CN102255545A - 两相逆变电源系统及其综合控制方法 - Google Patents

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本发明公开了一种两相逆变电源系统及其控制方法，采用三相PWM整流器获得直流侧电压，实现电网侧的高功率因数，减少能量的损耗；同时本发明的两相逆变器只包含4个功率开关管与传统的两相逆变电源相比要少一个开关臂，使两相电源的结构更简单，成本大幅度降低，并提高了系统的可靠性；三相PWM整流器采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略可实现直流侧电压高精度的控制和电网侧电流的高功率因数控制；直流侧两串联电容的均压外环控制和输出电流内环控制构成的双闭环控制策略，实现了输出电流的快速跟踪和两个直流侧电容的均压。

Description

两相逆变电源系统及其综合控制方法
技术领域
本发明涉及一种两相逆变电源系统及其综合控制方法。
背景技术
在工业和居民用电中，用电负荷大多为三相负载和单相负载。但在一些特殊的工业场合，存在两相负荷。例如，在冶金连铸行业中，冶金连铸电磁搅拌器需要两相低频正交电源供给励磁；单相异步电动机有两个正交的定子绕组，也需要两相电源励磁。两相电源所作用的两相电机在应用转子磁场定向控制时，由于其定子两相绕组自然正交，所以与三相电机应用矢量控制相比，它减少了一个从三相坐标系到两相坐标系的变换，减少了计算量，从理论上说，还可以提高控制的精度。因此，两相逆变电源在工业应用中的需求使其受到重视和研究，并得到应用。
目前两相逆变电源有两种技术方案。一种是采用一个不可控整流桥和两个单相逆变桥及其输出电感构成的两相逆变电源。两单相逆变桥均含有4个功率开关管和一个输出电感，并共用直流侧电容。该两相电源中两单相逆变桥采取电流跟踪控制使两单相逆变器输出期望电流。该逆变电源结构的缺点是逆变器中含有8个功率开关器件，硬件成本较高，电网侧输入电流谐波含量大，功率因数低。另一种技术方案是采用一个不可控整流桥和一个三桥臂逆变桥构成两相逆变电源系统。该两相逆变电源由一个三相不可控整流桥、一个三相逆变器和两个输出电感组成。三相逆变器中两个桥臂的中点经输出电感与两单相负载连接，第三桥臂的中点作为地，与单相负载地线连接。该方案中三相逆变器的三线电流输出采取电流跟踪控制方法实现三相逆变器输出期望电流。该结构与由两个单相电源构成的两相逆变电源相比，功率开关器件减少到6个，硬件成本有所降低。但一般情况下，作为地线的桥臂中两个功率开关管的电流等级要高于其他两桥臂的功率开关管。电网侧电流功率因数低，谐波含量大的缺点仍然没有克服。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种结构更精简、成本低和可靠性高的两相逆变电源系统以及一种适用于该两相逆变电源系统的综合控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种两相逆变电源系统，包括一个三相PWM整流器、一个两相逆变器和两个输出滤波电感，所述三相PWM整流器为含有6个功率开关器件的三桥臂整流桥，与电网侧三相电源连接；所述两相逆变器由两个串联直流侧储能电容和含有4个功率开关器件的两相逆变桥并联构成，两个串联直流侧储能电容与三相PWM整流器的直流侧连接，两个串联直流侧储能电容的公共连接点为两相逆变器的输出地线，两相逆变桥的输出经通过两个输出电感与单相负载连接。
本发明还提出了一种两相电源的综合控制方法，包括以下方面：
1）三相PWM整流器采用直流电压外环，电网侧电流内环的双闭环控制策略，维持直流侧电压稳定和保证三相电网侧电流为正弦波且功率因数为1；
2）两相逆变器采取直流均压外环，逆变输出电流内环的双闭环控制策略，使得逆变器输出参考指令电流。
三相PWM整流器直流电压外环、电网侧电流内环的双闭环控制策略包括以下步骤：
1）检测两串联直流电容的总电压，与参考直流电压作差，得到直流侧电压控制误差；
2）直流侧电压控制误差经比例积分调节器后，得到电网侧有功电流幅值；
3）电网侧有功电流幅值乘以由锁相环得到的三相电网电压单位同步信号，作为电网侧电流内环的三相电流参考指令；
4）电网侧电流内环三相电流参考指令减去检测到的实际三相电网侧电流，得到电网侧三相电流跟踪控制误差；
5）电网侧三相电流跟踪控制误差送比例积分调节器后，得到调制波信号；
6）调制波信号经三角载波脉宽调制，得到PWM整流器各开关管的控制脉冲。
两相电源中两相逆变器采取直流均压外环，逆变输出电流内环的双闭环控制策略包括以下步骤：
1）分别检测两串联直流电容各自的直流电压，将两直流电容电压作差得到两直流电容均压误差；
2）两直流电容均压误差经比例积分调节器得到直流电流偏置量；
3）直流电流偏置量分别与预先设定的两相逆变器的输出电流参考指令相加，得到两相逆变器的两相输出电流跟踪控制参考指令；
4）两相逆变器的两相输出电流跟踪控制参考指令减去检测到的两相逆变器实际输出电流，得到两相逆变器的电流跟踪误差；
5）两相逆变器的电流跟踪误差送比例积分调节器后，得到两相逆变器的脉宽调制信号；
6）两相逆变器的脉宽调制信号经三角载波调制后，得到两相逆变器各开关管的脉宽控制信号。
本发明的技术效果在于：本发明采用三相PWM整流器获得直流侧电压，可实现电网侧的高功率因数，减少能量的损耗；同时本发明的两相逆变器只包含4个功率开关管与传统的两相逆变电源相比要少一个开关臂，使两相电源的结构更简单，成本大幅度降低，并提高了系统的可靠性；PWM整流器采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略可实现直流侧电压高精度的控制和电网侧电流的高功率因数控制；直流侧两串联电容的均压外环控制和输出电流内环控制构成的双闭环控制策略，实现了输出电流的快速跟踪和两个直流侧电容的均压。
附图说明
图1为现有技术中两种两相逆变电源系统图；
（a）不可控整流桥和两个单相逆变桥及其输出电感构成的两相逆变电源系统；（b）不可控整流桥和一个三桥臂逆变桥构成两相逆变电源系统；
图2为本发明两相逆变电源系统结构图；
图3为本发明三相PWM整流器电压外环，电流内环的双闭环控制框图；
图4为本发明两相逆变器直流侧电容均压外环，输出电流内环的双闭环控制框图。
具体实施方式
参见图1（a），为现有技术中两种逆变电源系统图。其中，图1（a）为采用一个不可控整流桥和两个单相逆变桥及其输出电感构成的两相逆变电源。不可控整流桥含有6个二极管和一个直流电容，通过二极管整流为两单相逆变桥提供直流电压。两单相逆变桥分别含有4个功率开关管和一个输出电感，并共用直流侧电容。两单相逆变桥可以输出参考指令信号的两单相电流供给两单相负载。该逆变电源结构的缺点是逆变器中功率开关器件较多，电网侧输入电流谐波含量大，功率因数低。
图1（b）为采用一个不可控整流桥和一个三桥臂逆变桥构成的两相逆变电源系统图。该两相逆变电源由一个三相不可控整流桥、一个三相逆变器和两个输出电感组成。三相逆变器中两个桥臂的中点经输出电感与两单相负载连接，第三桥臂的中点作为地，与单相负载地线连接。该结构与由两个单相电源构成的两相逆变电源相比，功率器件减少2个，成本有所降低。但一般情况下，作为地线的桥臂中两个功率开关管的功率等级要高于其他两桥臂的功率开关管。电网侧电流功率因数低，谐波含量大的缺点仍然没有克服。
参见图2，为本发明的结构图。该结构包括一个三相PWM整流器、一个两相逆变器和两个输出滤波电感。所述PWM整流器为含有6个功率开关器件的三桥臂整流桥，与电网侧三相电源连接；其特征在于，所述两相逆变器由两个串联直流侧储能电容（                                                
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE001
，）和含有4个功率开关器件的两相逆变桥构成，两个串联直流侧储能电容与脉宽调制整流器的直流侧连接，且两个串联直流侧储能电容的公共连接点作为两相逆变器的输出地线，两相逆变桥的输出经两个输出电感（，）供给两单相负载。
本发明与传统两种两相逆变电源相比，采用三相PWM整流器替代了不可控整流器，保证了电网侧电流高功率因数和低谐波的高电能质量；两相逆变器的功率开关器件进一步减少到4个，结构更精简，降低了硬件的成本和复杂度，提高了系统的可靠性。
参见图3，为本发明所提综合控制方法中PWM整流器直流电压外环、电网侧电流内环的双闭环控制框图。
为了实现直流侧电压稳定控制，直流侧电压外环采用了一个比例积分（PI）控制器。直流电压跟踪误差经PI调节器后分别乘以三相电流同步信号得到三相电网侧电流参考指令信号。在电流内环跟踪控制中，电网侧电流指令信号与检测到的实际电网侧电流作差，其输出经PI控制器后及脉宽调制后，得到PWM整流器中的各功率开关管的控制信号，保证了三相电网侧电流具有低谐波、高功率因数的优点。
参见图4，为本发明所提综合控制方法中两相逆变器直流均压外环，逆变输出电流内环的双闭环控制框图。
为实现直流侧电容均压，本发明提出直流均压外环控制方法：将检测到的两直流电容电压作差，经一个PI控制器后输出为
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE005
，将
Figure 190350DEST_PATH_IMAGE005
叠加到两相逆变器输出电流控制内环的参考指令信号中：
                  （1）
上式中，、
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE008
分别为两相逆变器电流内环控制的两相输出电流参考指令，
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE009
、为两相逆变器的期望输出电流，由用户预先设定。
均压控制的原理说明如下。令
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE013
分别为直流电容
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE015
的电压。均压调节过程为：当
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE016
时，即
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE017
，则均压PI调节器输出叠加一个微小的正偏移量(
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE018
)，通过调制向电容
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE019
充电电流增加，电容
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE020
放电电流增加。结果是直流侧两串联电容电压
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE021
减小，
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE022
增加，使
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE023
减小到0或者0附近；当
Figure 2011102097510100002DEST_PATH_IMAGE024
时，即时，同理可以实现均压，将
Figure 603096DEST_PATH_IMAGE023
调至0。
直流均压外环，逆变输出电流内环的两相逆变器双闭环控制步骤如下：
a.直流侧两串联电容的电压偏差信号经PI控制器得到偏差电压调节指令信号
Figure 382833DEST_PATH_IMAGE005
。
b.偏差电压调节指令信号
Figure 778042DEST_PATH_IMAGE005
与输出电流指令信号、
Figure 477194DEST_PATH_IMAGE010
叠加，得到总的输出电流指令信号
Figure 744227DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 5444DEST_PATH_IMAGE008
。
c.电流指令信号
Figure 674323DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 730003DEST_PATH_IMAGE008
减去实际输出电流信号作差，经PI调节器和脉宽调制后，得到两相逆变器的4个功率开关管的控制信号。

Claims (4)

1.一种两相逆变电源系统，包括一个三相PWM整流器、一个两相逆变器和两个输出滤波电感，其特征在于，所述三相PWM整流器为含有6个功率开关器件的三桥臂整流桥，与电网侧三相电源连接；所述两相逆变器由两个串联直流侧储能电容和含有4个功率开关器件的两相逆变桥并联构成，两个串联直流侧储能电容与三相PWM整流器的直流侧连接，两个串联直流侧储能电容的公共连接点为两相逆变器的输出地线，两相逆变桥的输出经通过两个输出电感与单相负载连接。
2.一种两相逆变电源系统的控制方法，其特征在于，该方法采取以下策略进行控制： 
1）三相PWM整流器采用直流电压外环，电网侧电流内环的双闭环控制策略，维持直流侧电压稳定和保证三相电网侧电流为正弦波且功率因数为1；
2）两相逆变器采取直流均压外环，逆变输出电流内环的双闭环控制策略，使得逆变器输出参考指令电流。
3.根据权利要求2所述的两相逆变电源系统的控制方法，其特征在于，三相PWM整流器直流电压外环、电网侧电流内环的双闭环控制策略包括以下步骤：
1）检测两串联直流电容的总电压，与参考直流电压作差，得到直流侧电压控制误差；
2）直流侧电压控制误差经比例积分调节器后，得到电网侧有功电流幅值；
3）电网侧有功电流幅值乘以由锁相环得到的三相电网电压单位同步信号，作为电网侧电流内环的三相电流参考指令；
4）电网侧电流内环三相电流参考指令减去检测到的实际三相电网侧电流，得到电网侧三相电流跟踪控制误差；
5）电网侧三相电流跟踪控制误差送比例积分调节器后，得到调制波信号；
6）调制波信号经三角载波脉宽调制，得到PWM整流器各开关管的控制脉冲。
4.根据权利要求2所述的所述的两相逆变电源系统的控制方法，其特征在于，两相电源中两相逆变器采取直流均压外环，逆变输出电流内环的双闭环控制策略包括以下步骤：
1）分别检测两串联直流电容各自的直流电压，将两直流电容电压作差得到两直流电容均压误差；
2）两直流电容均压误差经比例积分调节器得到直流电流偏置量；
3）直流电流偏置量分别与预先设定的两相逆变器的输出电流参考指令相加，得到两相逆变器的两相输出电流跟踪控制参考指令；
4）两相逆变器的两相输出电流跟踪控制参考指令减去检测到的两相逆变器实际输出电流，得到两相逆变器的电流跟踪误差；
5）两相逆变器的电流跟踪误差送比例积分调节器后，得到两相逆变器的脉宽调制信号；
6）两相逆变器的脉宽调制信号经三角载波调制后，得到两相逆变器各开关管的脉宽控制信号。
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