CN103973137A - 改进型空间矢量控制的三相pwm整流系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统及其控制方法，属于电力电子变流技术、智能控制领域。该发明的整流器系统包括:三相PWM整流功率主电路、电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路、缓冲电路和DSP处理器；控制方法由DSP处理器来实现，主要包括：滞环电流控制、三角比较控制、电压空间矢量控制、电压外环PI控制组成。本发明实现了开关管的定频控制、输入功率因数为1、网侧电流谐波畸变率低、动态响应快、抗干扰能力强、电路设计简单、直流输出稳定且控制算法简单，易于数字化实现。

Description

改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及三相整流技术，尤其涉改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，世界各国普遍开始关注高效、无污染的利用电能问题。而目前国内大功率整流器普遍采用二极管和晶闸管实现的不控和可控整流器，其电流波形畸变给电网注入大量谐波和无功功率，造成严重的电网污染。

三相电压型PWM整流器具有交流侧电流谐波低、功率因数高、直流电压输出稳定等诸多优点，成为当前电力电子领域研究的热点课题之一。目前广泛使用的控制策略如下：滞环比较、三角SPWM控制、矢量控制和前馈解耦。然而这些控制方法都有各自的缺点：滞环控制无法实现定频控制，给电路设计带来困难；三角SPWM控制需要较高的开关频率才能达到低谐波要求；矢量控制虽然开关频率较低但是产生的谐波较大；而对于前馈解耦，当模型不准确或系统参数与模型参数不完全匹配时，基于旋转坐标变换的矢量控制仍然存在解耦控制失败的可能，影响系统的控制性能。

发明内容

针对现有控制策略的缺点，本发明目的在于提供改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统及其控制方法。采用多种控制策略结合控制，实现开关管的定频控制，简化电路设计，提高电路可靠性的同时，提高输入功率因数和降低交流侧电流谐波。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统，包括:三相PWM整流功率主电路、电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路和用于对三相PWM整流器进行改进型空间矢量控制的DSP处理器，三相PWM整流功率主电路分别与电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路的输入连接，电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路的输出与DSP处理器连接，DSP处理器的输出接三相PWM整流功率主电路的六个开关管的驱动输入端。

所述的三相PWM整流功率主电路包括：三相交流电源、三相电抗器、三相整流桥、缓冲电路、电容和负载，三相整流模块采用了六开关三相半桥式电路拓扑，实现AC到DC变换；所述的电压检测电路采用霍尔电压传感器检测交流侧三相交流电压（三相电网电压）和三相PWM整流功率主电路的三相整流桥输出电压；所述的电流检测电路采样霍尔电流传感器检测交流侧三相交流电流，即三相电网输入电流；所述的同步电压电路采用锁相电路计算三相电网电压的同步相位。

所述缓冲电路由限流电阻和继电器并联组成，在导通瞬间减小交流侧电流幅值。

所述的DSP处理器采用德州仪器公司2000系列DSP控制器。

用于上述三相PWM整流系统的改进型空间矢量控制方法，包括如下步骤：电流检测电路采样交流侧电流，电压检测电路采样交流侧电压和三相整流桥输出电压信号，同时同步电压电路同步交流侧三相交流电压的相位，DSP处理器根据锁相电路的输出计算得到三个幅值为1的交流电压信号，并且分别与交流侧的三相交流电压同相位；（S2）DSP处理器利用步骤（S1）采样的得到三相整流桥输出电压进行电压外环PI调节；（S3）DSP处理器利用步骤（S1）得到的三个幅值为1的交流电压信号和步骤（S2）的电压外环PI调节结果进行三角波比较电流控制；（S4）DSP处理器根据三角波比较电流控制的结果进行滞环控制；（S5）DSP处理器根据滞环控制的结果进行空间矢量控制。

在步骤（S1）中，是通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和锁相电路得到三相整流桥输出电压信号、三相交流电流信号和电网电压相位信号，DSP处理器把采样得到的三相整流桥输出电压信号、三相交流电流信号转换为数字信号，同时根据锁相电路的输出的电网电压相位信号计算得到三个幅值为1的交流电压信号，并且该三个幅值为1的交流电压信号分别与交流侧的三相交流电压同相位。

在步骤（S2）中，把三相PWM整流系统所要实现的三相整流桥输出电压作为参考电压，将参考电压减去采样得到的三相整流桥输出电压，并将差作为PI调节的输入，实现电压外环PI调节。

在步骤（S3）中，是将电压外环PI调节的结果作为指令电流信号的幅值，将指令电流信号的幅值分别与上述计算得到的三个幅值为1的交流电压信号相乘得到三个指令电流信号，再将三个指令电流信号分别与网侧电流信号作差，并将差作为三角比较控制器的输入，经过PI调节后再与固定频定、固定幅值的三角波作比较。

在步骤（S4）中，是将三角波比较电流控制的结果作为滞环控制的输入，通过具有滞环特性的比较器得到6路输出信号。

在步骤（S5）中，是将滞环控制输出的6路信号通过空间矢量控制，产生6路脉宽调制波，用于驱动三相整流器开关管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用电压外环PI控制、三角比较控制、滞环控制、矢量控制多种控制相结合的控制方法，实现开关管的定频控制，简化电路设计，在相同的开关频率下，电路谐波更小，实现单位功率因数运行，对电网污染小，控制算法简单，易于数字化实现。

附图说明

图1是本发明的一种改进型空间矢量控制的三相PWM整流器系统结构示意图；

图2是本发明的一种改进型空间矢量控制的三相PWM整流器控制方法示意图；

图3是应用本发明的matlab仿真效果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种改进型空间矢量控制的三相PWM整流器系统，包括:三相PWM整流功率主电路1、电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路和用于对三相PWM整流器进行改进型空间矢量控制的DSP处理器，三相PWM整流功率主电路1分别与电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路的输入连接，电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路的输出与DSP处理器连接，DSP处理器的输出接三相PWM整流功率主电路1的六个开关管的驱动输入端。三相PWM整流功率主电路1包括：三相交流电源E、三相电抗器L、三相整流桥K、缓冲电路2、电容C和负载RL，三相整流模块采用了六开关三相半桥式电路拓扑，实现AC到DC变换；；电压外环PI控制3中Vdc为负载两端的电压，Vdc*为三相整流桥输出的参考电压；三角比较控制4中is*为三相交流电流指令电流，is为三相交流电流实际电流；

如图2所示，本发明的三相PWM整流器控制方法，主要步骤包括：（S1）电流检测电路采样交流侧电流，电压检测电路采样交流侧电压和三相整流桥输出电压信号，同时同步电压电路同步交流侧三相交流电压的相位，DSP处理器根据锁相电路的输出计算得到三个幅值为1的交流电压信号，并且分别与交流侧的三相交流电压同相位；DSP处理器利用步骤（S1）采样的得到三相整流桥输出电压进行电压外环PI调节3；（S3）DSP处理器利用步骤（S1）得到的三个幅值为1的交流电压信号和步骤（S2）的电压外环PI调节结果进行三角波比较电流控制4；（S4）DSP处理器根据三角波比较电流控制的结果进行滞环控制5；（S5）DSP处理器根据滞环控制5的结果进行空间矢量控制（6）。

在步骤（S1）中，是通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和锁相电路得到三相整流桥输出电压信号、三相交流电流信号和电网电压相位信号，DSP处理器把采样得到的三相整流桥输出电压信号、三相交流电流信号转换为数字信号，同时根据锁相电路的输出的电网电压相位信号计算得到三个幅值为1的交流电压信号，并且该三个幅值为1的交流电压信号分别与交流侧的三相交流电压同相位。

在步骤（S2）中，DSP处理器把三相PWM整流系统所要实现的三相整流桥输出电压作为参考电压，将参考电压减去采样得到的三相整流桥输出电压，并将差作为PI调节的输入，实现电压外环PI调节3。

在步骤（S3）中，是将电压外环PI调节（3）的结果作为指令电流信号的幅值，将指令电流信号的幅值分别与上述计算得到的三个幅值为1的交流电压信号相乘得到三个指令电流信号，再将三个指令电流信号分别与网侧电流信号作差，并将差作为三角比较控制器的输入，经过PI调节后再与固定频定、固定幅值的三角波作比较，完成三角比较控制，该控制能实现开关频率固定，控制简单，响应速度快。

在步骤（S4）中，是将三角波比较电流控制（4）的结果输入到具有滞环特性的比较器。当输入值的绝对值大于给定环宽H时，滞环比较器的输出翻转；当输入值的绝对值小于环宽H时，滞环比较器的输出不变，该控制响应快，谐波小、开关损耗低。

在步骤（S5）中，是将滞环控制（5）输出的6路信号通过空间矢量控制（6），实现空间矢量控制，请参阅图1，忽略整流器交流侧电阻，根据基尔霍夫电压定律得：

$L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=E-V---\left(1\right)$

其中：E为三相电网电动势矢量，V为交流侧三相交流电压矢量，I为交流侧三相交流电流矢量，t为时间。

I*为交流侧三相交流指令电流矢量，则误差电流矢量为

ΔI＝I*-I （2）

将式（2）代入式（1），得

$L\frac{\mathrm{d\ΔI}}{\mathrm{dt}}=V-E+L\frac{\mathrm{dI}*}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

由式（3）可知，若要使误差电流矢量为0，即零误差电流响应，则三相整流桥输出的参考电压矢量V*应该满足

$V*=E-L\frac{\mathrm{dI}*}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

对于三相电压型PWM整流器来说，6个开关管的有限组合会产生8条空间电压矢量V_k(k＝0,...,7)，代入式（3）得

$\begin{array}{cc}L\frac{\mathrm{d\ΔI}}{\mathrm{dt}}=V_k-E+L\frac{\mathrm{dI}*}{\mathrm{dt}}& (k=0,...,7)\end{array}---\left(6\right)$

将式（4）代入式（5），得

$\begin{array}{cc}L\frac{\mathrm{d\ΔI}}{\mathrm{dt}}=V_k-V*& (k=0,...,7)\end{array}---\left(6\right)$

由式（6）可知，可以选择合适的空间电压矢量V_k(k＝0,...,7)控制误差电流矢量变换率，使误差电流矢量ΔI尽可能小，根据空间电压矢量V_k的要求调整6路PWM输出波形，从而实现高功率因数、低谐波、低损耗的三相PWM整流，该控制具有精度高、响应快、同时较大程度的降低器件的平均开关频率，减小开关损耗。

如图3为应用本发明的matlab仿真效果图，图中可看出网侧电流很好地跟踪了网侧电压，两者相位相同，并且都呈正弦波。另外，在负载突然增加时，网侧电流依然可以很好地跟踪网侧电压。

本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (10)

1.改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统，包括:三相PWM整流功率主电路（1）、电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路和用于对三相PWM整流器进行改进型空间矢量控制的DSP处理器，三相PWM整流功率主电路（1）分别与电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路的输入连接，电压检测电路、电流检测电路、同步电压电路的输出与DSP处理器连接，DSP处理器的输出接三相PWM整流功率主电路（1）的六个开关管的驱动输入端。

2.根据权利要求1所述的改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统，其特征在于所述的三相PWM整流功率主电路（1）包括：三相交流电源（E）、三相电抗器（L）、三相整流桥（K）、缓冲电路（2）、电容（C）和负载（R_L），三相整流模块采用了六开关三相半桥式电路拓扑，实现AC到DC变换；所述的电压检测电路采样霍尔电压传感器检测交流侧三相交流电压和三相PWM整流功率主电路（1）的三相整流桥输出电压；所述的电流检测电路采样霍尔电流传感器检测交流侧三相交流电流，即三相电网输入电流；所述的同步电压电路采用锁相电路计算三相电网电压的同步相位。

3.根据权利要求2所述的改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统，其特征在于：所述缓冲电路（2）由限流电阻和继电器并联组成，在导通瞬间减小交流侧电流幅值。

4.根据权利要求1所述的改进型空间矢量控制的三相PWM整流系统，其特征在于：所述的DSP处理器采用德州仪器公司2000系列DSP控制器。

5.用于权利要求1所述三相PWM整流系统的改进型空间矢量控制方法，其特征在于包括如下步骤：（S1）电流检测电路采样交流侧电流，电压检测电路采用交流侧电压和三相整流桥输出电压信号，同时同步电压电路同步交流侧三相交流电压的相位，DSP处理器根据锁相电路的输出计算得到三个幅值为1的交流电压信号，并且分别与交流侧的三相交流电压同相位；（S2）DSP处理器利用步骤（S1）采样的得到三相整流桥输出电压进行电压外环PI调节（3）；（S3）DSP处理器利用步骤（S1）得到的三个幅值为1的交流电压信号和步骤（S2）的电压外环PI调节结果进行三角波比较电流控制（4）；（S4）DSP处理器根据三角波比较电流控制的结果进行滞环控制（5）；（S5）DSP处理器根据滞环控制（5）的结果进行空间矢量控制（6）。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在步骤（S1）中，是通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和锁相电路得到三相整流桥输出电压信号、三相交流电流信号和电网电压相位信号，DSP处理器把采样得到的三相整流桥输出电压信号、三相交流电流信号转换为数字信号，同时根据锁相电路的输出的电网电压相位信号计算得到三个幅值为1的交流电压信号，并且该三个幅值为1的交流电压信号分别与交流侧的三相交流电压同相位。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在步骤（S2）中，把三相PWM整流系统所要实现的三相整流桥输出电压作为参考电压，将参考电压减去采样得到的三相整流桥输出电压，并将差作为PI调节的输入，实现电压外环PI调节（3）。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在步骤（S3）中，是将电压外环PI调节（3）的结果作为指令电流信号的幅值，将指令电流信号的幅值分别与上述计算得到的三个幅值为1的交流电压信号相乘得到三个指令电流信号，再将三个指令电流信号分别与网侧电流信号作差，并将差作为三角比较控制器的输入，经过PI调节后再与固定频定、固定幅值的三角波作比较。

9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在步骤（S4）中，是将三角波比较电流控制（4）的结果作为滞环控制（5）的输入，通过具有滞环特性的比较器得到6路输出信号。

10.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在步骤（S5）中，是将滞环控制（5）输出的6路信号通过空间矢量控制（6），产生6路脉宽调制波，用于驱动三相整流器开关管。