CN103904922A - 一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法 Download PDF

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李欣哲
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法,所述控制方法包括以下步骤:采集电网中流入整流器的对称三相电流及直流母线电压,并且估算出交流侧虚拟磁链;根据采集的对称三相电流及交流侧虚拟磁链计算出输入整流器的有功功率和无功功率,同时计算出磁链矢量角;基于功率内环采用功率预测,使得整流器的有功功率和无功功率跟踪到给定值;采用空间矢量调制方法,产生三相PWM整流器的开关信号,并将该开关信号通过驱动电路驱动功率开关器件。所述方法省去了交流侧电压传感器,增强了系统的可靠性,较少了装置的硬件成本,并且在功率内环去了PI控制器,简化了控制结构,减小了参数整定的困难度。

Description

一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法。

背景技术

[0002]目前,随着电力电子技术和数字信号处理技术的发展,以脉宽调制(PWM)技术为基础的各种变流装置在工业领域获得了广泛的应用。PWM整流器具有网侧电流正弦、单位功率因数并网、方便实现能量的双向流动等优点,真正实现了电能的“绿色变换”。以正弦波电流为目标的各种电路结构和控制算法也被提出。二十世纪90年代初,Tokuo Ohnishi提出一种将瞬时有功功率、无功功率概念用于三相PWM变换器系统的控制方法,随后ToshihikoNoguchi等学者进行了研究并取得了进展,提出了 DPC方法,并将DPC方法应用于三相PWM整流器系统的直接功率控制。现有的DPC方法按照主电路的拓扑结构可分为有电压传感器和无电压传感器两类:

[0003] (I)有电压传感器结构的DPC方法

[0004] 有电压传感器结构的DPC方法,交流侧使用电压传感器和电流传感器分别测量交流侧电压和交流侧电流,用电压传感器测量直流母线电压。采用电压矢量定向,对这些测量值运算得到控制量,来控制PWM整流器的开关状态。

[0005] (2 )无电压传感器结构的DPC方法

[0006] 采用无交流电压传感器的拓扑结构,通过电网磁链估算或电压估算得到电网电压幅值和相位,实现DPC方法。省去了电压传感器,提高了系统的鲁棒性,同时解决了电压谐波情况下使用电压传感器导致电压矢量定位不准确的问题,提高了控制精度。

发明内容

[0007] 发明目的:本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法,不仅简化了控制系统,而且改进了三相PWM整流器直接功率的控制效果。

[0008] 技术方案:为了实现发明目的,本发明公开了一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法,所述控制方法包括以下步骤:

[0009] (I)采集电网中流入整流器的对称三相电流及直流母线电压,并且估算出交流侧虚拟磁链;

[0010] (2)将期望得到的直流母线电压值与步骤(I)中采集到的直流母线电压值进行相比得到差值,将该差值通过一个比例积分环节得到有功电流的给定值,再将有功电流的给定值与步骤(I)中采集到的直流母线电压值相乘得到有功功率的给定值;单位功率因数运行下,无功功率的给定值为零;

[0011] (3)根据步骤(I)中采集的对称三相电流及交流侧虚拟磁链计算出输入整流器的有功功率和无功功率,同时计算出虚拟磁链矢量角;

[0012] (4)基于功率内环采用功率预测,使得整流器的有功功率和无功功率跟踪到给定值;

[0013] (5)采用空间矢量调制方法,产生三相PWM整流器的开关信号,并将该开关信号通过驱动电路驱动功率开关器件。

[0014] 作为优选,为了进一步实现发明目的,所述步骤(3)包括以下步骤:

[0015] (3.1)设定对应的三相PWM整流桥的开关信号Sa、Sb、S。,开关器件状态的函数可以

表示为:

[0016]

Figure CN103904922AD00051

[0017] 将Sa、Sb、S。转换到α - β坐标系下得

Figure CN103904922AD00052

[0019] (3.2)将Sa、Sb、S。转换到α-β坐标系下的分量Ua、Ue为:

Figure CN103904922AD00053

[0021] 通过公式

Figure CN103904922AD00054

可以计算出虚拟磁链在α-β

坐标系下的分量ψα和Ve及虚拟磁链角y ;

[0022] (3.3)再通过公式

Figure CN103904922AD00055

获得有功功率P和无功功率Q。

[0023] 作为优选,为了进一步实现发明目的,所述步骤(4)中功率预测基于d_q坐标系下功率内环完成,控制方程为:

Figure CN103904922AD00056

[0025] 其中,Uq(k)、Ud(k)、ed(k)、eq(k)、P(k)、q(k)分别为k时刻整流器的输出电压、电网侧电压以及瞬时有功功率和无功功率,P*(k+1)、q*(k+l)分别为k+1时刻预测的有功和无功给定功率,L、Ts分别为滤波电感和采样时间。

[0026] 有益效果:本发明与现有技术相比,所述方法省去了交流侧电压传感器,增强了系统的可靠性,较少了装置的硬件成本,并且在功率内环去了 PI控制器,简化了控制结构,减小了参数整定的困难度。

附图说明[0027] 图1为本发明电压型整流器系统的结构示意图;

[0028] 图2为本发明基于虚拟磁链定向用于电压型整流器控制方法的控制结构示意图;

[0029] 图3为本发明估算虚拟磁环的原理图;

[0030] 图4为本发明实施例A相动态电流和A相相电压的仿真波形图;

[0031] 图5为本发明实施例有功功率和无功功率的仿真动态波形图;

[0032] 图6为本发明实施例直流电压的仿真动态波形图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0034] 如图1所示,所述电压型整流器系统包括功率主电路和控制电路,功率主电路包括滤波电感、母线电容、负载电阻以及由开关元件组成的三相PWM整流桥,控制电路包括电压霍尔传感器、电流霍尔传感器以及主控芯片;图中ia、ib、i。为流入整流器的三相电流;R、L分别为滤波电抗器的电阻和电感;Ura、Urb, Urc为输入整流器的三相离散电压信号;C为滤波电容凡为负载电阻;ud。为直流母线电压火为负载电流;sa、sb、s。为表征开关器件状态的函数。

[0035] 如图2所示,通过电流霍尔传感器采集到两相电流值iJPib,并且通过电压霍尔传感器采集到直流母线电压Udc,通过两相电流和直流母线电压估算出虚拟磁链角,并且计算出实时输入整流器的有功功率P和无功功率q ;通过直流电压外环PI调节器输出得到有功电流给定值iMf,将有功电流给定值iMf与直流母线电压Udc相乘得到有功功率给定值Ge/;如图3所示,为了估算出虚拟磁链大小以及计算出流入整流器的有功功率和无功功率,设定对应的三相PWM整流桥的开关信号Sa、Sb、S。,开关器件状态的函数可以表示为:

[0036]

Figure CN103904922AD00061

[0037] 将Sa、Sb、S。转换到α - β坐标系下得

[0038]

Figure CN103904922AD00062

[0039] 将Sa、Sb、Sc转换到α-β坐标系下的分量ua、ue为:

Figure CN103904922AD00063

[0041] 通过公式

Figure CN103904922AD00064

可以计算出虚拟磁链在α-β坐标系下的分量Ψα和Ψ0及虚拟磁链角Y,再通过公式 ,

Figure CN103904922AD00071

获得有功功率P和无功功率Q ;由于没有交流侧电压传感器,所以电网电Sed和e,

不能直接测量,通过公式

Figure CN103904922AD00072

估算出电

网电压ed和e,;通过虚拟磁链计算出整流器的有功功率和无功功率之后,功率内环采用功率预测获得整流器交流侧电压输出,在d-q坐标系下,整流器的有功功率和

无功功率为

Figure CN103904922AD00073

基于d-q坐标系下为直流量,采样频率较大的情况下,认为相邻的两个采样时刻edq(k+1)=edq(k)进而相邻两个时刻的功率可表达为:

Figure CN103904922AD00074

且d_P-q系下•流器电流满足万

Figure CN103904922AD00075

(公式1);对.公式1进行解氣假设

Figure CN103904922AD00076

且忽略电阻R得到

Figure CN103904922AD00077

,转化为差分

方程得

Figure CN103904922AD00078

)将差分方程代入功率方程,将下一时刻功率跟踪到 给定值作为控制目标,可得

Figure CN103904922AD00079

(公式2);由于无功功率给定值为0,在相邻两个采样周期内对给定有功功

率采用线性插值可得

Figure CN103904922AD000710

,将其代入公式2得

Figure CN103904922AD000711

从而计算出Uh和Un,

进而求出vd和Vq,经过坐标变换后得到ua和ue,通过空间矢量调制得到三相开关管开关信号;将开关信号Sa、Sb、S。经过驱动电路驱动功率开关器件,即可实现对PWM整流器系统的直接功率控制。

[0042] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

[0043] 在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型,采用如图2所述结构,参数如下:负载电阻为&=33 Ω ;滤波电感L=7mH ;滤波电容C=3000 μ F ;交流侧相电压幅值为70V ;直流母线电压初始给定为300V,0.5秒突变为350V。如图4所示,A相电压与A相动态电流,A相电流很快稳定;如图5所示,整流器输入的有功和无功功率实现解耦,有功功率过渡过程时间短,无功功率基本为O,实现了单位功率因数控制;如图6所示,直流侧电压稳定,负载突变后系统能够迅速跟随,电压电流超调小,减小了对电网和直流侧电容电压的冲击。

Claims (3)

1.一种基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤: (1)采集电网中流入整流器的对称三相电流及直流母线电压,并且估算出交流侧虚拟磁链; (2)将期望得到的直流母线电压值与步骤(1)中采集到的直流母线电压值进行相比得到差值,将该差值通过一个比例积分环节得到有功电流的给定值,再将有功电流的给定值与步骤(1)中采集到的直流母线电压值相乘得到有功功率的给定值;单位功率因数运行下,无功功率的给定值为零; (3)根据步骤(1)中采集的对称三相电流及交流侧虚拟磁链计算出输入整流器的有功功率和无功功率,同时计算出虚拟磁链矢量角; (4)基于功率内环采用功率预测,使得整流器的有功功率和无功功率跟踪到给定值; (5)采用空间矢量调制方法,产生三相PWM整流器的开关信号,并将该开关信号通过驱动电路驱动功率开关器件。
2.如权利要求1所述的基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法,其特征在于,所述步骤(3)包括以下步骤: (3.1)设定对应的三相PWM整流桥的开关信号Sa、Sb、S。,开关器件状态的函数可以表示为:
Figure CN103904922AC00021
将Sa、Sb、S。转换到a - β坐标系下得
Figure CN103904922AC00022
(3.2)将Sa、Sb、S。转换到α-β坐标系下的分量ua、U0为:
Figure CN103904922AC00023
通过公式
Figure CN103904922AC00024
可以计算出虚拟磁链在α-β坐标:卜=+ Lia —Ψα 系下的分量Ψ α和Ve及虚拟磁链角Y ; (3.3)再通过公式
Figure CN103904922AC00025
.获得有功功率P和无功功率Q。
3.如权利要求1所述的基于虚拟磁链定向用于电压型整流器的控制方法,其特征在于,所述步骤(4)中功率预测基于d_q坐标系下功率内环完成,控制方程为:
Figure CN103904922AC00031
其中,u, (k)、ud (k)、ed(k)、eq(k)、P(k)、q(k)分别为k时刻整流器的输出电压、电网侧电压以及瞬时有功功率和无功功率,P*(k+1)、q*(k+l)分别为k+1时刻预测的有功和无功给定功率,L、Ts分别为滤波电感和采样时间。
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