CN105553307B - 三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法 - Google Patents

三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，将三相逆变电源输出的瞬时有功功率经过功率对输入电导环节的等效转化后再分别乘以三相市电电压瞬时值作为PFC电流环控制器的输入参考；具体来说，是将瞬时有功功率分为三等分后分别作为三相中的所述PFC电流环控制器的输入前馈参考。本发明提出的一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，通过对PFC电流环控制器参考加入逆变输出功率前馈控制的算法，来保证三相逆变电源带载时直流母线电压的瞬态性能。该算法通过对PFC控制器加入逆变输出瞬时有功功率的前馈补偿，来保证瞬态时直流母线电压的性能，减少三相逆变电源逆变输出电压瞬时带载和瞬时卸载时的畸变率。

Description

三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及三相逆变电源控制优化领域。
背景技术
对于三相逆变电源来说，为了提高功率因数和降低电网电流谐波，前级一般会加入PFC整流环节。如果瞬投负载，直流母线电压会瞬时跌落，如果直流母线电压跌落值靠近市电峰值时，三相逆变电源输出电压就会发生削顶现象，会导致逆变电压畸变严重。直流母线电压的跌落幅值除了和三相逆变电源中直流母线电容的容值以及逆变带载负载情况相关外，还和三相逆变电源中PFC电压环控制器的带宽有着密切的联系。PFC电压环控制器带宽越宽，直流母线电压的带载时的瞬态特性就越好，但输入电流的THD(谐波失真)就越差。所以技术人员在设计PFC电压环控制器带宽的时候都需要折中考虑，这会导致PFC控制的稳态性能恶化，更难达到动态性能的最优。
另外，为了防止带载时直流母线电压由于跌落会导致逆变输出电压畸变严重，往往会把直流母线电压的设定值设置为高于市电峰值较大的幅度，但是这种方式往往会导致前级PFC效率低下以及后级逆变开关管应力增大，进而降低了逆变电源的效率和可靠性。因此，提供一种能够保证三相逆变电源在带载过程中直流母线电压不跌落的算法，改进变换电源输出质量，提高效率及可靠性等成为目前亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本申请记载了一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，应用于三相逆变电源前级PFC电流环控制器，所述算法包括步骤：
判断直流母线是处于稳态还是瞬态；
于所述直流母线电压处于瞬态时，将所述三相逆变电源瞬时输出的未滤波的瞬时有功功率经过处理后作为所述PFC电流环控制器的前馈分量；
于所述直流母线电压处于稳态时，将滤波后的所述三相逆变电源瞬时输出的瞬时有功功率进行处理后作为所述PFC电流环控制器的前馈分量。
较佳的，于所述直流母线电压处于稳态时，将滤波后的所述瞬时有功功率进行处理的过程包括步骤：
将所述瞬时有功功率经三相输入电导环节进行等效转化，再分别乘以三相市电电压瞬时值作为三相输入电流的前馈分量。
较佳的，判断所述直流母线电压是处于稳态还是瞬态的过程包括步骤：
获取最多200微秒时间段内的所述三相逆变电源的输入电能和输出电能；
对所述输入电能和所述输出电能进行比较；
根据所述比较结果判定所述直流母线电压处于瞬态还是稳态。
较佳的，于所述输出电能和所述输入电能的差值大于阈值时，判定所述直流母线电压处于瞬态；否则，判定所述直流母线电压处于稳态。
较佳的，所述阈值为所述直流母线的电压参考设定值和市电电压峰值的差值的五分之一。
较佳的，利用智能逻辑比较器对所述输入电能和所述输出电能进行比较。
较佳的，低通滤波器对所述瞬时有功功率进行滤波。
较佳的，直流母线电压瞬态特性提高，降低PFC电压环控制器的带宽，用以降低输入电流的畸变率。
较佳的，加入所述前馈补偿控制算法后，以降低所述直流母线的设定值。
较佳的，所述设定值不低于市电峰值电压和所述直流母线的电压纹波电压之和。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提出的一种三相逆变电源逆变输出功率前馈补偿控制算法，应用于三相逆变电源后级带三相平衡负载时前级输入的PFC控制器中，通过对PFC电流环控制器参考加入逆变输出功率前馈控制的算法，来保证三相逆变电源带载时直流母线电压的瞬态性能。该算法通过对PFC控制器加入逆变输出功率的前馈补偿，来保证瞬态时直流母线电压的性能，减少三相逆变电源逆变电压瞬时带载的畸变率。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法的流程示意图；
图2为本发明一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法进行详细说明。
如图1所示，一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，主要包括步骤：
判断直流母线是处于稳态还是瞬态；
于所述直流母线电压处于瞬态时，将三相逆变电源瞬时输出的未滤波的瞬时有功功率作为三相逆变电源前级PFC电流环控制器输入的前馈分量；
于所述直流母线电压处于稳态时，将滤波后的三相逆变电源瞬时输出的瞬时有功功率处理后作为三相逆变电源前级PFC电流环控制器输入的前馈分量；该滤波过程可以采用低通滤波器。
进一步来讲，在判断直流母线的电压是处于稳态还是瞬态的过程中，主要包括步骤：
获取预设时间段内的三相逆变电源的输入电能和输出电能；
对所述输入电能和所述输出电能进行比较，该比较过程可以采用智能逻辑比较器；
根据比较结果判定所述直流母线电压是处于瞬态还是稳态。
进一步来讲，在直流母线电压处于稳态时，对滤波后的三相逆变电源瞬时输出的瞬时有功功率需要进行处理，该处理过程主要是将该瞬时有功功率经三相输入电导环节的等效转化，然后再分别乘以三相市电电压瞬时值。经这样的处理后，才能作为PFC电流环控制器的前馈分量。
具体来说，本实施例提出的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法中，通过智能逻辑比较器判断预设时间段(一般可在较短的时间段，优选的在最多200微秒时间内，具体可依据时间的需求而设定)内输入电能和输出电能之间的差值，根据该差值可以进行稳态和瞬态的判别。瞬态时，将三相逆变电源逆变瞬时输出的未滤波的瞬时有功功率经过处理后作为PFC电流环的前馈分量，这样在瞬投负载或这瞬卸负载时，可以基本保证三相逆变电源中直流母线电压不发生跌落和上冲的现象；稳态时，将滤波后的三相逆变电源的逆变瞬时输出的瞬时有功功率经三相输入电导环节的等效转化，再乘以三相市电电压瞬时值，然后作为PFC电流环的前馈分量，这种方式能够有效的减少三相逆变电源带载时输入电流或输出电压的畸变。
进一步来讲，于输出电能和输入电能的差值大于阈值时，判定直流母线电压处于瞬态；否则，判定直流母线电压处于稳态。其中，阈值的大小优选的为直流母线的参考设定值和市电电压峰值的差的五分之一。
进一步来讲，在加入本实施例提出的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法后，由于对PFC电压环控制器的瞬态性能要求不高，所以PFC电压环控制器的带宽可以适当降低，以减少PFC电压环控制器输出的谐波分量。即在加入前馈补偿控制算法后，由于直流母线电压瞬态特性得以提高，以降低输入电流的畸变率为目标，降低PFC电压环控制器的带宽。
优选的，可以在加入前馈补偿控制算法后，将PFC电压控制器的带宽降低至少一倍。
进一步来讲，在加入本实施例提出的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法后，由于直流母线电压基本不发生跌落现象，所以可以将直流母线电压的设定值降低，以减少PFC控制器和逆变开关管的耐压。
优选的，设定值的最小范围不能低于市电峰值电压和半个直流母线电压纹波电压之和。
具体来说，本实施例提出的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，主要应用于三相逆变电源前级输入的PFC电流环控制器，通过对PFC电流环控制器参考加入逆变输出功率前馈控制的算法，来保证三相逆变电源带载时直流母线电压的瞬态性能，即保证瞬态时直流母线电压不发生跌落，并减少三相逆变电源逆变电压瞬时带载的畸变率。
下面对本实施例提出的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法进行近一步说明。
如图2所示，其为三相逆变电源加入逆变瞬时有功功率前馈后的PFC控制框图。在该图中，Vref表示直流母线电压参考；Vbus表示直流母线电压实际值；VA、VB、VC为三相市电电压瞬时值；iA、iB、iC分别为A、B、C三相输入电流瞬时值；iAcon_feedforward、iBcon_feedforward、iCcon_feedforward分别为A、B、C三相前馈输入电导瞬时值；Gv(s)、Gi(s)分别为PFC电压环控制器和PFC电流环控制器；iref_A、iref_B、iref_C分别为A、B、C三相输入电流参考值；Va_rms、Vb_rms、Vc_rms别为A、B、C三相市电电压有效值；η为三相逆变电源的效率；Pinv为三相逆变电源输出的瞬时有功功率；Vm为PFC电压环控制器Gv(s)的输出值；LPF为低通滤波器；Ppfc为三相逆变电源的输入的瞬时功率。
对于三相逆变电源来说，逆变侧输出的瞬时有功功率Pinv(即三相逆变电源的瞬时有功功率)为：
Pinv＝Vinv_aiinv_a+Vinv_biinv_b+Vinv_ciinv_c (1)
其中，Vinv_a、Vinv_b、Vinv_c为三相逆变电源输出的三相逆变电压，iinv_a、iinv_b、iinv_c为三相逆变电源输出的三相逆变电流。
Ppfc＝VAiA+VBiB+VCiC (2)
由于在稳态时，三相逆变电源从t0到t1时间内由于输入电能和输出电能近似相等，所以在稳态时：
∫Pinv＝∫ηPpfc (3)
通过对预设时间段内的逆变输出电能∫Pinv和考虑损耗的PFC输入电能∫ηPpfc通过智能逻辑比较器进行比较，如果大小超过某个阈值Δ则判定进入瞬态阶段。具体来说，智能逻辑比较器判定进入瞬态的公式为：
∫Pinv-∫ηPpfc＞Δ (4)
由于对于三相逆变电源的输入来说，优选的，每相PFC输入功率应达到因此三相逆变电源的A、B、C三相输入电流的有效值分别为：
其中，iA_rms、iB_rms、iC_rms分别为A、B、C三相输入电流的有效值，VA_rms、VA_rms、VC_rms分别为A、B、C三相市电电压有效值。
根据上述公式，可知A、B、C三相前馈输入电导瞬时值分别为：
在本实施例中，
将三相逆变电源瞬时输出的未滤波的瞬时有功功率经过三相输入颠倒环节的等效转化，再乘以三相市电电压瞬时值作为PFC电流环的前馈分量。
三相前馈输入电导瞬时值iAcon_feedforward、iBcon_feedforward、iC_feedforward乘以三相市电电压瞬时值后加入A、B、C三相输入电流参考中。
另外，由于三相逆变输出瞬时有功功率Pinv可能会含有高频分量，加入低通滤波器(LPF)对其进行滤波。这样PFC三相输入电流参考iref_A、iref_B、iref_C可以分别表示为：
在现有技术中，为了防止带载时直流母线电压由于跌落会导致逆变输出电压畸变严重，往往会把直流母线电压的设定值要高于市电峰值较大的幅度，这样也会导致前级PFC效率降低和后级逆变开关管应力增大，降低逆变电源效率和可靠性。但是在本实施例中，加入前馈补偿算法后，由于直流母线电压基本不发生跌落现象，可以把直流母线电压的设定值降低，使其略高于市电电压的峰值就可以了。
本实施例提出的一种三相逆变电源逆变输出功率前馈补偿控制算法，应用于后级带三相平衡负载时三相逆变电源前级输入的PFC电流环控制器中，通过对PFC电流环控制器参考加入逆变输出功率前馈控制的算法，来保证三相逆变电源带载时直流母线电压的瞬态性能。该算法通过对PFC电流环控制器加入逆变输出功率的前馈补偿，来保证瞬态时直流母线电压的性能，减少三相逆变电源逆变电压瞬时带载的畸变率。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (10)

1.一种三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，应用于三相逆变电源前级PFC电流环控制器，其特征在于，所述算法包括步骤：
判断直流母线电压处于稳态还是瞬态；
于所述直流母线电压处于瞬态时，将所述三相逆变电源瞬时输出的未滤波的瞬时有功功率经过处理后作为所述PFC电流环控制器的前馈分量；
于所述直流母线电压处于稳态时，将滤波后的所述三相逆变电源瞬时输出的瞬时有功功率进行处理后作为所述PFC电流环控制器的前馈分量。
2.根据权利要求1所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，于所述直流母线电压处于稳态时，将滤波后的所述瞬时有功功率进行处理的过程包括步骤：
将所述瞬时有功功率经三相输入电导环节进行等效转化，再分别乘以三相市电电压瞬时值作为三相输入电流的前馈分量。
3.根据权利要求1所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，判断所述直流母线电压是处于稳态还是瞬态的过程包括步骤：
获取最多200微秒时间段内的所述三相逆变电源的输入电能和输出电能；
对所述输入电能和所述输出电能进行比较；
根据所述比较结果判定所述直流母线电压处于瞬态还是稳态。
4.根据权利要求3所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，于所述输出电能和所述输入电能的差值大于阈值时，判定所述直流母线电压处于瞬态；否则，判定所述直流母线电压处于稳态。
5.根据权利要求4所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，所述阈值为所述直流母线的电压参考设定值和市电电压峰值的差值的五分之一。
6.根据权利要求3所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，利用智能逻辑比较器对所述输入电能和所述输出电能进行比较。
7.根据权利要求1所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，低通滤波器对所述瞬时有功功率进行滤波。
8.根据权利要求1所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，加入所述前馈补偿控制算法后，直流母线电压瞬态特性提高，降低PFC电压环控制器的带宽，用以降低输入电流的畸变率。
9.根据权利要求1所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，加入所述前馈补偿控制算法后，以降低所述直流母线的设定值。
10.根据权利要求9所述的三相逆变电源逆变输出瞬时有功功率前馈补偿控制算法，其特征在于，所述设定值不低于市电峰值电压和所述直流母线的电压纹波电压之和。
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