CN102611339B - 一种三相整流装置的电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有技术电流精度控制不高、电流波形失真的问题,提出了一种三相整流装置的电流控制方法,对PI控制器进行了改进,对电网电流在各个相位点处分别进行PI调节,其中,衰减系数K的作用是对误差值进行衰减,使之前的累积误差随着时间衰减,当前电网周期附近的误差量起主要作用,当前电流能够更好地跟踪期望电流测试证明,本发明能够有效地克服传统方法的不足,提高电流控制精度,进一步提高三相整流装置功率因数和减小谐波分量。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域,更为具体地讲,涉及一种基于IGBT半导体开关元件实现的三相整流装置的电流控制方法。
背景技术
在理想的电力系统中,电网电压和电流应是工频下的正弦波。随着电力电子技术的飞速发展,以脉宽调制(PWM)控制为基础的各类整流装置,如高频开关电源、逆变电源、变频器等,已广泛应用于国民经济各领域。而这些整流装置成为电网的非线性负载,产生大量的谐波电流。因此,在实际的电力系统运行中,即使电力系统中整流装置的电压为正弦波,但由于非线性负载的影响,电力系统中和用户处的线路总有高次谐波的电流和电压产生,即非正弦畸变,对电力输配系统及附近其它的电气设备带来许多问题。
二十世纪八十年代出现的功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)技术,不仅可以使功率因数近似为1,而且还可以有效的抑制高次谐波,是实现节能环保的最理想选择。但其对大功率高频全控开关器件的需求,极大的限制了它的普及,目前仍只在少量小功率设备中有所应用。
随着现代半导体技术的快速发展,全控开关器件在高频和大功率方面不断获得突破。在此背景之下,采用IGBT全控开关器件的基于功率因数校正技术的三相整流装置,即电源变应运而生。IGBT开关器件具有开关频率高,导通压降低、功率大的特点,且在具有适当正向电压的情况下,其导通与否完全受控于控制信号,这正符合功率因素校正的要求。
对于三相整流装置的电流控制,通常采用空间矢量脉宽调制(Space VectorPulse Width Modulation)控制算法,在同步旋转坐标系下对电流在d、q上的分量直接进行PI的控制。传统的PI控制是对相邻相位点处的参考量与反馈量之间的误差量进行控制,但是由于相位捕获误差和控制延时的影响,往往会出现相邻相位点之间的扰动,所以传统的电流控制方式容易出现电流控制精度不高、电流波形失真的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种三相整流装置的电流控制方法,以提高电流控制的精度,进一步提高三相整流装置的功率因数和减小谐波分量。
为实现上述发明目的,本发明三相整流装置的电流控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)、根据以下公式,得到同步旋转坐标系下,第k个电网周期,相位为p时,电网电流的控制量:
且Iq_refp(k)=0;
式中,Ud和Uq为三相电网电压转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,Id和Iq为三相电网电流转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,ω为电网电压基波角频率,L=La=Lb=Lc,La,Lb,Lc分别为网侧的三相储能电感的电感值;而符号:
分别表示三相整流装置启动后第k个电网周期,相位为p时,d轴和q轴上的电流期望值、实际值和误差值;z为离散化参数,取0~k,Iderrp(k-z),Iqerrp(k-z),分别表示第k-z个电网周期,相位为p时,d轴和q轴上的误差值;和为比例系数和积分系数;K为积分环节中误差的衰减系数,取0-1的常数;
(2)、根据电网电流的控制量Udn、Uqn,依据SVPWM算法,得到直接控制三相全控桥功率开关管的通断时间,实现三相电网电流波形分别与三相电网电压波形同频同相。
本发明的目的是这样实现的:
在三相整流装置的电流控制量Udn,Uqn中,包含三相电网电压的反馈量Ud、Uq、电感上的耦合分量ωL·Iq、ωL·Id以及电网电流经过PI控制器之后产生的控制量,其中,PI控制器产生的控制量用于调节电网电流的波形,因此,PI控制器的性能直接影响三相整流装置的功率因数。针对现有技术电流精度控制不高、电流波形失真的问题,本发明对PI控制器的控制方法进行了改进,对电网电流在各个相位点处分别进行PI调节,具体为。
附图说明
图1是三相整流装置一具体实例的电原理图;
图2是三相整流装置同步旋转坐标系下的电流控制原理图;
图3是相位补偿示意图;
图4是本发明一实例下的电网侧输入电压、输入电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
图1是三相整流装置一具体实例的电原理图
如图1所示,在本实施例中,三相整流装置实际上为三相六开关Boost型PFC电路。从电路形式看,三相整流装置由三相电网、三相储能电感,即网侧滤波电感、三相全控桥、输出电容以及负载组成。其中三相电网电压为Ua,Ub,Uc,三相储能电感为La=Lb=Lc=L,三相全控桥的功率开关管,即IGBT为T1、T2、T3、T4、T5、T6,输出电容为Cd,负载为R*,三相储能电感的内阻为Ra=Rb=Rc=R。
三相储能电感主要用作储能和抑制开关器件产生的高次谐波电流,直流侧电容主要用于减小输出直流电压的纹波,保证三相整流装置的正常工作,以及负载发生突变时,维持直流电压在限定的范围内。
微控制器是本发明三相整流装置的电流控制方法的执行单元,它首先通过采样模块采集三相电网线电压Uab、Ubc、Uca,三相电流Ia、Ib、Ic,储能电容Cd两端的电压Udc,采样周期为Ts,同时通过捕获模块获得电网电压的相序信息,然后按照本发明的电流控制方法产生控制时序,控制被控件,即功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6的通断,实现对储能电感的充放电,使三相整流装置在输出负载所需功率的同时,实现各相电流对电压的波形跟踪,实现三相电流Ia、Ib、Ic波形分别与三相电压Ua、Ub、Uc波形同频同相,保证近似为1的功率因数和较低的谐波分量。在实施过程中,需要将三相电网线电压Uab、Ubc、Uca转换为三相电网电压Ua、Ub、Uc,然后将三相电网电压Ua、Ub、Uc转换为同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量Ud和Uq。
本发明三相整流装置的电流控制方法是基于SVPWM算法,结合改进型PI控制算法对电网电流进行控制,直接控制功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6的通断时间,最终实现三相电网电流波形分别与三相电网电压波形同频同相。
通过数学推导,得到同步旋转坐标系下的电流控制量如下:
Ud和Uq为三相电网电压转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,Id和Iq为三相电网电流转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,ω为电网电压基波角频率,L=La=Lb=Lc,La,Lb,Lc分别为网侧的三相储能电感的电感值。
由于L·dId/dt与L·dIq/dt是一个变化很小的量,且储能电感内阻R较小,因此采用旋转坐标系下的PI控制,将其等效为PI输出,于是,公式(1)等效为:
其中,Id_ref为同步旋转坐标系下Id的参考值,Iq_ref为同步旋转坐标系下Iq的参考值。
由(1)式可以看出,总的控制量Udn,Uqn包含三相电网电压的反馈量Ud、Ua和电感上的耦合分量,以及电网电流经过PI控制器之后产生的控制量。其中,PI控制器产生的控制量用于调节电网电流的波形,因此PI控制器的性能直接影响的功率因数。
为实现三相整流装置的PI控制,采用电流内环和电压外环的双闭环控制,对有功电流Id和无功电流Iq进行单独控制。
图2是三相整流装置同步旋转坐标系下的电流控制原理图;
图2中,Ua、Ub、Uc是三相电网电压;Ia、Ib、Ic是三相电网电流;Ud和Uq为三相电网电压转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,Id和Iq为三相电网电流转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量;Id_ref和Iq_ref是同步旋转坐标系下的指令电流(参考电流),且设定Iq_ref=0;Udn和Uqn是经过PI调节后的电流控制量;和是进一步改进后的系统控制量;Udc_ref是母线电压参考值,由用户设定;Udc是母线电压;Sabc是开关函数,根据。
电压外环控制直流侧电压,储能电容Cd两端的电压Udc的稳定,并且得到有功指令电流Ld_ref,算法如式(3)所示。
式(3)中,m为离散化参数,代表第m个控制周期。
电流内环使网侧电流即三相电网电流Ia、Ib、Ic跟踪有功指令电流Id_ref。
式(4)、(5)中,m为离散化参数,代表第m个控制周期,Ti为控制周期;Kp和Ki分别是PI控制环节的比例系数和积分系数。
电流内环对电流的瞬时值进行了闭环反馈控制,采用直接PI控制的方法,算法如式(4)、(5)所示。这种方法虽然可以较好的跟踪电流波形,但是由于控制误差的影响,相邻相位点之间的干扰较大。为了更好的实现网侧电流Ia、Ib、Ic高正弦度,消除输入电流对输入参考电流的跟踪误差,本发明三相整流装置的电流控制方法对电流内环作了适当改进,对电网电流在各个相位点处分别进行PI调节,具体的算法如式(6)所示。
(6)
其中, 、 和 分别表示三相整流装置启动后第k个电网周期,相位为p时,d轴和q轴上的电流期望值、实际值和误差值;Iderrp(k-z),Iqerrp(k-z),z为离散化参数(取0~k),分别表示第k-z个电网周期,相位为p时,d轴和q轴上的误差值;和为比例系数和积分系数;K为积分环节中误差的衰减系数,通常取0-1的常数。
衰减系数K的作用是对误差值进行衰减,使之前的累积误差随着时间衰减,当前控制周期附近的误差量起主要作用,当前电流能够更好地跟踪期望电流。K越大,误差收敛速度越快,稳态误差越小,但系统的稳定裕度减小,反之亦成立。因此,合理调节 和K的大小,即可在保证快速跟踪的同时,系统仍然稳定。
得到改进后的系统控制量方程如式(7)所示。
另外,在电流控制过程中加入了周期延迟环节,保存之前一个电网周期的各个相位点的电流控制量Udn,Uqn,即将当前电网周期产生的控制量在下一电网周期控制三相全控桥功率开关管的通断时间,实现三相电网电流波形分别与三相电网电压波形同频同相,使每个电网周期的控制量都能在准确的相位点给出,进一步减小控制误差。
图3是相位补偿示意图。
由于三相整流装置本身从电压电流的采样、相位捕获到对数据的处理、开关管动作,以及滤波电感,都有一定的时间延迟,导致某一个相位点处采样得到的信号经过坐标系变换转化到同步旋转坐标系之后,相对于实际值也存在一定的偏差。为解决这一问题,消除系统延时,在电流控制过程中,加入了一个相位补偿,用来补偿系统延时造成的控制量滞后:若当前采样得到的相位为p,系统延时x个采样点,则实际相位为p+x,当前相位点p需给出相位点p+x对应的控制量,才能满足控制需求。由于实际相位p+x超前于当前相位p,无法实际得到,但考虑到电网电压、电流周期性变化,因此可以采用上一个电网周期所得到的p+x相位点的控制量代替当前周期p+x相位点的控制量。
相位补偿示意图如图3所示。图中,Udn和Uqn是经过PI调节后的系统控制量;U是Udn和Uqn的合成矢量;U*是相位补偿之后的电压合成矢量;和是相位补偿后的系统控制量;x是补偿的相位;θ是合成矢量U与d轴的夹角。
相位补偿之后,得到最终的系统控制量方程如式(8):
最后,按照SVPWM算法,将控制量转变为控制时序,直接控制被控件功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6的通断,实现对储能电感的充放电,达到控制电流的目的。
实例
运用发明三相整流装置的电流控制方法,采用TI公司的TMS320F2812作为控制器,其电网侧输入电压电流波形如图4所示,其上半部分为电压Ui(i=a,b,c)的波形,下半部分为电流Ii(i=a,b,c)的波形。利用TI提供的开发环境CCStudiov3.3,通过在同一时刻对电压电流采样获得,采样频率为9KHz。从图4可以看出,电网侧输入电流Ii很好的跟踪了电网电压Ui,最大限度的提高了系统功率因数,降低了谐波含量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种三相整流装置的电流控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)、根据以下公式,得到同步旋转坐标系下,第k个电网周期,相位为p时,电网电流的控制量:
且Iq_refp(k)=0;
式中,Ud和Uq为三相电网电压转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,Id和Iq为三相电网电流转换到同步旋转坐标系下在d轴和q轴的分量,ω为电网电压基波角频率,L=La=Lb=Lc,La,Lb,Lc分别为网侧的三相储能电感的电感值;而符号:
分别表示三相整流装置启动后第k个电网周期,相位为p时,d轴和q轴上的电流期望值、实际值和误差值;z为离散化参数,取0~k,Iderrp(k-z),Iqerrp(k-z),分别表示第k-z个电网周期,相位为p时,d轴和q轴上的误差值;和为比例系数和积分系数;K为积分环节中误差的衰减系数,取0-1的常数;
(2)、根据电网电流的控制量Udn、Uqn,依据SVPWM算法,得到直接控制三相全控桥功率开关管的通断时间,实现三相电网电流波形分别与三相电网电压波形同频同相。
2.根据权利要求1所述的三相整流装置的电流控制方法,其特征在于,在电流控制过程中,加入了周期延迟环节,保存之前一个电网周期的各个相位点的电流控制量Udn,Uqn,然后,在下一电网周期控制三相全控桥功率开关管的通断时间。
3.根据权利要求2所述的三相整流装置的电流控制方法,其特征在于,在电流控制过程中,加入了一个相位补偿,用来补偿系统延时造成的控制量滞后:若当前采样得到的相位为p,系统延时x个采样点,则实际相位为p+x,当前相位点p给出相位点p+x对应的控制量:
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