CN104953917A - 空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法及系统，所述方法包括：S1，通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值；S2，采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。本发明在电网电压跌落时，通过限制压缩机的交轴电流，间接地限制压缩机运行频率，从而达到迅速降低压缩机功率、减小输入电流的效果，所述方法响应速度快，使输入电流在输入电路的过流能力内，保证电路不被损坏，进而保证系统正常运行。

Description

空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统及方法。

背景技术

在家用空调等类似系统中，一般先将自电网的单相交流电源，经过不可控全桥整流，然后经过功率因数校正(power factor correction,PFC)电路，输出直流电源，接至大容量电解电容，给负载供电。负载包括压缩机和系统内部开关电源等，其中压缩机为主要负载，在额定输出时压缩机输出功率占总输入功率的95％以上。

空调系统中一般采用Boost型功率因数校正电路，不仅可以达到较高的功率因数，而且可以升压输出稳定的直流电压，从而给负载提供稳定的直流电源。当输入电网电压发生变化时，PFC的电压外环可以保持直流母线电压(电解电容电压)基本稳定在设定幅值，从而保持输出相同的负载功率。

但是，当输入电网电压跌落时，由于负载功率基本不变，输入电流(PFC之前)必然增大。而输入电路的过流能力有限，当输入电流过大时，会损坏输入电路，进而发生空调系统故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统及方法。通过限制压缩机的交轴电流，间接地限制压缩机运行频率，从而达到降低压缩机功率、减小输入电流的效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法，包括如下步骤：

S1，通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值；

S2，采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。

本发明的有益效果是：本发明在电网电压跌落时，通过限制压缩机的交轴电流，间接地限制压缩机运行频率，从而达到迅速降低压缩机功率、减小输入电流的效果，所述方法响应速度快，使输入电流在输入电路的过流能力内，保证电路不被损坏，进而保证系统正常运行。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，S1中通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值的具体步骤包括：

S1.1，实时检测输入电压瞬时值Vin，并计算输入电压有效值Vin_rms；

S1.2，计算压缩机交轴电流上限，计算公式如下，

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iq_highthr为压缩机交轴电流上限，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值，η为系统效率，Vq为压缩机交轴电压；

S1.3，对交轴电流给定量Iqref进行限幅，如果Iqref大于上限Iq_highthr，则令Iqref＝Iq_highthr；如果Iqref小于下限-Iq_highthr，则令Iqref＝-Iq_highthr，如果Iqref大于等于下限-Iq_highthr且小于等于上限Iq_highthr，则Iqref保持不变。

采用上述进一步方案的有益效果：Iqref限制的目的就是通过快速限制压缩机交轴电流，从而限制输出功率、限制输入电流。

进一步，S1.1中计算输入电压有效值Vin_rms的具体实现如下：

对输入电压瞬时值Vin进行平方运算；对平方后的电压进行低通滤波，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；对低通滤波后的电压平均值进行求平方根运算，从而得到输入电压有效值Vin_rms。

进一步，S1.1中计算输入电压有效值Vin_rms的具体实现如下：

对输入电压瞬时值Vin进行低通滤波得到电压平均值，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；将电压平均值乘以sqrt(2)*Π/4得到输入电压有效值Vin_rms。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统，包括交轴电流给定量限幅模块和矢量控制模块；所述交轴电流给定量限幅模块，其用于通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值；所述矢量控制模块，其用于采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述交轴电流给定量限幅模块包括输入电压检测单元、交轴电流上限计算单元和交轴电流给定量限幅单元；

所述输入电压检测单元，其用于实时检测输入电压瞬时值Vin，并计算输入电压有效值Vin_rms；

所述交轴电流上限计算单元，其用于计算压缩机交轴电流上限，计算公式如下，

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iq_highthr为压缩机交轴电流上限，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值，η为系统效率，Vq为压缩机交轴电压；

所述交轴电流给定量限幅单元，其用于对交轴电流给定量Iqref进行限幅，如果Iqref大于上限Iq_highthr，则令Iqref＝Iq_highthr；如果Iqref小于下限-Iq_highthr，则令Iqref＝-Iq_highthr，如果Iqref大于等于下限-Iq_highthr且小于等于上限Iq_highthr，则Iqref保持不变；

进一步，所述输入电压检测单元根据如下方法计算输入电压有效值：对输入电压瞬时值Vin进行平方运算；对平方后的电压进行低通滤波，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；对低通滤波后的电压平方平均值进行求平方根运算，从而得到输入电压有效值Vin_rms。

进一步，所述输入电压检测单元根据如下方法计算输入电压有效值：对输入电压瞬时值Vin进行低通滤波得到电压平均值，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；将电压平均值乘以sqrt(2)*Π/4得到输入电压有效值Vin_rms。

附图说明

图1为本发明实施例的电路拓扑图；

图2为本发明实施例所述空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法流程图；

图3为本发明实施例所述压缩机矢量控制方法示意图；

图4为本发明实施例所述输入电流开环限幅方法示意图；

图5为本发明空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例的电路拓扑，为一种带功率因数校正的单相交流输入系统电路，通过电阻采样方法检测输入电流瞬时值。其中，输入电流主要流经的电路组件包括整流桥、电容、采样电阻、PFC电路、电解电容、智能功率模块IPM和压缩机，所述PFC电路包括电抗器、功率开关管和二极管。电流流向如图1所示。当输入电网电压跌落时，输入电流会急剧上升；如果负载功率保持不变，那么输入电流上升比例与输入电压跌落比例成反比。

对于采用永磁同步压缩机的变频空调系统，一般采用无传感器矢量控制方法，其瞬时输出功率Pcomp可以表示为：

Pcomp＝Vd×Id+Vq×Iq；

其中，Vd和Vq分为直轴电压和交轴电压，Id和Iq分别为直轴电流和交轴电流。当压缩机运行在额定频率或者运行频率较高时，直轴电压电流产生的功率可以忽略，即Pcomp＝Vq×Iq。

设输入电压有效值为Vin_rms，输入电流有效值为Iin_rms，功率因数为cosφ，那么输入有功功率为Pin＝Vin_rms×Iin_rms×cosφ；

当压缩机运行在额定频率或者运行频率较高时，功率因数校正已经开启，功率因数接近为1。

设空调系统的效率为η％，即压缩机有功功率占输入有功功率的比例，即Pcomp＝Pin×η％。

根据上述分析，当压缩机运行在额定频率或者运行频率较高时，输入电流有效值为Iin_rms＝(Vq×Iq)/(Vin_rms×η％)；

据此，在不同输入电压情况下，可以通过限制交轴电流Iq，来限制输入电流有效值Iin_rms。

在永磁同步压缩机矢量控制中，交轴电流Iq的限制，可以通过限制交轴电流给定Iqref实现，在原来的控制框架中，加入交轴电流给定限幅环节，限幅环节上限Iq_highthr为：

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值。

因此，当电网电压跌落时，空调系统需要通过限制压缩机(主要负载)的功率来降低输入电流，防止输入电流过流。限制压缩机功率，可以通过降低压缩机给定频率，但是响应较慢。本发明采用通过降低压缩机输出电流(交轴电流)的方式，最终降低压缩机运行频率，可以直接快速降低压缩机功率。

如图2所示，一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法，包括如下步骤。

S1，通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值。

具体地，S1.1，实时检测输入电压瞬时值Vin，并计算输入电压有效值Vin_rms；

S1.2，计算压缩机交轴电流上限，计算公式如下，

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iq_highthr为压缩机交轴电流上限，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值，η为系统效率(压缩机有功功率占输入有功功率的比例)，Vq为压缩机交轴电压；所述系统效率η％取值在90％至100％范围内；

S1.3，对交轴电流给定量Iqref进行限幅，如果Iqref大于上限Iq_highthr，则令Iqref＝Iq_highthr；如果Iqref小于下限-Iq_highthr，则令Iqref＝-Iq_highthr，如果Iqref大于等于下限-Iq_highthr且小于等于上限Iq_highthr，则Iqref保持不变。

S1.1中计算输入电压有效值Vin_rms有以下两种方式：

其中一种方式的具体实现如下：对输入电压瞬时值Vin进行平方运算；对平方后的电压进行低通滤波，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；对低通滤波后的电压平方平均值进行求平方根运算，从而得到输入电压有效值Vin_rms。即Vin_rms＝sqrt(LPF(Vin*Vin))；其中，sqrt为开平方根运算，LPF为低通滤波器，截止频率远低于输入电压频率。

另一种方式的具体实现如下：对输入电压瞬时值Vin进行低通滤波得到电压平均值，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；将电压平均值乘以sqrt(2)*Π/4得到输入电压有效值Vin_rms。其中，sqrt(2)*Π/4约等于1.11。即Vin_rms＝sqrt(2)*Π/4*LPF(Vin)≈1.11*LPF(Vin)；其中，sqrt为开平方根运算，LPF为低通滤波器，截止频率远低于输入电压频率。

S2，采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。

图3为本发明实施例所述压缩机矢量控制方法示意图，通过限制Iqref即可起到限制输入电流的作用。本实施例中，设输入电流有效值保护阈值为Iin_thr，压缩机交轴电流给定上限为Iq_highthr，压缩机交轴电压为Vq，输入电压瞬时值和有效值分别为Vin和Vin_rms，取空调系统的效率η％为95％，那么输入电流开环限幅方法如图4所示：

通过电阻分压实时检测输入电压瞬时值Vin，并采用方法二计算输入电有效值Vin_rms，即Vin_rms＝1.11*LPF(Vin)，低通滤波器截止频率取为8Hz；

压缩机交轴电流上限为：

Iq_highthr＝(Vin_rms/Vq_filt)×95％×Iin_thr；

其中，Vq_filt为Vq经过低通滤波得到，低通滤波截止频率为8Hz。

如果压缩机交轴电流给定Iqref大于上限Iq_highthr，则Iqref＝Iq_highthr；如果压缩机交轴电流给定Iqref小于下限-Iq_highthr，则Iqref＝-Iq_highthr。

图3中虚线圈出的部分为矢量控制部分，本发明实施例中的矢量控制部分的控制方法对于本领域技术人员而言都是已知的，此处不做详细描述。

如图5所示，一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统，包括交轴电流给定量限幅模块和矢量控制模块；所述交轴电流给定量限幅模块，其用于通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值；所述矢量控制模块，其用于采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。

所述交轴电流给定量限幅模块包括输入电压检测单元、交轴电流上限计算单元和交轴电流给定量限幅单元；

所述输入电压检测单元，其用于实时检测输入电压瞬时值Vin，并计算输入电压有效值Vin_rms；

所述交轴电流上限计算单元，其用于计算压缩机交轴电流上限，计算公式如下，

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iq_highthr为压缩机交轴电流上限，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值，η为系统效率，Vq为压缩机交轴电压；

所述交轴电流给定量限幅单元，其用于对交轴电流给定量Iqref进行限幅，如果Iqref大于上限Iq_highthr，则令Iqref＝Iq_highthr；如果Iqref小于下限-Iq_highthr，则令Iqref＝-Iq_highthr，如果Iqref大于等于下限-Iq_highthr且小于等于上限Iq_highthr，则Iqref保持不变；

所述输入电压检测单元根据如下方法计算输入电压有效值：对输入电压瞬时值Vin进行平方运算；对平方后的电压进行低通滤波，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；对低通滤波后的电压平方平均值进行求平方根运算，从而得到输入电压有效值Vin_rms。

所述输入电压检测单元根据如下方法计算输入电压有效值：对输入电压瞬时值Vin进行低通滤波得到电压平均值，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；将电压平均值乘以sqrt(2)*Π/4得到输入电压有效值Vin_rms。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值；

S2，采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。

2.根据权利要求1所述一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法，其特征在于，S1中通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值的具体步骤包括：

S1.1，实时检测输入电压瞬时值Vin，并计算输入电压有效值Vin_rms；

S1.2，计算压缩机交轴电流上限，计算公式如下，

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iq_highthr为压缩机交轴电流上限，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值，η为系统效率，Vq为压缩机交轴电压；

S1.3，对交轴电流给定量Iqref进行限幅，如果Iqref大于上限Iq_highthr，则令Iqref＝Iq_highthr；如果Iqref小于下限-Iq_highthr，则令Iqref＝-Iq_highthr，如果Iqref大于等于下限-Iq_highthr且小于等于上限Iq_highthr，则Iqref保持不变。

3.根据权利要求2所述一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法，其特征在于，S1.1中计算输入电压有效值Vin_rms的具体实现如下：

对输入电压瞬时值Vin进行平方运算；对平方后的电压进行低通滤波，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；对低通滤波后的电压平方平均值进行求平方根运算，从而得到输入电压有效值Vin_rms。

4.根据权利要求2所述一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅方法，其特征在于，S1.1中计算输入电压有效值Vin_rms的具体实现如下：

对输入电压瞬时值Vin进行低通滤波得到电压平均值，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；将电压平均值乘以得到输入电压有效值Vin_rms。

5.一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统，其特征在于，包括交轴电流给定量限幅模块和矢量控制模块；

所述交轴电流给定量限幅模块，其用于通过输入电压有效值及输入电流有效值保护阈值限定交轴电流给定量Iqref的幅值；

所述矢量控制模块，其用于采用限定幅值的交轴电流给定量Iqref进行压缩机的矢量控制，进而实现对输入电流有效值Iin_rms的限制。

6.根据权利要求5所述一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统，其特征在于，所述交轴电流给定量限幅模块包括输入电压检测单元、交轴电流上限计算单元和交轴电流给定量限幅单元；

所述输入电压检测单元，其用于实时检测输入电压瞬时值Vin，并计算输入电压有效值Vin_rms；

所述交轴电流上限计算单元，其用于计算压缩机交轴电流上限，计算公式如下，

Iq_highthr＝(Vin_rms×Iin_thr×η％)/Vq；

其中，Iq_highthr为压缩机交轴电流上限，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_thr为输入电流有效值保护阈值，η为系统效率，Vq为压缩机交轴电压；

所述交轴电流给定量限幅单元，其用于对交轴电流给定量Iqref进行限幅，如果Iqref大于上限Iq_highthr，则令Iqref＝Iq_highthr；如果Iqref小于下限-Iq_highthr，则令Iqref＝-Iq_highthr，如果Iqref大于等于下限-Iq_highthr且小于等于上限Iq_highthr，则Iqref保持不变。

7.根据权利要求6所述一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统，其特征在于，所述输入电压检测单元根据如下方法计算输入电压有效值：对输入电压瞬时值Vin进行平方运算；对平方后的电压进行低通滤波，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；对低通滤波后的电压平均值进行求平方根运算，从而得到输入电压有效值Vin_rms。

8.根据权利要求6所述一种空调系统电网电压跌落时输入电流开环限幅系统，其特征在于，所述输入电压检测单元根据如下方法计算输入电压有效值：对输入电压瞬时值Vin进行低通滤波得到电压平均值，其中低通滤波的截止频率远低于输入电压频率；将电压平均值乘以得到输入电压有效值Vin_rms。