CN104052314A - 一种三相电压型pwm整流器直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及PWM整流控制领域，具体涉及一种三相电压型PWM整流器直接功率控制方法。本发明包括：检测整流器交流侧电网电压、输入电流及直流侧母线电压；将检测到的电网电压、输入电流经abc/αβ变换，得到电网电压和输入电流在αβ坐标系下的分量；确定电网电压U的幅角和其所在扇区；将直流侧采样电压与给定值相比较后的差值经PI调节器输出；将输出值与采样电压的乘积作为有功功率的给定；有功功率给定与实时有功功率的差值经滞环比较器后产生开关信号；实时无功功率经滞环比较器后产生Sq；产生开关信号驱动主电路开关管。本发明消除了无功功率失控区，提高了系统的可靠性和稳定性，方法简单，易于实现。

Description

一种三相电压型PWM整流器直接功率控制方法

技术领域

本发明涉及PWM整流控制领域，具体涉及一种三相电压型PWM整流器直接功率控制方法。

背景技术

电压型PWM整流器具有交流侧交流电流低谐波、单位功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优点，日益引起人们的关注。与直接电流控制相比，直接功率控制系统算法和系统结构跟简单、动态性能更好、不受坐标变换影响，因此逐渐成为国内外学者研究的热点。

直接功率(DPC)控制系统包括直流电压外环、功率内环结构；主电路由交流电压、电流检测电路和直流电压检测电路、滤波电抗器、开关管、直流电解电容器和负载组成。其传统控制方法为：根据检测到的电流i_a、i_b、i_c及u_a、u_b、u_c经坐标变换得到两相坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β,然后得到瞬时有功和无功功率的估算值p、q,p和q与给定的p_ref和q_ref比较后的差值信号送入功率滞环比较器得到S_p、S_q开关信号，扇形θ划分由u_α和u_β确定。p_ref由直流电压外环PI调节器的输出(代表电流)与直流电压的乘积设定，根据S_p、S_q、θ_n在开关表中选择所需的驱动信号去驱动主电路开关管。这种传统的直接功率控制中用到的开关表会出现无功功率失控区，从而会引起无功和有功的波动，进而使直流侧输出电压产生波动，影响系统的可靠性和稳定性。

发明内容

本发明目的在于提供一种提高系统可靠性和稳定性三相电压型PWM整流直接功率控制方法＝。

本发明的目的是这样实现的：

(1)检测整流器交流侧电网电压、输入电流及直流侧母线电压；

(2)将检测到的电网电压、输入电流经abc/αβ变换，得到电网电压和输入电流在αβ坐标系下的分量；

(3)根据αβ坐标系下的分量计算瞬时有功和无功，确定电网电压U的幅角和其所在扇区n，

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{u_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}};$

(4)将直流侧采样电压与给定值相比较后的差值经PI调节器输出；

(5)将输出值与采样电压的乘积作为有功功率的给定Pref；

(6)有功功率给定Pref与实时有功功率的差值经滞环比较器后产生开关信号Sp_；

(7)实时无功功率经滞环比较器后产生Sq；

(8)选择器根据Sp、Sq选择快速或慢速开关表，产生开关信号驱动主电路开关管，实现PWM整流器的直接功率控制。

本发明的有益效果为：本发明基于传统直接功率控制的基础上，采用根据开关矢量对于有功功率和无功功率的幅度变化控制，选择快速或慢速开关表来产生驱动开关管的方法，可有效解决传统直接功率控制中由于存在无功功率失控区而引起无功和有功波动的问题，消除了无功功率失控区，提高了系统的可靠性和稳定性，方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明一种三相电压型PWM整流直接功率控制方法控制框图。

图2为本发明方法的开关矢量对有功(无功)功率作用。

图3为采用本发明方法控制下的实施例交流侧电压电流波形。

图4为采用传统直接功率控制的实施例有功功率与无功功率波形。

图5为采用本发明方法控制下的实施例有功功率与无功功率波形。

图6为采用传统直接功率控制的实施例直流电压输出波形。

图7为采用本发明方法控制下的实施例直流电压输出波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明是通过下列技术方案来实现：

一种三相电压型PWM整流直接功率控制方法，包括以下步骤：

检测整流器交流侧电网电压、输入电流及直流侧母线电压，将检测到的电网电压、输入电流经abc/αβ变换，得出电网电压和输入电流在αβ坐标系下的分量，根据αβ坐标系下的分量计算瞬时有功和无功，同时按照式子确定U的幅角和其所在扇区n。将直流侧采样电压与给定值相比较后的差值经PI调节器输出，将输出值与采样电压的乘积作为有功功率的给定P_ref，P_ref与实时有功功率的差值经滞环比较器后产生开关信号Sp，实时无功功率经滞环比较器后产生Sq，选择器根据Sp、Sq选择快速或慢速开关表，产生开关信号驱动主电路开关管，实现PWM整流器的直接功率控制。

快速开关表和慢速开关表的设计与实现的步骤为：

(1)根据幅角θ在不同的扇区确定各矢量的作用效果。幅角θ在某个扇区时，设i_d轴与电压矢量U同向，i_q轴垂直于i_d轴。若矢量U在i_d轴上的投影与i_d同向，则使有功功率增加，反之则使有功功率减小；若矢量U在i_q轴上的投影与i_q同向，则使无功功率减小，反之则使无功功率增加；

(2)根据U-U_i与i_q轴夹角的大小，来控制各矢量对无功功率作用的幅度小或大，根据U-U_i与i_d轴夹角的大小，来控制各矢量对有功功率作用的幅度小或大；

(3)根据12个扇区各个开关矢量对于有功功率与无功功率的控制幅度设计快速开关表与慢速开关表。

开关表选择器按照下列方式实现：

根据不同的有功功率或无功功率幅度控制的区间，得到不同的幅度控制函数值，进而结合S_p去选择快速或慢速开关表，产生开关信号驱动主电路开关管，实现PWM整流器的直接功率控制。快速开关表在有功功率滞环比较器输出0或1的时候，选择让有功功率变化最快的开关矢量。慢速开关表则与之相反。C_p为幅度控制函数。

$C_p=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{\&Delta;p}<0\\ 1,& 0<\mathrm{\&Delta;p}<H_p\\ 2,& \mathrm{\&Delta;p}>H_p\end{array}\right.$

表1

表中，“1”代表选择快速开关表，“0”代表选择慢速开关表，“X”代表此状态不存在。

假设电源电压矢量U处于第一扇区，各开关矢量有功功率与无功功率其作用如图2所示。

设i_d轴与电压矢量U同向，i_q轴垂直于i_d轴。由于各矢量大小都是一致的，其对有功功率与无功功率的作用效果只与U-U_i矢量在i_d轴与i_q轴的投影大小有关。若在i_d轴上的投影与i_d同向，则使有功功率增加，反之则使有功功率减小；若在i_q轴上的投影与i_q同向，则使无功功率减小，反之则使无功功率增加。根据图2可知，U₄、U₅、U₆都使无功功率减小，U₁、U₂、U₃都使无功功率增加，且随着U-U_i与i_q轴夹角变小，控制幅度增大。同理，U₁、U₆都使有功功率减小，U₂、U₃、U₄、U₅都使有功功率增加，且随着U-U_i与i_d轴夹角变小，控制幅度增大。总结如表2所示：

表2 第一扇区开关矢量对功率的控制幅度

表2中“+”代表增加的幅度，“+”越多增加幅度越大；“—”代表减小幅度，“—”越多减的幅度越大。同理可以得出12个扇区各个开关矢量对于有功功率与无功功率的控制幅度，在此就不一一列出。

由此设计快速开关表与慢速开关表。快速开关表就是在有功功率滞环比较器输出0或1的时候，选择让有功功率变化最快的开关矢量；慢速开关表则与之相反。快慢开关表如表3、表4所示：

表3 快速开关表

表4 慢速开关表

根据不同幅度控制的区间，得到不同的幅度控制函数值，进而结合S_p去选择快速或慢速开关表，产生开关信号驱动主电路开关管，实现PWM整流器的直接功率控制。幅度控制函数C_p如下：

$C_p=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{\&Delta;p}<0\\ 1,& 0<\mathrm{\&Delta;p}<H_p\\ 2,& \mathrm{\&Delta;p}>H_p\end{array}\right.$

当S_p＝0的时候且C_p＝1的时候选择慢表；当S_p＝1且C_p＝2的时候选择快表；当S_p＝1且C_p＝1的时候选择慢表；C_p＝0的时候开关表是固定的，所以选择块表慢表都一样，开关表选择关系如表5所示：

表5 快慢开关表选择

表5中，“1”代表快表，“0”代表慢表，“X”代表此状态不存在。

本发明实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实施例

本发明采用直流侧稳态输出电压值为300V，额定负载90Ω，额定容量为1kW，交流侧电压峰值100V，交流侧电路等效电阻0.3Ω，电感3mH，直流侧电容1000μF。电压环的PI参数为，比例系数Kp＝0.3，积分系数Ki＝20，进行仿真验证。

图4和图6是采用传统直接功率控制的波形图。图3、图5和图7是采用本发明的控制方法后的波形图。由图3可知，交流侧的电流和电压是同相位的，证明本系统在单位功率因数下运行。由图4和图5相比较可知，采用本发明的控制方法后，改进的直接功率控制策略消除了无功功率的失控区，由于无功功率与有功功率是耦合的，因此有效改善了有功功率的波形。图6和图7相比较可知，采用本发明控制方法后，电压超调由原来的27.53V减小为6.78V，进入稳态时间由原来的0.098s提前到0.04s，整个系统上升速度更快、超调更小、稳定时间更快。

综上可知，采用根据开关矢量对于有功功率和无功功率的幅度变化控制选择快速或慢速开关表来产生驱动开关管的方法，可有效解决传统直接功率控制中由于存在无功功率失控区而引起无功和有功波动的问题，消除了无功功率失控区，提高了系统的可靠性和稳定性，方法简单，易于实现。

Claims (1)

1.一种三相电压型PWM整流直接功率控制方法，其特征在于：

(1)检测整流器交流侧电网电压、输入电流及直流侧母线电压；

(2)将检测到的电网电压、输入电流经abc/αβ变换，得到电网电压和输入电流在αβ坐标系下的分量；

(3)根据αβ坐标系下的分量计算瞬时有功和无功，确定电网电压U的幅角和其所在扇区n，

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{arctg}\frac{u_{\mathrm{\&beta;}}}{u_{\mathrm{\&alpha;}}};$

(4)将直流侧采样电压与给定值相比较后的差值经PI调节器输出；

(5)将输出值与采样电压的乘积作为有功功率的给定P_ref；

(6)有功功率给定P_ref与实时有功功率的差值经滞环比较器后产生开关信号Sp；

(7)实时无功功率经滞环比较器后产生Sq；

(8)选择器根据Sp、Sq选择快速或慢速开关表，产生开关信号驱动主电路开关管，实现PWM整流器的直接功率控制。