三相Vienna整流器电流畸变的抑制方法

news2024/11/25 13:36:38

该博客参考丁文龙的博士论文《低成本充电系统高性能多端口Vienna整流器关键控制策略研究》，他的博士论文深入浅出，分析透彻。感谢师妹Miss Young提供的技术指导，她是一位优秀的电力电子工程师，祝她事业顺利，身体健康。

1. 拓扑与SVPWM调制

如下图所示，三相三电平Vienna整流器包含6个二极管和三个双向开关管。由于二极管是不控器件，而开关管是可控器件，因此每相桥臂的零电平是可控的，但是非零电平是由电流方向决定的。以A相桥臂为例，当ia>0时，就是上二极管导通，ia<0时就是下二极管导通。
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根据三相电流的大小，可以将一个正弦周期划分为6个扇区，在任何一个扇区中，电流方向是确定的，比如扇区I的ia>0，ib<0，ic<0。

由于三相滤波电感La，Lb和Lc的存在，导致电网电流和端口电压必然存在相位差，如果电网电流是单位功率因数的，那么端口电压必然滞后于电网电流。
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绘制三相Vienna的矢量图，以电流第一扇区为例，除了在第一扇区内的矢量可以使用，在第二扇区和第六扇区也有部分矢量可以使用。因为电流在第一扇区时，ia>0，ib<0，ic<0，所以第一桥臂可以是P和O，第二桥臂可以是O和N，第三桥臂可以是O和N。所以，第二扇区的OON和第六扇区的ONO也是可以在电流第一扇区内可以使用的矢量。第一扇区能够用的矢量有8个，和三相两电平H桥SVPWM是一样的。
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利用这个原理，就可以将三电平SVPWM转换成两电平SVPWM，以空间矢量图为例，扇区I的参考矢量减去POO，得到的矢量就是三相两电平SVPWM的矢量图，包含六个扇区。

2. 过零点畸变的原因

由于参考电压（调制波）滞后于电网电流，以电流处于第一扇区为例，相当于要合成第六扇区的参考电压。第一扇区的ic<0，该桥臂只能输出零电平和负电平，而第六扇区的uc>0，因此可能会产生过零点畸变，注意只是可能，并不一定会产生过零点畸变。
以矢量图为例，在电流处于第一扇区时，虽然要合成第六扇区的参考电压矢量，但是由于可以使用ONO矢量，因此可以合成部分第六扇区的参考电压，这六边形区域内的矢量都可以合成，超出的部分才会产生电流畸变。
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如果将三相电网等效成对称的阻抗，那么ONO状态下，ucn>0。也就是说有这个可能性在第一扇区合成ucn>0。这是三相系统的特性带来的优点，如果是单相系统，那么就是必然无法合成的。

3. 电流畸变区域的识别

要准确识别过零点畸变的矢量区域需要判断参考电压矢量的幅值和相位，而不仅仅是相位差。这样就必须建立准确的坐标变换，得到参考电压矢量，但是这种方法计算量太大，实现困难。因此，作者采用识别整个阴影区域的方法来简化运算。
以电流处于扇区I为例，ia>0，ib<0，ic<0。三相桥臂的占空比定义如下：电流大于0的桥臂的上二极管占空比，电流小于0的桥臂双向开关管的占空比。
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电流处于第一扇区，uc的合成会存在异常。因为部分区域ic<0而uc>0。三相占空比和三相调制波的关系如下：

由于va_ref>0, vb_ref<0，而vc_ref存在大于0，和小于0的部分，也就是说只有当vc_ref大于0时，才会存在合成异常，和前面的分析是一致的。但需要注意的是，实际上vc_ref>0并不代表不能合成，前面的空间矢量分析中解释了。作者为了简化异常区间的识别，其实是把整个阴影区域都当做为故障区域。

4. 电流畸变的抑制

以电流处于第一扇区为例，由于dc不可能大于1，因此会被箝位到1，也就是说C相桥臂的双向开关管会导通。如图所示，扇区1过零时刻C相的调制波被箝位到0，也就是dc=1。由于三相调制波不再是符合设计方案，因此会产生过零点畸变。
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为了抑制过零点畸变，采用占空比补偿的方案，将C相超出的占空比减去，并且A相和B相的占空比也减去这个超出的部分。

为什么这种占空比补偿的方案能够抑制电流过零点畸变呢？这是因为这是注入了一个零序分量。三相占空比同时减去一个值，也就是三相调制波同时减去一个值，在三相三线制中零序分量是不会影响电流的。也就是说三相调制波同时减去一个数的电流和没减之前是一样的，也就还原了被箝位的C相调制波。但需注意的是，这种占空比补偿方案仅仅适用于三相三线制中，因为也是通过零序注入实现的。