一种用于单向三相整流器的直流侧电压纹波与输入电流过零畸变协同抑制方法

本发明属于电力电子变换器控制，更具体地，涉及一种用于单向三相整流器的复合三倍频谐波注入控制方法，尤其涉及一种能够同时抑制直流侧电压纹波和输入电流过零畸变的协同控制方法

背景技术：

1、单向能量流动的pwm整流器具有功率器件数量少、控制结构相对简单、功率密度高和运行效率高等优点，广泛应用于不需要能量回馈的工业变频驱动、电动汽车充电、电源系统及新能源发电等场合。近年来，由三个单相整流单元以y型方式连接构成的单向三相整流器受到广泛关注。该类整流器可与后级多电平逆变器配合构成无变压器中压大功率变换系统，能够减少工频移相变压器或高频隔离变换器的使用，在降低系统体积、重量和成本方面具有较大的应用潜力。

2、然而，由于各相整流单元均具有单相功率变换特性，其交流侧瞬时输入功率中包含明显的二倍基波频率脉动分量，所述脉动功率由直流侧电容吸收后，会在直流侧电压中产生较大的低频纹波。直流侧电压纹波不仅会增大功率开关器件承受的电压应力，还会影响后级逆变器的输出电压和输出电流质量。现有技术通常通过增大直流侧电容容量对低频电压纹波进行抑制，但大容量电容会增加变换器的体积、重量和成本，并降低系统的功率密度和运行可靠性。为减小对大容量电容的依赖，部分控制方法通过向各相基波调制信号中注入三倍频谐波，改变各相整流单元的瞬时功率分布，从而降低直流侧电压纹波。与单一三次谐波注入相比，由三次、九次及其他三倍次谐波构成的复合谐波注入信号具有更多的幅值和相位调节自由度，能够进一步提高直流侧电压纹波的抑制能力。

3、但是，现有复合三倍频谐波注入方法通常以直流侧电压纹波最小为主要控制目标，未充分考虑单向整流器功率器件和二极管的单向导通特性。当输入电流处于过零区域时，若注入谐波后的调制参考电压与对应相输入电流之间的极性关系不满足整流器的实际导通条件，脉宽调制过程中可能产生错误脉冲、脉冲丢失或电流停滞现象，进而导致输入电流出现明显的过零畸变。若仅通过调整谐波注入参数抑制输入电流过零畸变，又可能削弱直流侧电压纹波的抑制效果。因此，直流侧电压纹波抑制与输入电流过零畸变抑制之间存在相互耦合关系，现有控制方法在同时降低直流侧电压纹波、改善输入电流过零区域波形质量以及保证调制参考电压处于线性调制范围等方面仍有待进一步提高。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于单向三相整流器的直流侧电压纹波与输入电流过零畸变协同抑制方法。本发明通过分别构建以直流侧电压纹波最小为目标的第一复合三倍频谐波注入信号，以及以输入电流过零畸变最小为目标的第二复合三倍频谐波注入信号，并根据各相输入电流所处区域对两种谐波注入信号进行分区域组合，在不增加额外功率器件和直流侧电容容量的条件下，实现直流侧电压纹波和输入电流过零畸变的协同抑制。

2、为实现上述目的，本发明提供一种用于单向三相整流器的直流侧电压纹波与输入电流过零畸变协同抑制方法。所述单向三相整流器由三个单相整流单元以y型方式连接构成。通过向各相整流单元的基波调制信号中注入复合三倍频谐波信号，实现直流侧电压纹波与输入电流过零畸变的协同抑制，具体包括以下步骤。

3、步骤1：获取直流电压反馈量及电网同步信息。采集单向三相整流器的直流侧电压，得到三相整流单元直流侧电压反馈信号udcx，将所述直流侧电压反馈信号 udcx与直流侧电压给定值u*dc作差，并将所得直流电压偏差信号输入电压外环pi调节器，得到三相输入电流在同步旋转坐标系下的d轴参考分量i*d；在单位功率因数运行条件下，将q轴参考分量i*q设定为零；采集a相、b相和c相电网电压，分别得到三相电网电压信号 ea、eb和 ec，通过三相锁相环pll获得电网电压相位角θ=ωt和电网角频率ω；

4、步骤2：同时采集a相、b相和c相输入电流，分别得到三相输入电流信号ia、ib和ic，并对所述三相输入电流进行坐标变换，得到同步旋转坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；分别计算d轴参考分量i*d与d轴电流分量id之间的偏差以及q轴参考分量i*q与q轴电流分量iq之间的偏差：

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7、将所得电流偏差信号输入电流内环调节器，得到同步旋转坐标系下的d轴参考电压和q轴参考电压；以直流侧电压udcx为基准对所述d轴参考电压和q轴参考电压进一化处理，并经坐标反变换得到a相、b相和c相谐波注入前的原始正弦参考电压信号usa、usb和usc。

8、步骤3：定义um为电网侧相电压幅值，im为三相输入电流幅值，l为交流侧滤波电感，m为原始正弦参考电压的调制度，φ为单位功率因数运行条件下输入电流与原始正弦参考电压之间的相位差，利用下式计算所述相位差：

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10、根据um和udcx之间的归一化关系确定调制度m，可表示为：

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12、步骤4：根据电网电压相位角θ、调制度m和相位差φ，分别表示a相、b相和c相原始正弦参考电压信号：

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16、所述三相原始正弦参考电压依次相差120°,并以所述原始正弦参考电压作为复合三倍次谐波注入的基波分量。

17、步骤5：构建用于抑制直流侧电压纹波的复合三倍次谐波注入信号ma(θ)；所述复合三倍次谐波注入信号至少包括三次谐波分量和九次谐波分量，定义k1a和k2a分别为三次谐波分量和九次谐波分量的幅值系数，定义φ1a和φ2a分别为三次谐波分量和九次谐波分量的初始相位；利用三倍次谐波在三相系统中同相的特性，将ma(θ)共同叠加至a相、b相和c相原始正弦参考电压信号。

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19、步骤6：

20、根据三相电网电压、三相输入电流、直流侧电压以及直流侧电容参数，建立各相整流单元交流侧输入功率、直流侧输出功率和直流侧电容充放电功率之间的瞬时功率平衡关系，并满足以下得关系：

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22、在预设范围内依次改变k1a、k2a、φ1a和 φ2a，分别生成不同参数组合对应的第一复合三倍频谐波注入信号，并计算各组参数对应的直流侧电压纹波评价量。比较不同参数组合对应的直流侧电压纹波峰峰值、纹波幅值或纹波均方根值，选取使直流侧电压纹波评价量最小的一组参数，作为第一复合三倍频谐波注入信号的参数。

23、步骤7：在复合三倍次谐波参数搜索过程中，对叠加ma(θ)后的三相参考电压施加线性调制约束，对于采用归一化双极性载波的调制方式，线性调制约束为：

24、

25、判断三相参考电压是否均处于载波幅值范围内；若三相参考电压均未超出载波幅值范围，则保留当前参数组合并计算对应的直流侧电压纹波评价量；若任一相参考电压超出载波幅值范围，则判定当前参数组合不满足线性调制要求，舍弃当前参数组合并继续搜索其他参数组合。

26、步骤8：根据三相输入电流信号ia、ib和ic的幅值或相位，分别确定各相输入电流的过零区域；将输入电流绝对值小于预设电流阈值的区域，或者输入电流相位处于预设过零角度范围内的区域，确定为对应相的输入电流过零区域，其余区域确定为非过零区域。

27、步骤9：构建用于抑制输入电流过零畸变的复合三倍次谐波注入信号mb(θ)；根据输入电流过零区域内参考电压与对应相输入电流之间的极性关系，确定mb(θ)中的三次谐波幅值系数k1b、三次谐波初始相位φ1b、九次谐波幅值系数k2b和九次谐波初始相位φ2b，使修正后的参考电压在输入电流区域内满足预设极性约束。

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29、同时，mb(θ)复合三倍频谐波注入信号需满足线性调制约束：

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31、步骤10：根据各相输入电流是否处于过零区域，对直流侧电压纹波抑制信号ma(θ)和输入电流过零畸变抑制信号mb(θ)进行分区域组合，得到兼顾直流侧电压纹波抑制和输入电流过零畸变抑制的复合三倍次谐波注入信号mab(θ)；当对应相输入电流处于过零区域时采用mb(θ)，当对应相输入电流处于非过零区域时采用ma(θ)。

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33、步骤11：将复合三倍次谐波注入信号mab(θ)分别叠加至a相、b相和c相原始正弦参考电压信号usa、usb和usc，得到a相、b相和c相最终参考电压信号u*sa、u*sb和u*sc；对所述三相最终参考电压信号进行限幅或参数约束，使其均处于线性调制范围内。

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35、步骤12：将a相、b相和c相最终参考电压信号 u*sa、u*sb和u*sc分别与对应的三角载波进行比较。当某相最终参考电压大于对应三角载波时，输出高电平驱动信号；当某相最终参考电压小于或等于对应三角载波时，输出低电平驱动信号，根据比较结果生成三个单相整流单元中功率开关器件的pwm驱动信号，控制单向三相整流器运行。

36、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，其显著优点是：本发明分别构建直流侧电压纹波抑制信号和输入电流过零畸变抑制信号，并根据输入电流所处区域进行分区组合，在不增加额外功率器件和大容量无源元件的条件下，实现直流侧电压纹波与输入电流过零畸变的协同抑制。同时，通过三次、九次等复合三倍频谐波提高调制自由度，可降低直流侧电容容量需求和功率器件电压应力，改善输入电流质量，提高系统功率密度、运行效率和可靠性。

37、下面将结合实例参照附图进行详细说明。