一种变频驱动器谐波抑制稳压调控系统及方法。

背景技术：

1、交直流电能变换系统通常采用三相整流电路将交流电转换为直流电，并通过由平波电感与滤波电容构成的直流滤波网络对直流侧进行滤波，后级逆变桥再将直流电转换为频率和幅值受控的交流电，用于驱动负载运行，上述拓扑构成了电力变换与变频驱动的基础回路，当电网出现电压跌落、不对称波动或谐波侵入时，整流环节会使中间直流母线上出现特征次脉动电压，并进一步影响逆变桥的调制过程和输出电压，造成输出交流电流出现低频畸变和转矩脉动，与此同时，电压源型逆变桥在闭环调控下会呈现等效负阻抗特性，容易与直流滤波回路发生阻抗失配并引起高频串联谐振，使直流母线出现瞬态过电压尖峰，同时加剧功率器件的电流振荡和电气应力。

2、针对上述问题，现有方式可以通过增大母线电容容量来减小电压脉动，但这样会增加硬件体积和制造成本，而且仍无法消除负阻抗引起的谐振失稳，也可以在直流回路中增加无源阻尼电阻，但阻尼电阻会持续产生有功发热损耗，从而降低系统转换效率，为克服硬件层面的体积、成本及发热损耗瓶颈，现有技术尝试通过重塑逆变器控制算法来构建虚拟阻抗，例如，公开号为cn113363959a的中国发明专利申请公开了一种针对三相逆变器的虚拟阻抗构建方法，基于恒功率稳态工作点建立小信号线性化模型，通过反演传递函数在特定轴向引入输入阻抗调节器以改善系统阻抗特性，然而，该类小信号反演控制严格依赖于稳态工作点附近的线性化近似假设；在电网电压突降、大范围调速或重载起动等非线性强扰动瞬态工况下，实际工作点发生深度偏移，预设的小信号传递函数极易失真失效，同时，该方案未将母线低频脉动纹波、寄生高频谐振与逆变调制时序进行离散域解耦联动，无法在瞬态大扰动下兼顾谐振主动抑制与空间矢量调制时序的动态重构，难以有效降低母线瞬态畸变对逆变输出电能质量的不利扰动。

3、因此，如何在不增加阻尼电阻发热损耗的情况下改善逆变输入导纳特性，抑制滤波回路的寄生谐振，同时对直流母线不同频段的波动与空间矢量调制时序进行实时分离和补偿，以提高电网电压大范围波动及工况变化时的母线稳压精度和输出电能质量，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明提供如下技术方案：一种变频驱动器谐波抑制稳压调控系统，包括：

2、三相整流滤波拓扑单元，交流端连接交流电网，直流端连接直流母线，用于输出直流电；

3、直流母线状态高频感知单元，采样端连接直流母线，用于采集直流母线瞬态电压信号与直流母线瞬态电流信号；

4、母线多频段谐波分解与扰动解耦单元，连接直流母线状态高频感知单元，用于对直流母线瞬态电压信号分频解耦，输出直流电压基准偏差量、特征次脉动纹波分量与高频谐振扰动分量；其中，母线多频段谐波分解与扰动解耦单元包括：直流偏差提取模块，用于基于滑动平均滤波窗计算基波工频周期内的直流母线瞬态电压均值，并将直流母线瞬态电压均值与额定直流电压标称值作差，输出直流电压基准偏差量；谐波正交提取模块，用于基于并联二阶广义积分器在离散时域对直流母线瞬态电压信号滤波，分离出二次脉动分量与六次脉动分量，叠加生成特征次脉动纹波分量；高频谐振捕获模块，用于通过数字带通滤波器截取直流母线瞬态电压信号中落在电感电容谐振频带内的波动信号，输出高频谐振扰动分量；

5、虚拟阻尼谐振主动抑制单元，连接母线多频段谐波分解与扰动解耦单元，用于依据高频谐振扰动分量生成静止坐标系下的虚拟阻尼电压补偿分量；

6、动态调制时序重构与谐波对冲单元，分别连接母线多频段谐波分解与扰动解耦单元及虚拟阻尼谐振主动抑制单元，用于依据额定直流电压标称值与直流母线瞬态电压信号的比值生成瞬态前馈补偿系数，依据特征次脉动纹波分量生成反向对冲分量，将基础相电压控制指令与虚拟阻尼电压补偿分量相加后乘以瞬态前馈补偿系数，再减去反向对冲分量生成合成电压指令，据此计算有效工作矢量与零矢量的离散作用时间并输出开关驱动脉冲信号；

7、三相逆变功率输出单元，直流端连接直流母线，控制端接收开关驱动脉冲信号，交流端连接被控电驱动负载。

8、优选的，三相整流滤波拓扑单元包括三相不控整流桥以及由平波电感与电解电容器组构成的型滤波网络，其中平波电感的电感值为0.8mh，电解电容器组的总容量为1500μf；直流母线状态高频感知单元包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器以及双通道同步模数转换器，双通道同步模数转换器的采样触发端与三相逆变功率输出单元的脉宽调制对称三角载波顶点和底点保持硬件同步锁定，采样频率配置为20khz。

9、优选的，虚拟阻尼谐振主动抑制单元包括：电流谐振提取模块，用于采集三相逆变输出电流并转换至同步旋转坐标系，提取其中的轴高频谐振电流分量与轴高频谐振电流分量；阻尼电压计算模块，用于将轴高频谐振电流分量与轴高频谐振电流分量分别乘以预设的虚拟阻尼系数，生成同步旋转坐标系下的负反馈阻尼补偿电压；坐标反变换模块，用于将负反馈阻尼补偿电压转换为两相静止坐标系下的虚拟阻尼电压补偿分量，使三相逆变功率输出单元在系统谐振频段处的输入导纳呈现正阻性。

10、优选的，动态调制时序重构与谐波对冲单元依据合成电压指令在目标扇区基础矢量上的几何投影，计算相邻第一有效工作矢量离散作用时间、第二有效工作矢量离散作用时间以及单开关周期内的零矢量总作用时间，并按照对称七段式时序分配各矢量作用时间：在单个开关周期的初始段分配总零矢量作用时间的四分之一，紧邻分配第一有效工作矢量离散作用时间的一半与第二有效工作矢量离散作用时间的一半，在周期中间段分配总零矢量作用时间的二分之一，并在对称后序段依次镜像分配第二有效工作矢量离散作用时间的一半、第一有效工作矢量离散作用时间的一半以及尾段四分之一总零矢量作用时间。

11、优选的，高频谐振捕获模块中的数字带通滤波器为四阶巴特沃斯数字带通滤波器，其通带频率范围配置为800hz至3500hz，通带衰减小于0.5db，阻带衰减大于40db，用于滤除直流稳态分量以及低于800hz的脉动纹波。

12、优选的，虚拟阻尼系数的设定范围为1.0ω至2.0ω，且电流谐振提取模块在提取高频谐振电流分量时包含超前滞后相位校正环节，用于补偿采样计算延迟对正阻性阻尼特性的相位影响。

13、优选的，动态调制时序重构与谐波对冲单元还包括调制比线性边界钳位模块，当合成电压指令超出由直流母线瞬态电压信号决定的最大线性调制边界时，按相同比例缩放各有效工作矢量的离散作用时间，并相应扩增零矢量作用时间。

14、优选的，三相逆变功率输出单元在环境温度为-40℃至60℃且三相交流电网的电压波动幅度处于额定电压的-20%至+20%区间内运转；当直流母线瞬态电压信号发生突降时，动态调制时序重构与谐波对冲单元提升瞬态前馈补偿系数以补偿直流母线电压跌落对输出基波电压幅值的影响，同时虚拟阻尼谐振主动抑制单元抑制平波电感与电解电容器组引发的高频串联谐振过电压。

15、一种变频驱动器谐波抑制稳压调控方法，其用于运行一种变频驱动器谐波抑制稳压调控系统，包括以下步骤：

16、步骤s1，通过三相整流滤波拓扑单元将交流电转换为包含直流电压分量与纹波分量的直流电，并通过直流母线状态高频感知单元同步采集直流母线瞬态电压信号与直流母线瞬态电流信号；

17、步骤s2，通过母线多频段谐波分解与扰动解耦单元对直流母线瞬态电压信号分频解耦，输出直流电压基准偏差量、特征次脉动纹波分量与高频谐振扰动分量；其中，基于滑动平均滤波窗计算基波工频周期内的直流母线瞬态电压均值，并将直流母线瞬态电压均值与额定直流电压标称值作差，输出直流电压基准偏差量；基于并联二阶广义积分器在离散时域对直流母线瞬态电压信号滤波，分离出二次脉动分量与六次脉动分量，叠加生成特征次脉动纹波分量；通过数字带通滤波器截取直流母线瞬态电压信号中落在电感电容谐振频带内的波动信号，输出高频谐振扰动分量；

18、步骤s3，通过虚拟阻尼谐振主动抑制单元依据高频谐振扰动分量生成两相静止坐标系下的虚拟阻尼电压补偿分量；

19、步骤s4，通过动态调制时序重构与谐波对冲单元，计算额定直流电压标称值与直流母线瞬态电压信号的比值以生成瞬态前馈补偿系数，依据特征次脉动纹波分量生成反向对冲分量，将基础相电压控制指令与虚拟阻尼电压补偿分量相加后乘以瞬态前馈补偿系数，再减去反向对冲分量以生成合成电压指令，依据合成电压指令计算有效工作矢量与零矢量的离散作用时间，输出开关驱动脉冲信号；

20、步骤s5，通过三相逆变功率输出单元接收开关驱动脉冲信号，将直流母线的电能转换为三相交流电并供给被控电驱动负载。

21、本发明有益效果为：

22、1、在变频驱动器谐波抑制稳压调控中，通过对直流母线电压中的稳态分量、二次脉动和六次脉动进行分离，并利用相应分量对调制指令进行前馈补偿和反向补偿，可及时修正直流母线电压波动对逆变输出的影响，减小母线脉动电压对逆变相电压的二次调制，在交流输入出现不对称跌落或背景谐波时，有利于保持逆变桥输出基波电压波形的对称性，降低输出电流的低频畸变和电驱动负载的转矩脉动，提高变频驱动器在电网电压波动情况下的输出稳定性。

23、2、通过提取逆变输出电流中的高频谐振分量并形成虚拟阻尼电压补偿，可改善逆变桥在电感电容滤波回路谐振频段内的输入导纳特性，对滤波回路产生的串联谐振进行主动抑制，该方式无需在直流回路中额外设置无源阻尼电阻，可避免阻尼电阻持续发热造成的有功损耗，同时减小直流母线瞬态过电压和功率器件电流振荡，降低器件承受的电气应力，提高变频驱动器在负载变化情况下的运行稳定性。

24、3、通过根据母线瞬态电压、特征次脉动纹波和虚拟阻尼电压补偿分量调整空间矢量的作用时间，使有效工作矢量和零矢量的作用时长能够随直流母线状态变化进行修正，可减小母线电压波动造成的伏秒平衡偏差和调制相位滞后，由此能够降低逆变输出相电流的总谐波畸变率，减小电驱动负载的电磁转矩脉动和附加损耗，使逆变输出在母线电压波动时保持较好的电能质量。