CN104660074A - 一种基于虚拟磁链的pwm整流器直接功率协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率协调控制方法，属于电力电子技术领域。所述控制方法包括以下步骤：采集三相电网电流和直流母线电压，并计算出虚拟磁链；根据电网电流和虚拟磁链计算出瞬时功率；将负载功率作为整体前馈，再加上直流母线电容功率得到有功功率参考值，并计算瞬时功率误差；计算整流器参考电压，并进行坐标反变换；对整流器参考电压进行限幅后利用空间矢量调制方法，产生PWM整流器的驱动信号。本发明在有效抑制负载突变时直流母线电压波动、提高系统运行效率的同时，省去了电网电压传感器，降低了控制系统硬件成本，提高了控制系统可靠性，且在功率内环省去了多个PI调节器，降低了系统的复杂程度。

Description

一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率协调控制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

PWM整流器具有越来越好的发展前景，其性能要求也越来越严，这就对PWM整流器的控制技术提出了更高的要求。

近年来，直接功率控制以其控制算法简单，动态响应快等优点得到了许多学者的关注。直接功率控制分成基于滞环控制和基于空间矢量调制两种方式。传统的直接功率控制采用滞环控制，它的优点是控制算法简单，但具有开关频率不固定，采样频率要求高等缺点。基于空间矢量调制的直接功率控制具有采样频率低、动态响应好、损耗小等优点，目前已经成为研究的热点。

传统的直接功率控制方法，使得直流母线电容容值很大，当负载突变时，系统运行性能恶化。另外，采用多个电压电流传感器使得控制系统成本增加，可靠性降低。因此，需要发明一种简单有效的直接功率控制，提高系统运行效率，满足实际运行需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有控制方法的不足，提出了一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率协调控制方法，该方法可以有效抑制负载突变时直流母线电压的波动，提高系统运行效率。

1.一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率协调控制方法，包括以下步骤：

(1)采集三相电网电流和直流母线电压，计算电网侧虚拟磁链；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫u_{\mathrm{\α}}\mathrm{dt}+L{i}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}={{\∫}_u}_{\mathrm{\β}}\mathrm{dt}+L{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

式中

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\frac{2}{3}{U}_{\mathrm{DC}}(S_a-\frac{1}{2}(S_b+S_c))\\ u_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\sqrt{3}}{U}_{\mathrm{DC}}(S_b-S_c)\end{array}\right.$

式中，u_α、u_β为整流器参考电压α轴和β轴分量，i_α和i_β为采集的电网电流α轴和β轴分量，U_DC为采集的直流母线电压，S_a、S_b、S_c为PWM整流器开关信号；

(2)建立两相旋转坐标系，以角速度ω逆时针旋转；将虚拟磁链定向在两相旋转坐标系的d轴上；ψ_d为虚拟磁链d轴分量，ψ_q为零；i_d和i_q为电网电流d轴和q轴分量；θ为两相旋转坐标系d轴与A轴夹角；

将步骤(1)采集的电网电流和计算的虚拟磁链进行旋转坐标系变换，即可得到虚拟磁链和电网电流的d轴和q轴分量；计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d\\ {\mathrm{\ψ}}_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

(3)瞬时功率计算

按下列公式分别计算瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，

$\left\{\begin{array}{c}p=\frac{3}{2}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d{i}_q\\ q=\frac{3}{2}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d{i}_d\end{array}\right.$

式中，ω为虚拟磁链角速度；

(4)瞬时功率误差计算

将期望得到的直流母线电压平方值与步骤(1)采集到的直流母线电压平方值进行做差，将该差值经PI调节器得到直流母线电容功率P_c，再将直流母线电容功率P_c加上负载功率P_load，得到瞬时有功功率P的给定值P^*＝P_c+P_load；在系统单位功率因数运行时，Q的参考值为零；则按下列公式计算瞬时功率误差为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}=P^{*}-P\\ \mathrm{\ΔQ}=Q^{*}-Q\end{array}\right.$

式中，ΔP和ΔQ分别为P和Q的参考值与实际值的误差；

(5)整流器参考电压计算

根据步骤(2)得到的虚拟磁链、电网电流和步骤(4)得到的瞬时功率误差，按下式计算整流器参考电压：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=-\frac{2\mathrm{L\ΔP}}{3\mathrm{\ω}{T}_s{\mathrm{\ψ}}_d}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d-\mathrm{\ωL}{i}_q\\ u_q=-\frac{2\mathrm{L\ΔQ}}{3\mathrm{\ω}{T}_s{\mathrm{\ψ}}_d}-\mathrm{\ωL}{i}_d\end{array}\right.$

式中，u_d和u_q为两相旋转坐标系整流器参考电压d轴和q轴分量；T_s为系统采样周期；L为电网侧输入电感值；

(6)对步骤(5)计算的整流器参考电压进行坐标反变换，并对坐标反变换后的整流器参考电压进行限幅，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{u_{\mathrm{\α}}{u}_{\max }}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ u_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{u_{\mathrm{\β}}{u}_{\max }}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.$

式中，u_α和u_β为两相静止坐标系整流器参考电压α轴和β轴分量；u′_α和u′_β为两相静止坐标系限幅后的整流器参考电压α轴和β轴分量；

(7)采用空间矢量调制算法对限幅后的整流器参考电压进行调制后产生PWM整流器开关信号，并将开关信号通过驱动电路驱动功率开关器件。

本发明与传统控制方法相比，在负载突变时，所述方法在有效抑制直流母线电压波动、提高系统运行效率的同时，省去了电网电压传感器，增强了系统可靠性，降低了系统硬件成本，并且在功率内环省去了多个PI调节器，简化了系统结构，降低了控制系统的复杂程度。

附图说明

图1为三相PWM整流器主电路拓扑结构图；

图2为系统整体控制框图；

图3为虚拟磁链定向矢量图；

图4为采用传统控制方法时在负载突变情况下直流母线电压动态仿真结果；

图5为采用本发明所提的控制方法时在负载突变情况下直流母线电压动态仿真结果；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为三相PWM整流器主电路拓扑结构。如图所示，e_a、e_b、e_c为电网电压；i_a、i_b、i_c为电网侧相电流；u_a、u_b、u_c为整流器参考相电压；U_DC为直流母线电压；L为电网侧滤波电感；R为电网侧输入电阻；R_L为负载电阻。

图2为系统整体控制框图，该控制方法在图1的三相PWM整流器主电路拓扑结构上按照如下步骤依次实现：

1数据采集

控制系统通过电流霍尔传感器采集三相电网电流值i_a、i_b和i_c，通过电压霍尔传感器采集到直流母线电压U_DC。其中，通过三相电网电流和直流母线电压估算出电网侧虚拟磁链，并且计算出PWM整流器瞬时功率，通过直流母线电压平方值与直流母线参考电压平方值做差后经PI调节器输出，再加上负载功率得到瞬时有功功率参考值。模拟量采集需选用专用的AD转换芯片。在本实施例中，选用飞思卡尔公司的MC56F8346控制芯片，使用该控制芯片内部的AD转换接口采集模拟量。

采集三相电网电流和直流母线电压，计算电网侧虚拟磁链；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫u_{\mathrm{\α}}\mathrm{dt}+L{i}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}={{\∫}_u}_{\mathrm{\β}}\mathrm{dt}+L{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

式中

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\frac{2}{3}{U}_{\mathrm{DC}}(S_a-\frac{1}{2}(S_b+S_c))\\ u_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\sqrt{3}}{U}_{\mathrm{DC}}(S_b-S_c)\end{array}\right.$

式中，u_α、u_β为整流器参考电压α轴和β轴分量，i_α和i_β为采集的电网电流α轴和β轴分量，U_DC为采集的直流母线电压，S_a、S_b、S_c为PWM整流器开关信号；

2建立两相旋转坐标系，以角速度ω逆时针旋转；将虚拟磁链定向在两相旋转坐标系的d轴上，则系统虚拟磁链和电网电流矢量图如图3所示。图中，A、B、C为三相静止坐标轴；α、β为两相静止坐标系；ψ_d为虚拟磁链d轴分量；i_d和i_q为电网电流d轴和q轴分量；i_dq为旋转坐标系下电网电流合成矢量；θ为两相旋转坐标系d轴与A轴夹角；

将采集的电网电流和计算的虚拟磁链进行旋转坐标系变换，即可得到虚拟磁链和电网电流的d轴和q轴分量；计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d\\ {\mathrm{\ψ}}_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

3瞬时功率计算

按下列公式分别计算瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，

$\left\{\begin{array}{c}p=\frac{3}{2}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d{i}_q\\ q=\frac{3}{2}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d{i}_d\end{array}\right.$

式中，ω为虚拟磁链角速度；

4瞬时功率误差计算

将期望得到的直流母线电压平方值与采集到的直流母线电压平方值进行做差，将该差值经PI调节器得到直流母线电容功率P_c，再将直流母线电容功率P_c加上负载功率P_load，得到瞬时有功功率P的给定值P^*＝P_c+P_load；在系统单位功率因数运行时，Q的参考值为零；则按下列公式计算瞬时功率误差为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}=P^{*}-P\\ \mathrm{\ΔQ}=Q^{*}-Q\end{array}\right.$

式中，ΔP和ΔQ分别为P和Q的参考值与实际值的误差；

5整流器参考电压计算

根据虚拟磁链、电网电流和瞬时功率误差，按下式计算整流器参考电压：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=-\frac{2\mathrm{L\ΔP}}{3\mathrm{\ω}{T}_s{\mathrm{\ψ}}_d}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d-\mathrm{\ωL}{i}_q\\ u_q=-\frac{2\mathrm{L\ΔQ}}{3\mathrm{\ω}{T}_s{\mathrm{\ψ}}_d}-\mathrm{\ωL}{i}_d\end{array}\right.$

式中，u_d和u_q为两相旋转坐标系整流器参考电压d轴和q轴分量；T_s为系统采样周期；L为电网侧输入电感值；

6对计算得到的整流器参考电压进行坐标反变换，并对坐标反变换后的整流器参考电压进行限幅，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{u_{\mathrm{\α}}{u}_{\max }}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ u_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{u_{\mathrm{\β}}{u}_{\max }}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.$

式中，u_α和u_β为两相静止坐标系整流器参考电压α轴和β轴分量；u′_α和u′_β为两相静止坐标系限幅后的整流器参考电压α轴和β轴分量；

7采用空间矢量调制算法对限幅后的整流器参考电压进行调制后产生PWM整流器开关信号，并将开关信号通过驱动电路驱动功率开关器件。

本发明提出控制方法的有效性可以通过对比图4和图5所示的仿真结果得出，二者仿真环境完全相同，区别仅在于图4采用的是传统控制策略，而图5采用的是本发明提出的控制方法。从图4看出，当负载突变时，直流母线电压脉动较大，响应速度慢；而从图5看出，采用本文提出的控制方法，当负载突变时，直流母线电压脉动较小，响应速度较快。

Claims (1)

1.一种基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集三相电网电流和直流母线电压，计算电网侧虚拟磁链；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫u_{\mathrm{\α}}\mathrm{dt}+{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\∫u_{\mathrm{\β}}\mathrm{dt}+{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

式中

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{U}_{\mathrm{DC}}(S_a-\frac{1}{2}(S_b+S_c))\\ u_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{\sqrt{3}}{U}_{\mathrm{DC}}(S_b-S_c)\end{array}\right.$

其中，u_α、u_β为整流器参考电压α轴和β轴分量，i_α和i_β为采集的电网电流α轴和β轴分量，U_DC为采集的直流母线电压，S_a、S_b、S_c为PWM整流器开关信号；

(2)建立两相旋转坐标系，以角速度ω逆时针旋转；将虚拟磁链定向在两相旋转坐标系的d轴上；ψ_d为虚拟磁链d轴分量，ψ_q为零；i_d和i_q为电网电流d轴和q轴分量；θ为两相旋转坐标系d轴与A轴夹角；

将步骤(1)采集的电网电流和计算的虚拟磁链进行旋转坐标系变换，即可得到虚拟磁链和电网电流的d轴和q轴分量；计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d\\ {\mathrm{\ψ}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

(3)瞬时功率计算

按下列公式分别计算瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q，

$\left\{\begin{array}{c}p=\frac{3}{2}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d{i}_q\\ q=\frac{3}{2}\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d{i}_d\end{array}\right.$

其中，ω为虚拟磁链角速度；

(4)瞬时功率误差计算

将期望得到的直流母线电压平方值与步骤(1)采集到的直流母线电压平方值进行做差，将该差值经PI调节器得到直流母线电容功率P_c，再将直流母线电容功率P_c加上负载功率P_load，得到瞬时有功功率P的给定值P^*＝P_c+P_load；在系统单位功率因数运行时，Q的参考值为零；则按下列公式计算瞬时功率误差为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}=P^{*}-P\\ \mathrm{\ΔQ}=Q^{*}-Q\end{array}\right.$

其中，ΔP和ΔQ分别为P和Q的参考值与实际值的误差；

(5)整流器参考电压计算

根据步骤(2)得到的虚拟磁链、电网电流和步骤(4)得到的瞬时功率误差，按下式计算整流器参考电压：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=-\frac{2\mathrm{L\ΔP}}{3\mathrm{\ω}{T}_s{\mathrm{\ψ}}_d}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_d-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d\\ u_q=-\frac{2\mathrm{L\ΔQ}}{3\mathrm{\ω}{T}_s{\mathrm{\ψ}}_d}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q\end{array}\right.$

式中，u_d和u_q为两相旋转坐标系整流器参考电压d轴和q轴分量；T_s为系统采样周期；L为电网侧输入电感值；

(6)对步骤(5)计算的整流器参考电压进行坐标反变换，并对坐标反变换后的整流器参考电压进行限幅，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{u_{\mathrm{\α}}{u}_{\max }}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\\ u_{\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{u_{\mathrm{\β}}{u}_{\max }}{\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.$

式中，u_α和u_β为两相静止坐标系整流器参考电压α轴和β轴分量；u′_α和u′_β为两相静止坐标系限幅后的整流器参考电压α轴和β轴分量；

(7)采用空间矢量调制算法对限幅后的整流器参考电压进行调制后产生PWM整流器开关信号，并将开关信号通过驱动电路驱动功率开关器件。