CN102158065B - 一种无网侧电动势传感器pwm整流器启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制方法及装置，属于电气工程变流控制的整流器启动控制方法及装。观测系统上电初期不控整流充电电流，经过低通滤波器得到实际电流定向角，再经过相移补偿器得到实际电压定向角。当直流电压随充电过程上升至不控整流电压的60%时，切换到虚拟电压定向角，进而由网侧电动势重构器和虚拟磁链定向角运算器得到启动前的虚拟磁链定向角，保证在任意时刻启动定向角的准确性。本方法和装置易于实现，算法均在为PWM整流启动前完成，不影响后续可控整流的运算时间及控制效果，虚拟磁链定向初值观测准确，真正实现了无网侧电动势传感器PWM可控整流运行，提高了系统的可靠性。

Description

一种无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制方法
技术领域
本发明涉及一种电气工程变流控制的整流器启动控制方法及装置,特别是一种无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制方法及装置。 
背景技术
PWM整流器具有输出电压可控，交流侧电流正弦度高，功率因数可控等优点，近年来逐渐成为四象限高性能功率变换器必不可少的前端网侧接口。 
在大功率应用场合，由于网侧电压的畸变使得采用电压定向控制的PWM整流器性能受到一定的影响，反过来又会进一步加剧网侧电压的畸变，成为恶性循环。近年来，采用虚拟磁链定向控制方式来解决上述问题普遍被业内所接受。 
虚拟磁链定向控制方式本质上可省去网侧电动势传感器，从而提高系统的可靠性，但由于虚拟磁链观测的初值不确定性，使得在启动过程中往往出现较大的冲击电流，引起系统故障或保护动作，影响系统正常运行。 
有关文献采用在启动初期施加零矢量的方法进行虚拟磁链定向初值观测，但因为电网相位未知，电流不能预测且不可控制，极易造成系统过电流，且观测时仍需对电流进行微分，观测误差较大。 
发明内容
本发明目的是要提供一种无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制方法及装置，解决在启动初期施加零矢量的方法进行虚拟磁链定向初值观测，但因为电网相位未知，电流不能预测且不可控制，极易造成系统过电流，且观测时仍需对电流进行微分，观测误差较大的问题。 
本发明的目的是这样实现的：PWM整流器从上电到运行分为两个过程； 
第一步为合上系统电源开关，直流电容在功率变换器未施加触发脉冲的状态依靠功率变换器中由续流二级管构成的不控整流电路进行充电，为防止充电初期过大的充电电流，充电初期将限流电阻接入交流回路中，在直流电压上升至不控整流电压时，再通过接触器旁路限流电阻，PWM整流器完成电容充电过程，等待启动信号；
第二步为启动信号到来，由系统控制器发出触发脉冲，控制整流器进入可控整流运行状态；如果启动时定向初值不准，则易引发启动冲击电流现象，引起系统故障或保护动作，影响系统正常运行；
电流传感器检测系统交流三相电流，其采样值经过四阶低通滤波器输出三相电流基波分量，相移180度；再经过电流定向角运算器输出实际电流定向角；实际电流定向角和相移及功率因数角补偿器相综合输出实际电压定向角；当直流电压上升至不控整流电压的60%时，系统控制器发出切换指令，通过三相交流接触器短接预充限流电阻，同时系统控制器控制虚拟电压定向角运算器投入运算，其输出通过虚拟网侧电动势重构器得出虚拟网侧电动势，再通过虚拟磁链运算器得出虚拟磁链定向角；
通过在系统充电阶段完成对虚拟磁链定向角度的观测，保证当启动信号到来时的无冲击电流启动。
控制装置：三相交流电源经过三相电源开关与预充限流电阻相连，再经过三相电抗器连至功率变换器，功率变换器输出与直流滤波电容相连；在预充限流电阻的二端并联有三相交流接触器的触点，系统控制器的输入端与功率变换器的信号输出端连接，系统控制器的输出端与三相交流接触器的控制线圈连接；相移及功率因数角补偿器与虚拟电压定向角运算器连接，虚拟电压定向角运算器顺序通过虚拟网侧电动势重构器和虚拟磁链运算器与系统控制器连接，同时虚拟电压定向角运算器直接与系统控制器连接；在三相电抗器和功率变换器之间的线路上连接有电流传感器，电流传感器的输出端通过四阶低通滤波器与电流定向角运算器连接，电流定向角运算器的输出端与虚拟电压定向角运算器连接。 
有益效果，由于采用了上述方案，当合上三相电源开关时，系统进入不控整流对电容进行充电过程，充电电流由预充限流电阻、三相电抗器和直流滤波电流所组成的RLC电路所决定。由于充电电流为不控整流电流，畸变较大，因此将由电流传感器检测出的实际三相充电电流信号经过四阶低通滤波器进行基波提取，然后通过电流定向角运算器和相移及功率因数角补偿器输出实际电压定向角。随着直流滤波电容电压的上升，充电电流逐渐减小而变得难以观测，因此在直流电压上升至不控整流电压的60%时，切换到虚拟电压定向角运算器进行运算和输出。 
为得到PWM整流启动前准确的虚拟磁链定向角，将虚拟电压定向角通过网侧电动势重构器和虚拟磁链定向角运算器输出启动前的虚拟磁链定向角，保证无冲击电流的启动过程。解决了在启动初期施加零矢量的方法进行虚拟磁链定向初值观测，但因为电网相位未知，电流不能预测且不可控制，极易造成系统过电流，且观测时仍需对电流进行微分，观测误差较大的问题，达到了本发明的目的。 
优点：上述方法和装置易于实现，算法均在为PWM整流启动前完成，不影响后续可控整流的运算时间及控制效果，虚拟磁链定向初值观测准确，真正实现了无网侧电动势传感器PWM可控整流运行，提高了系统的可靠性。 
附图说明
图1为本发明虚拟磁链定向坐标图。
图2为本发明无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制系统框图。 
图中：1、三相交流电源；2、三相电源开关；3、预充限流电阻；4、三相交流接触器；5、三相电抗器；6、电流传感器；7、功率变换器；8、直流滤波电容；9、四阶低通滤波器；10、电流定向角运算器；11、虚拟电压定向角运算器；12、相移及功率因数角补偿器；13、虚拟网侧电动势重构器；14、虚拟磁链运算器；15、系统控制器。 
具体实施方式
实施例1：本发明无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制方法及装置由PWM整流器及其测量控制系统组成： 
PWM整流器从上电到运行分为两个过程；
第一步为合上系统电源开关，直流电容在功率变换器未施加触发脉冲的状态依靠功率变换器中由续流二级管构成的不控整流电路进行充电，为防止充电初期过大的充电电流，充电初期将限流电阻接入交流回路中，在直流电压上升至不控整流电压时，再通过接触器旁路限流电阻，PWM整流器完成电容充电过程，等待启动信号；
第二步为启动信号到来，由系统控制器发出触发脉冲，控制整流器进入可控整流运行状态；如果启动时定向初值不准，则易引发启动冲击电流现象，引起系统故障或保护动作，影响系统正常运行；
电流传感器6检测系统交流三相电流，其采样值经过四阶低通滤波器9输出三相电流基波分量，相移180度；再经过电流定向角运算器10输出实际电流定向角；实际电流定向角和相移及功率因数角补偿器12相综合输出实际电压定向角；当直流电压上升至不控整流电压的60%时，系统控制器15发出切换指令，通过三相交流接触器4短接预充限流电阻，同时系统控制器15控制虚拟电压定向角运算器11投入运算，其输出通过虚拟网侧电动势重构器13得出虚拟网侧电动势，再通过虚拟磁链运算器14得出虚拟磁链定向角；
通过在系统充电阶段完成对虚拟磁链定向角度的观测，保证当启动信号到来时的无冲击电流启动。
当合上三相电源开关2时，系统进入不控整流对电容进行充电过程，充电电流由预充限流电阻3、三相电抗器5和直流滤波电流8所组成的RLC电路所决定。由于充电电流为不控整流电流，畸变较大，因此将由电流传感器6检测出的实际三相充电电流信号经过四阶低通滤波器9进行基波提取，然后通过电流定向角运算器10和相移及功率因数角补偿器12输出实际电压定向角。随着直流滤波电容电压的上升，充电电流逐渐减小而变得难以观测，因此在直流电压上升至不控整流电压的60%时，切换到虚拟电压定向角运算器11进行运算和输出。 
为得到PWM整流启动前准确的虚拟磁链定向角，将虚拟电压定向角通过网侧电动势重构器13和虚拟磁链定向角运算器14输出启动前的虚拟磁链定向角，保证无冲击电流的启动过程。 
该方法包含以下具体步骤： 
1、观测预充不控整流电流，采用滞后180度，幅值无差的4阶低通滤波提取基波分量，进行电流定向角计算 
2、计算充电回路功率因数角，基于充电回路电压平衡方程
       
Figure 2011100487964100002DEST_PATH_IMAGE002
3、计算网侧电压定向角
Figure 2011100487964100002DEST_PATH_IMAGE003
 +180
4、在电容电压进一步上升至空载不控整流电压的60%时，切换至虚拟电压定向角来保证观测角度的连续性。
 
为切换时刻电压定向角
5、采用虚拟电压定向角进行网侧电动势重构及虚拟磁链定向角运算
 
Figure 2011100487964100002DEST_PATH_IMAGE006
 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
   ，
Figure 2011100487964100002DEST_PATH_IMAGE008
6、在可控整流启动时刻，采用观测角度
Figure DEST_PATH_IMAGE009
进行虚拟网侧电压定向，可实现无网侧电动势传感器无冲击电流启动。
控制装置：三相交流电源1经过三相电源开关2与预充限流电阻3相连，再经过三相电抗器5连至功率变换器7，功率变换器7输出与直流滤波电容8相连；在预充限流电阻3的二端并联有三相交流接触器4的触点，系统控制器15的输入端与功率变换器7的信号输出端连接，系统控制器15的输出端与三相交流接触器4的控制线圈连接；相移及功率因数角补偿器12与虚拟电压定向角运算器11连接，虚拟电压定向角运算器11顺序通过虚拟网侧电动势重构器13和虚拟磁链运算器14与系统控制器15连接，同时虚拟电压定向角运算器11直接与系统控制器15连接；在三相电抗器5和功率变换器7之间的线路上连接有电流传感器6，电流传感器6的输出端通过四阶低通滤波器9与电流定向角运算器10连接，电流定向角运算器10的输出端与虚拟电压定向角运算器11连接。 
所述的功率变换器7、直流滤波电容8、四阶低通滤波器9、电流定向角运算器10、虚拟电压定向角运算器11、相移及功率因数角补偿器12、虚拟网侧电动势重构器13、虚拟磁链运算器14和系统控制器15均为市售产品。 

Claims (1)

1.一种无网侧电动势传感器PWM整流器启动控制方法，其特征在于PWM整流器从上电到运行分为两个过程；
第一步为合上系统电源开关，直流电容在PWM整流器未施加触发脉冲的状态依靠PWM整流器中由续流二级管构成的不控整流电路进行充电，为防止充电初期过大的充电电流，充电初期将预充限流电阻接入交流回路中，在直流电压上升至不控整流电压的60%时，再通过三相交流接触器旁路预充限流电阻，PWM整流器完成电容充电过程，等待启动信号；
第二步为启动信号到来，由系统控制器发出触发脉冲，控制整流器进入可控整流运行状态；如果启动时定向初值不准，则易引发启动冲击电流现象，引起系统故障或保护动作，影响系统正常运行；
电流传感器检测系统交流三相电流，其采样值经过四阶低通滤波器输出三相电流基波分量，相移180度；再经过电流定向角运算器输出实际电流定向角；实际电流定向角和相移及功率因数角补偿器相综合输出实际电压定向角；在直流电压上升至不控整流电压的60%时，系统控制器发出切换指令，通过三相交流接触器短接预充限流电阻，同时系统控制器控制虚拟电压定向角运算器投入运算，其输出通过虚拟网侧电动势重构器得出虚拟网侧电动势，再通过虚拟磁链运算器得出虚拟磁链定向角；
通过在系统充电阶段完成对虚拟磁链定向角的观测，保证当启动信号到来时的无冲击电流启动。
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