CN103138543A - 四象限变流器的控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种四象限变流器的控制装置及方法，该装置包括电压采样模块、至少两个电流采样模块、电压控制模块、至少两个电流控制模块和至少两个脉宽调制模块。电压控制模块根据给定电压和电压采样模块生成的电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。电流控制模块根据第二电流指令和电流采样模块的生成的电流采样信号生成调制电压指令。脉宽调制模块调整载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号输出。本发明提供的四象限变流器的控制装置及方法，使多个四象限变流器的输入电流中的特定次谐波相互抵消，从而达到了降低输入谐波含量的目的，提高了功率因数。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备控制技术，尤其涉及一种四象限变流器的控制装置及方法。
背景技术
四象限变流器是一种电力电子变换装置，因其能量可以双向流动，输出直流电压恒定，输入功率因数高，谐波含量小，被广泛地应用在交流传动电力机车和对于电能质量要求较高的工业变流器上。
现有技术中对四象限变流器的控制主要采用电压外环电流内环的双闭环结构，包括电压控制器和电流控制器，上述控制结构在应用到一个功率较大的四象限变流器上时，由于输入电流谐波量相对较高，正弦度不好，输入功率因数相对较低。尤其是在开关器件的特性不高而导致四象限变流器的开关频率较低的情况下，输入波形的正弦度越差，输入功率因数就越低。
发明内容
本发明提供一种四象限变流器的控制装置及方法，以降低输入电流的谐波量，提高功率因数。
本发明第一个方面提供一种四象限变流器的控制装置，包括：
电压采样模块，与四象限变流器组的输出相连，所述电压采样模块用于对所述四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，其中，所述四象限变流器组包括输出并联的至少两个四象限变流器；
至少两个电流采样模块，每个所述电流采样模块分别与一个所述四象限变流器的输入相连，所述电流采样模块用于对所述四象限变流器的输入电流进行采样，生成电流采样信号；
电压控制模块，与所述电压采样模块相连，所述电压控制模块用于根据给定电压和所述电压采样信号生成第一电流指令，根据所述第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令；
至少两个电流控制模块，每个所述电流控制模块分别与所述电压控制模块和一个所述电流采样模块相连，所述电流控制模块用于根据所述第二电流指令和所述电流采样信号生成调制电压指令；
至少两个脉宽调制模块，每个所述脉宽调制模块分别与一个所述电流控制模块和一个所述四象限变流器相连，所述脉宽调制模块用于调整载波相位预设值，根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至所述四象限变流器，其中，各所述脉宽调制模块对应的所述载波相位预设值不同。
本发明另一个方面提供一种四象限变流器的控制方法，包括：
电压采样模块对四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，其中，所述四象限变流器组包括输出并联的至少两个四象限变流器；
电压控制模块根据给定电压和所述电压采样信号生成第一电流指令，根据所述第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令；
至少两个电流采样模块分别对各所述四象限变流器的输入电流进行采样，生成各自对应的电流采样信号；
至少两个电流控制模块分别根据所述第二电流指令和所述电流采样信号生成各自对应的调制电压指令；
至少两个脉宽调制模块分别调整载波相位预设值，并根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至各自对应的四象限变流器，其中，各所述脉宽调制模块对应的所述载波相位预设值不同。
由上述技术方案可知，本发明提供的第一个方面提供的四象限变流器的控制装置，通过一个电压控制模块的设置，形成电压外环结构，以采集到的输出电压的电压采样信号作为闭环控制信号，并根据该电压采样信号和给定电压生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。通过至少两个电流控制模块和至少两个脉宽调制模块的设置，分别对应与四象限变流器组中的一个四象限变流器，形成多个电流内环结构，以采集到的输入电流的电流采样信号作为闭环控制信号，电流控制模块根据第二电流指令和电流采样信号生成调制电压指令，脉宽调制模块调整载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至四象限变流器，使多个四象限变流器的输入电流中的特定次谐波相互抵消，从而达到了降低输入谐波含量的目的，提高了功率因数。
本发明另一个方面提供的四象限变流器的控制方法，电压控制模块根据给定电压和电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。至少两个电流控制模块分别根据第二电流指令和电流采样信号生成各自对应的调制电压指令。至少两个脉宽调制模块分别调整载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至各自对应的四象限变流器，使多个四象限变流器的输入电流中的特定次谐波相互抵消，从而达到了降低输入谐波含量的目的，提高了功率因数。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的四象限变流器的控制装置结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的四象限变流器的控制装置的电压控制模块结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的四象限变流器的控制装置的电流控制模块结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的四象限变流器的控制方法流程图。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明实施例一提供的四象限变流器的控制装置结构示意图。如图1所示，本实施例提供的四象限变流器的控制装置具体可以应用于对四象限变流器11的控制。
本实施例提供的四象限变流器的控制装置具体包括电压采样模块12、至少两个电流采样模块13、电压控制模块14、至少两个电流控制模块15和至少两个脉宽调制模块16。电压采样模块12与四象限变流器组的输出相连，电压采样模块12用于对四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，其中，四象限变流器组包括输出并联的至少两个四象限变流器11。每个电流采样模块13分别与一个四象限变流器11的输入相连，电流采样模块13用于对四象限变流器11的输入电流进行采样，生成电流采样信号。电压控制模块14与电压采样模块12相连，电压控制模块14用于根据给定电压和电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。至少两个电流控制模块15的每个电流控制模块15分别与电压控制模块14和一个电流采样模块13相连，电流控制模块15用于根据第二电流指令和电流采样信号生成调制电压指令。至少两个脉宽调制模块16的每个脉宽调制模块16分别与一个电流控制模块15和一个四象限变流器11相连，脉宽调制模块16用于调整载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至四象限变流器11，其中，各脉宽调制模块16对应的载波相位预设值不同。
具体地，将至少两个四象限变流器11输出并联组成四象限变流器组，图1示出了两个四象限变流器11，但本实施例并不以此为限。电压采样模块12对该四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，各电流采样模块13分别对该四象限变流器组中的各四象限变流器11的输入电流进行采样，生成电流采样信号。
电压控制模块14根据给定电压和电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。给定电压具体可以根据四象限变流器11的额定电压来设置，例如四象限变流器11的额定输出电压为1000V，则该给定电压也为1000V。电压控制模块14具体可以将采集到的电压采样信号与该给定电压进行比较，以确定电压误差，并根据该电压误差进行控制调节生成第一电流指令。该第一电流指令具体为一正弦交流电流峰值，根据该第一电流指令与电网相位生成第二电流指令，该第二电流指令具体为一正弦交流信号。由于用于生成该第二电流指令的相位是电网相位，具有良好的参考性，可以提高第二电流指令的准确性。通过第二电流指令的生成作为后续电流控制的参考信号，有利于实现无静差控制。
四象限变流器组中的每个四象限变流器11对应于一个电流采样模块13、一个电流控制模块15和一个脉宽调制模块16。电流控制模块15根据第二电流指令和电流采样信号生成调制电压指令，脉宽调制模块16再调整脉冲宽度调制信号的载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号，将该脉冲宽度调制信号作为四象限变流器11的控制信号输出至四象限变流器11，以控制四象限变流器11的晶体开关导通或断开。通过对用于四象限变流器11的脉宽调制信号的控制生成，可以使四象限变流器11的实际电流跟随第二电流指令。具体地，各个脉宽调制模块16对应的载波相位预设值不同，例如，四象限变流器11的个数为N，N为自然数，则各脉宽调制模块16对应的载波相位预设值两两之间的差值可以为π/N，假设N＝2，则第一个脉宽调制模块16的载波相位对应的预设值为0，第二个脉宽调制模块16的载波相位对应的预设值为π/2。通过多个相位相互错开的脉冲宽度调制信号的生成，分别控制不同的四象限变流器11，可以使多个四象限变流器11的输入电流中的特定次谐波相互抵消。
四象限变流器组中的四象限变流器11的数量可以根据实际的功率因数需要来具体设置，电流采样模块13、电流控制模块15以及脉宽调制模块16的数量与四象限变流器11的数量相适应。
本实施例提供的四象限变流器的控制装置，通过一个电压控制模块14的设置，形成电压外环结构，以采集到的输出电压的电压采样信号作为闭环控制信号，并根据该电压采样信号和给定电压生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。通过至少两个电流控制模块15和至少两个脉宽调制模块16的设置，分别对应与四象限变流器组中的一个四象限变流器11，形成多个电流内环结构，以采集到的各个四象限变流器11输入电流的电流采样信号作为闭环控制信号，电流控制模块15根据第二电流指令和电流采样信号生成调制电压指令，脉宽调制模块16调整脉冲宽度调制信号的载波相位预设值，根据该载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至对应的四象限变流器11，使多个四象限变流器11的输入电流中的特定次谐波相互抵消，从而达到了降低输入谐波含量的目的，提高了功率因数。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的四象限变流器的控制装置的电压控制模块结构示意图。如图2所示，本实施例提供的四象限变流器的控制装置在实施例一的基础上，电压控制模块14具体可以包括第一比较器141、比例积分控制器142和乘法器143。第一比较器141与电压采样模块12相连，第一比较器141用于将电压采样信号与给定电压进行比较，生成电压误差信号。比例积分控制器142与第一比较器141相连，比例积分控制器142用于根据误差信号进行控制调节，生成第一电流指令。乘法器143与比例积分控制器相连，乘法器143用于将第一电流指令和采集到的电网相位对应的正弦波或余弦波相乘，生成第二电流指令。
比例积分控制器142结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等特点，保证在稳态过程和动态过程中对电压进行良好的控制，通过比例积分控制器的设置，可以提高输出电压的稳定性。通过第一比较器141、比例积分控制器142和乘法器143的设置，实现简单，控制稳定性高。
图3为本发明实施例二提供的四象限变流器的控制装置的电流控制模块结构示意图。如图3所示，在本实施例中，电流控制模块15具体可以包括第二比较器151和比例谐振控制器152。第二比较器151分别与电压控制模块14和电流采样模块13相连，第二比较器151用于将第二电流指令与电流采样信号进行比较，生成电流误差信号。比例谐振控制器152与第二比较器相连，比例谐振器152用于根据电流误差信号进行控制调节，生成调制电压指令。通过比例谐振控制器152的设置，可以实现对特定频率的电流进行无静差控制，有利于消除系统的稳态误差，具有良好的鲁棒性。
在本实施例中，脉宽调制模块16具体还可以用于根据载波相位预设值和调制电压指令通过对称采样法进行脉宽调制处理，生成脉冲宽度调制信号。。
实施例三
图4为本发明实施例三提供的四象限变流器的控制方法流程图。如图4所示，本实施例提供的四象限变流器的控制方法具体可以用于实现于本发明任意实施例提供的四象限变流器的控制装置，此不再赘述。
本实施例提供的四象限变流器的控制方法具体包括：
步骤10、电压采样模块对四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，其中，四象限变流器组包括输出并联的至少两个四象限变流器；
步骤20、电压控制模块根据给定电压和电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令；
步骤30、至少两个电流采样模块分别对各四象限变流器的输入电流进行采样，生成各自对应的电流采样信号；
步骤40、至少两个电流控制模块分别根据第二电流指令和电流采样信号生成各自对应的调制电压指令；
步骤50、至少两个脉宽调制模块分别调整载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至各自对应的四象限变流器，其中，各脉宽调制模块对应的载波相位预设值不同。
值得注意的是，步骤20和步骤30之间没有必然的时序关系，步骤30也可以在步骤20之前执行。
本实施例提供的四象限变流器的控制方法，电压控制模块根据给定电压和电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令。至少两个电流控制模块分别根据第二电流指令和各个四象限变流器的输入电流的电流采样信号生成各自对应的调制电压指令。至少两个脉宽调制模块分别调整脉冲宽度调制信号的载波相位预设值，根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号，并输出至各自对应的四象限变流器，使多个四象限变流器的输入电流中的特定次谐波相互抵消，从而达到了降低输入谐波含量的目的，提高了功率因数。
在本实施例中，步骤20，电压控制模块根据给定电压和电压采样信号生成第一电流指令，根据第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令，具体可以包括如下步骤：
步骤201、电压控制模块将电压采样信号与给定电压进行比较，生成电压误差信号；
步骤202、电压控制模块根据误差信号进行控制调节，生成第一电流指令；
步骤203、电压控制模块将第一电流指令和采集到的电网相位对应的正弦波或余弦波相乘，生成第二电流指令。
在本实施例中，步骤40，至少两个电流控制模块分别根据第二电流指令和电流采样信号生成各自对应的调制电压指令，具体可以包括如下步骤：
每个电流控制模块将第二电流指令与电流采样信号进行比较，生成电流误差信号，根据电流误差信号进行控制调节，生成调制电压指令。
在本实施例中，步骤50，至少两个脉宽调制模块分别根据载波相位预设值和调制电压指令生成脉冲宽度调制信号，包括：
每个脉宽调制模块根据载波相位预设值和调制电压指令通过对称采样法进行脉宽调制处理，生成脉冲宽度调制信号。
本实施例提供的四象限变流器的控制装置及方法，通过至少两个四象限变流器的设置，将该至少两个四象限变流器输出并联，再通过一个电压控制模块和至少两个分别对应于每个四象限变流器的电流控制模块和脉宽调制模块的设置，实现对各个四象限变流器的分别控制调节，从而使输入电流的谐波相互抵消，降低了输入电流谐波含量，提高了输入电流的正弦度，提高了系统的功率因数。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种四象限变流器的控制装置，其特征在于，包括：
电压采样模块，与四象限变流器组的输出相连，所述电压采样模块用于对所述四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，其中，所述四象限变流器组包括输出并联的至少两个四象限变流器；
至少两个电流采样模块，每个所述电流采样模块分别与一个所述四象限变流器的输入相连，所述电流采样模块用于对所述四象限变流器的输入电流进行采样，生成电流采样信号；
电压控制模块，与所述电压采样模块相连，所述电压控制模块用于根据给定电压和所述电压采样信号生成第一电流指令，根据所述第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令；
至少两个电流控制模块，每个所述电流控制模块分别与所述电压控制模块和一个所述电流采样模块相连，所述电流控制模块用于根据所述第二电流指令和所述电流采样信号生成调制电压指令；
至少两个脉宽调制模块，每个所述脉宽调制模块分别与一个所述电流控制模块和一个所述四象限变流器相连，所述脉宽调制模块用于调整载波相位预设值，根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至所述四象限变流器，其中，各所述脉宽调制模块对应的所述载波相位预设值不同。
2.根据权利要求1所述的四象限变流器的控制装置，其特征在于，所述电压控制模块包括：
第一比较器，与所述电压采样模块相连，所述第一比较器用于将所述电压采样信号与所述给定电压进行比较，生成电压误差信号；
比例积分控制器，与所述第一比较器相连，所述比例积分控制器用于根据所述误差信号进行控制调节，生成所述第一电流指令；
乘法器，与所述比例积分控制器相连，所述乘法器用于将所述第一电流指令和采集到的电网相位对应的正弦波或余弦波相乘，生成所述第二电流指令。
3.根据权利要求1所述的四象限变流器的控制装置，其特征在于，所述电流控制模块包括：
第二比较器，分别与所述电压控制模块和所述电流采样模块相连，所述第二比较器用于将所述第二电流指令与所述电流采样信号进行比较，生成电流误差信号；
比例谐振控制器，与所述第二比较器相连，所述比例谐振器用于根据所述电流误差信号进行控制调节，生成所述调制电压指令。
4.根据权利要求1所述的四象限变流器的控制装置，其特征在于，所述脉宽调制模块还用于根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令通过对称采样法进行脉宽调制处理，生成所述脉冲宽度调制信号。
5.一种四象限变流器的控制方法，其特征在于，包括：
电压采样模块对四象限变流器组的输出电压进行采样，生成电压采样信号，其中，所述四象限变流器组包括输出并联的至少两个四象限变流器；
电压控制模块根据给定电压和所述电压采样信号生成第一电流指令，根据所述第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令；
至少两个电流采样模块分别对各所述四象限变流器的输入电流进行采样，生成各自对应的电流采样信号；
至少两个电流控制模块分别根据所述第二电流指令和所述电流采样信号生成各自对应的调制电压指令；
至少两个脉宽调制模块分别调整载波相位预设值，根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令生成脉冲宽度调制信号并输出至各自对应的四象限变流器，其中，各所述脉宽调制模块对应的所述载波相位预设值不同。
6.根据权利要求5所述的四象限变流器的控制方法，其特征在于，所述电压控制模块根据给定电压和所述电压采样信号生成第一电流指令，根据所述第一电流指令和采集到的电网相位生成第二电流指令，包括：
所述电压控制模块将所述电压采样信号与所述给定电压进行比较，生成电压误差信号；
所述电压控制模块根据所述误差信号进行控制调节，生成所述第一电流指令；
所述电压控制模块将所述第一电流指令和采集到的电网相位对应的正弦波或余弦波相乘，生成所述第二电流指令。
7.根据权利要求5所述的四象限变流器的控制方法，其特征在于，所述至少两个电流控制模块分别根据所述第二电流指令和所述电流采样信号生成各自对应的调制电压指令，包括：
每个所述电流控制模块将所述第二电流指令与所述电流采样信号进行比较，生成电流误差信号，根据所述电流误差信号进行控制调节，生成所述调制电压指令。
8.根据权利要求5所述的四象限变流器的控制方法，其特征在于，所述至少两个脉宽调制模块分别根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令生成脉冲宽度调制信号，包括：
每个所述脉宽调制模块根据所述载波相位预设值和所述调制电压指令通过对称采样法进行脉宽调制处理，生成所述脉冲宽度调制信号。
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