CN103326595A - 一种新型三相平衡可逆式pwm整流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，该整流装置接在三相交流电源上，所述的整流装置包括功率开关管桥路和控制回路，所述的功率开关管桥路分别连接控制回路和三相交流电源，所述的控制回路的输入端连接三相交流电源，输出端连接功率开关管桥路，所述的控制回路控制功率开关管桥路的功率输出。与现有技术相比，本发明具有能够保证网侧输出的正弦性和单位功率因数、动态控制响应好、计算量小等优点。

Description

一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置

技术领域

本发明涉及一种PWM整流器控制单元，尤其是涉及一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置。

背景技术

目前，脉宽调制技术(PWM)已广泛地运用在各种变流装置中，然而，电力电子装置中的功率器件大多工作在开关状态，从而对电网注入了大量谐波以及无功，造成了严重的污染，而且总的功率因数较低，大量应用后所导致的电磁兼容问题可能会造成更严重的后果，所以必须加以限制。要解决上述问题最根本的措施就是要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。将PWM技术引入整流器的控制之中是一个极为有效的措施，当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压和电流反相。这样，PWM整流器作为各种电力电子应用系统与电网的接口，将变流技术与微电子技术和自动控制技术相结合，为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，PWM整流器模型结构如图1所示。

随着PWM整流器技术的发展，分类方法多种多样，最典型的是按直流储能形式来分，有电压型和电流型，电压型PWM整流器(VSR)的特征是直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特性，而电流型PWM整流器(CSR)的拓扑结构的特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使CSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。

国内最常见的PWM整流器的控制策略就是直接和间接电流控制。间接电流控制技术主要是以相幅控制(PAC)为代表，其优点在于控制相对简单，但动态响应不够快，对有些参数过于敏感，而直接电流控制虽可以获得较高品质的电流响应，但是控制结构和算法比较复杂。

空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空间电压(电流)矢量切换来控制变流器的一种策略，空间矢量的简化算法，可以根据参考电压空间矢量在坐标系上的分量，直接计算电压空间矢量在各个扇区内的作用，简化了运算过程，便于硬件实现。

和电流控制技术相比，功率控制技术是上世纪90年代提出的一种新型控制策略，将有功功率和无功功率用于PWM变换器闭环控制系统中。功率控制技术的发展主要是由于电流控制技术的算法和调制模块比较复杂，需要由DSP或多片单片机才能实现，而VSR功率控制技术具有功率因数高，THD低，无PWM调制模块，低谐波干扰等优点，最常见的就是直接功率控制技术。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算量小、动态控制响应好的新型三相平衡可逆式PWM整流装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，该整流装置接在三相交流电源上，所述的整流装置包括功率开关管桥路和控制回路，所述的功率开关管桥路分别连接控制回路和三相交流电源，所述的控制回路的输入端连接三相交流电源，输出端连接功率开关管桥路，所述的控制回路控制功率开关管桥路的功率输出。

所述的控制回路包括测量滤波回路、软件锁相环、相位调整单元、直流电压反馈单元和滞环比较控制单元，所述的测量滤波回路的输入端连接三相交流电源，输出端连接软件锁相环，所述的软件锁相环、相位调整单元、直流电压反馈单元和滞环比较控制单元依次连接，所述的滞环比较控制单元输入端连接三相交流电源，输出端连接所述功率开关管桥路，所述的直流电压反馈单元与功率开关管桥路连接。

所述的测量滤波回路包括传感器、取样电路、运算放大器、AD转换芯片和模拟滤波电路，所述的传感器、取样电路、运算放大器、AD转换芯片和模拟滤波电路依次连接，所述的传感器输入端与三相交流电源连接，所述的模拟滤波电路的输出端与软件锁相环连接，所述的测量滤波回路的输出信号为三相电压采样值U_a、U_b、U_c，

其中，V_a为A相电压值，V_ae^j240°为B相电压值，V_ae^j120°为C相电压值。

所述的软件锁相环对输入信号的频率进行自动跟踪，消除因滤波回路采样不同步造成的误差，软件锁相环首先将输入的U_a、U_b、U_c通过反馈与矩阵变换后得到含有相角θ与角频率ω信息的电压u(t)，即

其中， $T_1=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\end{array}\right],$ $T_2=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}-\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

然后将连续的相电压u(t)线性化，可积分得到角频率误差Δω，即：

Δω＝k_u∫Δu(t)dt＝k_u∫U(Δω，Δt)dt

其中k_u为电压比例修正系数。

则角频率ω＝ω₀+Δω＝2πf₀+Δω

其中，f₀＝50Hz

最后得到软件锁相环的输出信号，即电压相位θ_v＝∫ωdt。

所述的相位调整单元将软件锁相环输出的电压相位θ_v调整为电流相位θ_i，

${\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_v-\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

所述的直流电压反馈单元包括PI调节器，直流电压反馈单元的输入信号包括相位调整单元输出的电流相位θ_i和功率开关管桥路的直流侧电压V_dc，输出信号为三相等效电流信号I′_a、I′_b、I′_c，

其中，I_d为(V_{dc_ref}-V_dc)经过PI调节器后得到的值，I_q＝0，I₀＝0，V_{dc_ref}为功率开关管桥路的直流侧电压稳定输出的参考值。

所述的滞环比较控制单元包括依次连接的滞环控制器和上升沿检测器，所述的滞环控制器中设置有滞环偏量h，所述的滞环控制器的输入信号为直流电压反馈单元输出的等效电流信号I′_a、I′_b、I′_c，所述的上升沿检测器的输入信号为三相交流电源的电流信号I_a、I_b、I_c，上升沿检测器检测I_a、I_b、I_c的信号并判断是否发出功率开关管桥路的IGBT触发脉冲。

当上升沿检测器检测到I_a、I_b、I_c分别满足滞环控制器输出的滞环环宽，即I′_a-h≤I_a＜I′_a+h，I′_b-h ≤I_b＜I′_b+h，I′_c-h≤I_c＜I′_c+h时，上升沿检测器不发出脉冲，当上升沿检测器检测到I_a、I_b、I_c持续变大或者变小，并超出范围后，上升沿检测器的输出为0，取反后发出功率开关管桥路的IGBT触发脉冲srau、sral，srbu、srbl和srcu、srcl。

与现有技术相比，本发明采用直流电压反馈控制和滞环电流控制结合的控制方法，并采用前点电压与相电压滞后角作为控制量的新型相位幅值控制，进而实现了基于VSR的三相平衡可逆式PWM整流器。实际运用证明，本发明能够有效控制并调整PWM可逆整流器的功率输出，保证网侧输出的正弦性和单位功率因数，并具有良好的动态控制响应，计算量小，且对于电感参数变化也不敏感。

附图说明

图1为现有PWM整流器模型电路示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图2-3所示，一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，该整流装置接在三相交流电源上，包括功率开关管桥路6和控制回路，功率开关管桥路6分别连接控制回路和三相交流电源，控制回路的输入端连接三相交流电源，输出端连接功率开关管桥路。

控制回路包括测量滤波回路1、软件锁相环2、相位调整单元3、直流电压反馈单元4和滞环比较控制单元5，测量滤波回路1的输入端连接三相交流电源，输出端连接软件锁相环2，软件锁相环2、相位调整单元3、直流电压反馈单元4和滞环比较控制单元5依次连接，滞环比较控制单元5输入端连接三相交流电源，输出端连接所述功率开关管桥路6，直流电压反馈单元5与功率开关管桥路6连接。

上述新型三相平衡可逆式PWM整流器的控制回路的工作流程如下：

(1)测量滤波回路1中的传感器采集三相交流电源的三相电压，三相电压通过测量滤波回路1中的取样电路、运算放大器、AD转换芯片和模拟滤波电路后转化为三相电压采样值U_a、U_b、U_c，

其中，V_a为A相电压值。

(2)软件锁相环2为频率无差调节系统，对输入信号的频率进行自动跟踪，从根本上消除因采样不同步造成的误差。软件锁相环2将输入的三相电压采样值U_a，U_b，U_c，转化为电压相位θ_v后输出：

首先将输入U_a，U_b，U_c通过反馈与矩阵变换后得到含有相角与角频率信息的电压u(t)，即

其中

$T_1=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\end{array}\right]$

$T_2=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}-\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

将连续的相电压u(t)线性化，可积分得到Δω，即：

Δω＝k_u∫Δu(t)dt＝k_u∫U(Δω，Δt)dt    (1-3)

ω₀＝2πf₀＝314，f₀＝50Hz，则角频率

ω＝ω₀+Δω＝2πf₀+Δω    (1-4)

相应地，

θ_v＝∫ωdt    (1-5)

得到了锁相单元的输出电压相位θ_v。

(3)相位调整单元3将电压相位θ_v调整为电流相位θ_i，

${\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_v-\frac{\mathrm{\π}}{2}---(1-6)$

(4)直流电压反馈单元4将输入的电流相位θ_i和功率开关管桥路直流侧电压V_dc转化为三相等效电流信号I′_a、I′_b、I′_c输出，输入输出满足Park反变换的表达式，即

$\left[\begin{array}{c}{I}_a^{\′}\\ I_b^{\′}\\ I_c^{\′}\end{array}\right]=P^{-1}\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\\ I_0\end{array}\right]---(1-7)$

即

其中，I_d为(V_{dc_ref}-V_dc)经过直流电压反馈单元4中的PI调节器后得到的值，I_q＝0，I₀＝0，其中V_{dc_ref}为功率开关管桥路直流侧电压稳定输出的参考值，而V_dc为功率开关管桥路直流侧电压的实际值。V_{dc_ref}的取值要大于系统电源的电压的最大值，又电容两端的电压为防止击穿一般也会有所限制，而最后选定要根据二者综合考虑。此外电容两端电压越大，输出的电抗值也要相应增加，因而损耗也会增加。维持(V_{dc_ref}-V_dc)稳定，即维持了有功的平衡，既而维持整个系统的稳定运行。

(5)滞环比较控制单元5包括依次连接的滞环控制器和上升沿检测器，滞环控制器中设置有滞环偏量h，滞环控制器的输入信号为直流电压反馈单元输出的等效电流信号I′_a、I′_b、I′_c，上升沿检测器的输入信号为三相交流电源的电流信号I_a、I_b、I_c；输入的等效电流量I′_a经过滞环控制器后得到了I′_a+h和I′_a-h，即为滞环的环宽，当输入的I_a满足I′_a-h≤I_a＜I′_a+h时，不发出脉冲，但当I_a持续变大或者变小，并超出范围后，上升沿检测器的输出为0，取反后发出IGBT触发脉冲srau，sral，类似地可以得到srbu，srbl和srcu，srcl，触发脉冲用以触发IGBT，从而控制三相可逆式PWM整流器的功率输出。

滞环比较控制单元的开关频率非常关键，滞环比较控制单元的最后输出是控制IGBT的通断，如果开关频率过大，将影响IGBT的正常工作；但开关频率越小，滞环电流跟踪偏差就越大，从而要选择适合的开关频率的大小。

Claims (8)

1.一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，该整流装置接在三相交流电源上，其特征在于，所述的整流装置包括功率开关管桥路和控制回路，所述的功率开关管桥路分别连接控制回路和三相交流电源，所述的控制回路的输入端连接三相交流电源，输出端连接功率开关管桥路，所述的控制回路控制功率开关管桥路的功率输出。

2.根据权利要求1所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，所述的控制回路包括测量滤波回路、软件锁相环、相位调整单元、直流电压反馈单元和滞环比较控制单元，所述的测量滤波回路的输入端连接三相交流电源，输出端连接软件锁相环，所述的软件锁相环、相位调整单元、直流电压反馈单元和滞环比较控制单元依次连接，所述的滞环比较控制单元输入端连接三相交流电源，输出端连接所述功率开关管桥路，所述的直流电压反馈单元与功率开关管桥路连接。

3.根据权利要求2所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，所述的测量滤波回路包括传感器、取样电路、运算放大器、AD转换芯片和模拟滤波电路，所述的传感器、取样电路、运算放大器、AD转换芯片和模拟滤波电路依次连接，所述的传感器输入端与三相交流电源连接，所述的模拟滤波电路的输出端与软件锁相环连接，所述的测量滤波回路的输出信号为三相电压采样值U_a、U_b、U_c，

其中，V_a为A相电压值，V_ae^j240°为B相电压值，V_ae^j120°为C相电压值。

4.根据权利要求3所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，所述的软件锁相环对输入信号的频率进行自动跟踪，消除因滤波回路采样不同步造成的误差，软件锁相环首先将输入的U_a、U_b、U_c通过反馈与矩阵变换后得到含有相角θ与角频率ω信息的电压u(t)，即

其中， $T_1=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\end{array}\right],$ $T_2=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}-\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

然后将连续的相电压u(t)线性化，可积分得到角频率误差Δω，即：

Δω＝k_u∫Δu(t)dt＝k_u∫U(Δω，Δt)dt

其中k_u为电压比例修正系数；

则角频率ω＝ω₀+Δω＝2πf₀+Δω

其中，f₀＝50Hz

最后得到软件锁相环的输出信号，即电压相位θ_v＝∫ωdt。

5.根据权利要求4所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，所述的相位调整单元将软件锁相环输出的电压相位θ_v调整为电流相位θ_i，

${\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_v-\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

6.根据权利要求5所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，所述的直流电压反馈单元包括PI调节器，直流电压反馈单元的输入信号包括相位调整单元输出的电流相位θ_i和功率开关管桥路的直流侧电压V_dc，输出信号为三相等效电流信号I′_a、I′_b、I′_c，

其中，I_d为(V_{dc_ref}-V_dc)经过PI调节器后得到的值，I_q＝0，I₀＝0，V_{dc_ref}为功率开关管桥路的直流侧电压稳定输出的参考值。

7.根据权利要求6所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，所述的滞环比较控制单元包括依次连接的滞环控制器和上升沿检测器，所述的滞环控制器中设置有滞环偏量h，所述的滞环控制器的输入信号为直流电压反馈单元输出的等效电流信号I′_a、I′_b、I′_c，所述的上升沿检测器的输入信号为三相交流电源的电流信号I_a、I_b、I_c，上升沿检测器检测I_a、I_b、I_c的信号并判断是否发出功率开关管桥路的IGBT触发脉冲。

8.根据权利要求7所述的一种新型三相平衡可逆式PWM整流装置，其特征在于，当上升沿检测器检测到I_a、I_b、I_c分别满足滞环控制器输出的滞环环宽，即I′_a-h≤I_a＜I′_a+h，I′_b-h≤I_b＜I′_b+h，I′_c-h≤I_c＜I′_c+h时，上升沿检测器不发出脉冲，当上升沿检测器检测到I_a、I_b、I_c持续变大或者变小，并超出范围后，上升沿检测器的输出为0，取反后发出功率开关管桥路的IGBT触发脉冲srau、sral，srbu、srbl和srcu、srcl。

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