CN101667787B - 一种电压定向能量双向流动的整流控制装置 - Google Patents

一种电压定向能量双向流动的整流控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压定向能量双向流动的整流控制装置，其特征在于包括：相位检测模块、电压检测模块、电流检测模块、电流坐标变换模块、电压环数字PI调节器、电流环比较器、电压环比较器、电流环数字PI调节器、计算调节模块、电压坐标变换模块和SVPWM模块；通过电压矢量定向方法，把对网侧电流的控制转化为对该电流矢量在d轴和q轴的直流分量的控制，使输入电流波形正弦化、输入电流相位与电压相位同相或反相化，单位功率因数，实现能量的双向流动。该整流装置取代传统交-直-交变频器中不可控整流部分，不仅克服了传统电源的缺点，还具有网侧电流为正弦波、网侧功率因数近似为1、较快的动态响应、易于模块化、电能双向传输等诸多优点。

Description

一种电压定向能量双向流动的整流控制装置
技术领域
本发明涉及一种整流控制装置，尤其涉及一种电压定向能量双向流动的整流控制装置。
背景技术
随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中被广泛应用。目前这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，由于常规整流环节广泛采用二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路，对电网注入了大量谐波和无用功，给电网带来严重的“污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是使变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。这样作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了关注，并开展了大量的研究工作。其主要思路就是将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数，在此实现过程中，主要核心控制系统必不可少。每次电机制动时，电机实际上是工作在发电状态，导致母线直流电压上升，通常的做法是在直流母线上跨接释放电阻，使多余的能量通过热量释放出去，这样势必会造成能源的浪费。
目前对整流器的控制，主流方式是采用DSP和MCU技术加软件的方式实现，这种方法的优点是比较灵活，可以实现复杂的算法，但一款新的控制器的开发周期比较长，而且功能越多占用CPU的资源也越多，使得系统整体性能下降；另外，软件方式的通用性也存在问题，因为不同厂家的产品其指令系统也不同，这就使得用户开发出的软件代码一般不能重用。因而急需一种基于电压定向能量双向流动控制的装置，来实现具有电压定向、单位功率因数控制、能量双向流动的控制。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种电压定向能量双向流动的整流控制装置。具体采用的技术手段如下：
一种电压定向能量双向流动的整流控制装置，其特征在于包括：
相位检测模块，用于检测电网电压的频率及相位，并向电流坐标变换模块和电压坐标变换模块提供坐标变换所需的相位角度；
电压检测模块，用于接收来自电压传感器的直流母线电压值；
电流检测模块，用于接收来自电流传感器检测到的网侧三相电流值；
电流坐标变换模块，用于对电流检测模块传回的网侧三相电流值进行坐标变换，从三相静止坐标系ABC转换到两相旋转坐标系d-q下的两相电流；
电压环数字PI调节器，用于对电压环比较器比较后的差值进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的d轴电流给定值；
电流环比较器，用于将电流坐标变换模块变换后得到的两相旋转坐标系d-q下两相电流信号同电压环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定，q轴无功电流给0信号，进行差值运算；
电压环比较器，用于将电压检测模块接收到的电压值同直流母线电压给定值进行差值运算；
电流环数字PI调节器，用于将电流环比较器比较后得到的差值进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的两相电压；
计算调节模块，用于对电流环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的两相电压进行比例调节以得到所需比例下的两相旋转坐标系d-q下的两相电压；
电压坐标变换模块，用于将计算调节模块传送过来的两相旋转坐标系d-q下的两相电压经坐标旋转变换后得到两相静止坐标系αβ下的两相电压值给定SVPWM控制指令；
SVPWM模块，用于根据电压坐标变换模块传送过来的用坐标旋转变换的方法得到两相静止坐标系αβ下的两相电压指令，发出PWM控制信号；
所述相位检测模块分别同电流坐标变换模块和电压坐标变换模块相连接，用以提供坐标旋转所需要的相角度，所述电压检测模块同电压环比较器相连接将其检测到的电压信号同给定电压信号进行比对，并将比对后的结果经与电压环比较器相连接的电流环数字PI调节器调节后发送到电流环比较器上；所述电流检测模块同电流坐标变换模块相连接，所述电流坐标变换模块变换后的两相旋转坐标系d-q下的两相电流信号和电压环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定值指令经同其相连接的电流环比较器进行比较(两相旋转坐标系d-q下的q轴无功电流给定值为0)后，将信号传输给同其连接的电流环数字PI调节器进行信号进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的两相电压调节，后传输给同电流环数字PI调节器相连接的计算调节模块进行信号比例调节的再次转换，并将该转换后的信号经同计算调节模块相连接的电压坐标变换模块进行两相旋转坐标系d-q下的两相电压到两相静止坐标系αβ下的两相电压值给定转换，最后将该转换后的两相静止坐标系αβ下的两相电压值给定信号传输给同其相连接的SVPWM模块。
还包括：通信接口模块，用于使外部控制器对装置的电压给定信号和PI参数进行给定和调节，或同总线进行连接将装置内部的数据实时传送到上位机上；该通信接口模块通过内部总线同各模块进行连接。
所述的各模块都集成在现场可编程门阵列FPGA中。
使用该装置进行控制后，使得开关器件的开通和关断均是可控的，所以PWM整流器的电流波形也是可控的，其状态是交流输入电压和电流可保持同相位或反相位，即整流时为同相位，逆变时为反相位。此时网侧功率因数近似为1，输入电流的谐波含量接近零，消除对电网的谐波污染。由于PWM整流器采样直流输出电压，因此还能对直流电压进行调整，在负载变化时，具有较快的响应速度，使直流输出电压稳定在一定的设定值。因此说采用PWM整流器取代传统交-直-交变频器中不可控整流部分，不仅克服了传统电源的缺点，还具有网侧电流为正弦波、网侧功率因数近似为1、较快的动态响应、易于模块化、电能双向传输等诸多优点。
基于现场可编程门阵列(FPGA)及EDA方法学的硬件实现技术。根据自己的需要来自主地定制功能结构，并在实验室里设计出符合自己需要的专用芯片，而且不需要半导体厂商的参与。由于它以纯硬件的方式实现并行处理，而且不占用CPU的资源，所以其速度可以达到芯片本身所具有的最高等级，而与算法的复杂程度基本无关。采用该种方法，克服采用DSP和MCU技术软件方式实现的缺点，尽量较少的占用CPU的时间，使得系统整体性能上升；而且避免厂家CPU的升级导致指令系统变化、软件代码无法重用。另外，由于其结构简单，便于生产，成本低廉适于在应用整流器领域广泛推广。
附图说明
图1为本发明的整流控制装置的结构框图；
图2为本发明的整流控制过程的流程图；
图3为本发明实施例整个系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明是通过电压矢量定向方法，把对网侧电流的控制转化为对该电流矢量在d轴和q轴的直流分量的控制，使输入电流波形正弦化、输入电流相位与电压相位同相或反相化，单位功率因数，实现能量的双向流动。
如图1所示该电压定向能量双向流动的整流控制装置的核心控制功能主要分为两个环节：电压外环和电流内环。电压外环：用以稳定整流器直流侧电压，根据直流电压的大小决定能量流动的大小和方向。主要由A/D检测模块(电压检测模块)接收来自电压传感器的直流母线电压值，与给定的母线电压指令进行比较，通过电压环数字PI调节器后生成两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定值送到电流内环。电流内环：用以使实际电流能够跟踪来自电压外环的电流指令，实现单位功率因数控制。主要由A/D检测模块(电流检测模块)接收来自电流传感器检测到的网侧三相电流值，通过电流坐标变换模块计算后与来自电压外环的指令进行比较，通过电流环数字PI调节器、计算模块和电压坐标变换模块，计算出SVPWM模块需要的指令，SVPWM模块根据指令发出PWM控制信号，该PWM信号经过光电耦合器后发送到整流器的控制，完成了能量的双向流动控制。另外还设有通信接口模块可以保证专用芯片与其他控制器进行数据交换；相位检测模块用于检测电网电压的频率及相位，并且可以判断电压相序以及是否缺相；A/D检测模块，用于接收电流传感器(检测电网电流)和电压传感器(检测直流母线电压)的信号；电压空间矢量脉宽调制SVPWM模块，采用纯硬件产生PWM控制脉冲，此方法控制简单，电流波形畸变小，数字化实现方便，能明显减少交流侧电流的谐波成分，提高电压利用率(比SPWM高15％)；坐标变换模块，负责旋转坐标系与静止坐标系之间的变换，便于算法的数字实现；数字PI调节器模块，调试得到系统合适的PI参数后，加快系统的响应速度，使系统快速跟随外界条件的变化。
另外，本发明采用EDA方法学硬件实现技术将基于FPGA的电压定向能量双向流动控制装置设计成专用芯片。因为现场可编程门阵列(FPGA)内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(InputOutput Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用芯片(ASIC)领域中的一种半定制电路，定制的专用芯片能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用实现。打破传统CPU依靠系统时钟串行执行方式，实现高速并行处理，满足实时性高的算法处理和控制。还包括通信接口模块(包括传输速率为100Mbps的GLINK现场总线接口和传输速率可配置的串行接口)。
如图2整流控制过程的流程和图3所示该装置的具体工作过程如下：相位检测电路，用于对电网的电压波形进行整形滤波处理。首先利用分压电路将电网电压进行降压处理，然后把降压得到正弦波进行整形滤波处理，得到纯净的方波信号，送给专用芯片的相位检测模块。相位检测模块，分析相位检测电路送来的方波信号，得到电网电压的频率及相位角度信息，判断是否缺相，并向电流坐标变换模块和电压坐标变换模块实时提供坐标变换做需的相位角度；所述相位检测模块分别同电流环中的电流坐标变换模块和电压坐标变换模块相连接，用以实时提供同步坐标旋转变换所需要的相位角度，为达到母线直流电压受控的控制目的，所述电压检测模块同电压环比较器相连接将其检测到的电压信号同直流母线电压给定信号进行比对，并将比对后的结果经与电压环比较器相连接的电流环数字PI调节器调节后发送到电流环比较器上；所述电流检测模块同电流坐标变换模块相连接，所述电流坐标变换模块把电流检测模块接收到的三相静止坐标系下的电流值经坐标旋转变换到两相旋转坐标系d-q下的两相电流信号(d轴有功电流分量和q轴无功电流分量)，然后和电压环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定值指令经同其相连接的电流环比较器进行比较(两相旋转坐标系d-q下的q轴无功电流给定值为0)后，将信号传输给同其连接的电流环数字PI调节器进行进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的两相电压，后传输给同电流环数字PI调节器相连接的计算调节模块进行信号的比例变换调节的再次转换，并将该转换后的信号经同计算调节模块相连接的电压坐标变换模块进行两相旋转坐标系d-q下的两相电压到两相静止坐标系αβ下的两相电压值转换，最后将该转换后得到的两相静止坐标系αβ下的两相电压值给定信号传输给同其相连接的SVPWM模块；SVPWM模块，根据电压坐标变换模块传送过来的两相静止坐标系αβ下的两相电压指令，使用电压空间矢量脉宽调制技术，发出PWM控制信号给功率开关管。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电压定向能量双向流动的整流控制装置，其特征在于包括：
相位检测模块，用于检测电网电压的频率及相位，并向电流坐标变换模块和电压坐标变换模块提供坐标变换所需的相位角度；
电压检测模块，用于接收来自电压传感器的直流母线电压值；
电流检测模块，用于接收来自电流传感器检测到的网侧三相电流值；
电流坐标变换模块，用于对电流检测模块传回的网侧三相电流值进行坐标变换，从三相静止坐标系ABC转换到两相旋转坐标系d-q下的两相电流；
电压环数字PI调节器，用于对电压环比较器比较后的差值进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定值；
电流环比较器，用于将电流坐标变换模块变换后得到的两相旋转坐标系d-q下两相电流信号，即d轴有功电流分量和q轴无功电流分量分别同电压环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定值和q轴无功电流给定值进行差值运算，其中q轴无功电流给定值为0；
电压环比较器，用于将电压检测模块接收到的电压值同直流母线电压给定值进行差值运算；
电流环数字PI调节器，用于将电流环比较器比较后得到的差值进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的两相电压；
计算调节模块，用于对电流环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的两相电压进行比例调节以得到所需比例下的两相旋转坐标系d-q下的两相电压；
电压坐标变换模块，用于将计算调节模块传送过来的两相旋转坐标系d-q下的两相电压经坐标旋转变换后得到两相静止坐标系αβ下的两相电压指令；
SVPWM模块，用于根据电压坐标变换模块传送过来的用坐标旋转变换的方法得到两相静止坐标系αβ下的两相电压指令，发出PWM控制信号；
所述相位检测模块分别同电流坐标变换模块和电压坐标变换模块相连接，用以提供坐标变换所需的相位角度，所述电压检测模块同电压环比较器相连接，电压环比较器将电压检测模块接收到的电压值同直流母线电压给定值进行差值运算，并将运算后的结果经与电压环比较器相连接的电压环数字PI调节器调节后发送到电流环比较器上；所述电流检测模块同电流坐标变换模块相连接，所述电流坐标变换模块变换后的两相旋转坐标系d-q下的两相电流信号和电压环数字PI调节器转换后的两相旋转坐标系d-q下的d轴有功电流给定值经电流环比较器进行比较，其中两相旋转坐标系d-q下的q轴无功电流给定值为0，然后将信号传输给电流环数字PI调节器进行PI调节，得到两相旋转坐标系d-q下的两相电压，然后传输给同电流环数字PI调节器相连接的计算调节模块进行信号比例调节的再次转换，并将该转换后的信号经同计算调节模块相连接的电压坐标变换模块进行两相旋转坐标系d-q下的两相电压到两相静止坐标系αβ下的两相电压值给定转换，最后将该转换后的两相静止坐标系αβ下的两相电压值给定信号传输给SVPWM模块。
2.根据权利要求1所述的一种电压定向能量双向流动的整流控制装置，其特征在于还包括：通信接口模块，用于使外部控制器对装置的电压给定信号和PI参数进行给定和调节，或同总线进行连接将装置内部的数据实时传送到上位机上；该通信接口模块通过内部总线同各模块进行连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种电压定向能量双向流动的整流控制装置，其特征在于，所述的各模块都集成在现场可编程门阵列FPGA中。
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