CN105915098A - 基于软件锁相环的pwm整流器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件锁相环的PWM整流器装置，其包括：坐标变换以获得计算电网电压预估频率以及电网电压预估相位角；电压检测模块；与前述电压检测模块相连接的电压环PID控制器；电流检测模块；与前述电流检测模块相连接的电流坐标变换模块；分别与前述电压环PID控制器、前述电流坐标变换模块相连接的电流环PID控制器，该电流环PID控制器用于对两相旋转坐标系下的电流信号进行PID调节，得到对应的两相旋转dq坐标系下的两相电压；与前述电流环PID控制器相连接的电压坐标变换模块；以及与前述电压坐标变换模块相连接的SVPWM模块，输出对应的PWM控制信号。本发明能够解决现有技术中整流器控制结构复杂、性能不佳、易受干扰等技术问题。

Description

基于软件锁相环的PWM整流器装置

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体的说是涉及一种基于软件锁相环的PWM整流器装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，PWM整流器技术已日趋成熟。由于常规整流环节广泛采用了二极管不可控整流电路或晶闸管翔空整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功功率，降低了功率因数，造成了严重的电网污染。为解决谐波和功率因数下降问题，整流技术受到了学术界的关注，并开展大量的研究工作。在整流装置中采用PWM整流技术不仅可以解决电能双向流动，实现单位功率因数的正弦波电流控制，提高直流电压的稳定度，改善传动系统性能，而且可以减小储能电容容量，提高可靠性和快速的电流响应等。在PWM整流器的控制模型中，电网相电压的相位信息是系统控制的重要变量，相位信息决定了PWM整流器是否能够以单位功率因数整流和逆变并网。而目前在工业应用中的相位检测装置多采用模拟的方式，功能单一、不能根据复杂的需求进行更改，模拟电路在电磁环境较差，输入信号含有大量谐波时易受到干扰影响控制器正常工作，因此，设计一种精确可靠的电网相电压检测方法是非常重要的。

现有网相电压检测方法多采用过零鉴相法，其是一种较为简单的开环锁相方法，其基本原理是通过实时检测电网电压的过零点和频率信息来跟踪电网电压的相位，进而实现锁相。当电网电压经过电压互感器处理后，经过过零检测电路实时检测电压过零点，并分别在电压正、负半周及正、负过零点发出正方波和正脉冲信号，提供给CPU作为电网电压的同步基准信号，使系统实时跟踪电网电压频率的变化。这种方法的原理和结构都比较简单，但由于电网电压每个周期只有两个过零点，这就限制了锁相环的锁相速度，而且电网电压本身的畸变以及检测电路中的各种干扰信号可能会使得过零点难以准确地被检测，甚至在过零点处导致过零信号的震荡。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于软件锁相环的PWM整流器装置，该装置能够解决现有技术中整流器控制结构复杂、性能不佳、易受干扰等技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于软件锁相环的PWM整流器装置，其特征在于，包括：

软件锁相环模块，对电网三相电压采样，对三相电压采样数据进行坐标变换以获得计算电网电压预估频率以及电网电压预估相位角；前述电网电压预估相位角同时被作为电流坐标变换模块提供所需的相位角度，被用于电网电压相位角旋转坐标变换计算，以构成闭环反馈；

电压检测模块，该电压检测模块用于检测电网直流母线电压信号；

与前述电压检测模块相连接的电压环PID控制器，该电压环PID控制器用于对前述直流母线电压信号进行PID闭环调节，以得到电流环PID控制器进行PID调节所需的电流控制目标值；

电流检测模块，该电流检测模块用于检测电网来自电流传感器的网侧三相电流信号；

与前述电流检测模块相连接的电流坐标变换模块，该电流坐标变换模块用于基于所述电网电压预估相位角，将前述网侧三相电流信号从三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系；

分别与前述电压环PID控制器、前述电流坐标变换模块相连接的电流环PID控制器，该电流环PID控制器用于对两相旋转dq坐标系下的电流信号进行PID调节，得到对应的两相旋转dq坐标系下的两相电压；

与前述电流环PID控制器相连接的电压坐标变换模块，该电压坐标变换模块用于将前述两相旋转dq坐标系下的两相电压经坐标旋转变换后得到两相静止αβ坐标系下的两相电压值；

以及与前述电压坐标变换模块相连接的SVPWM模块，用于基于前述两相静止αβ坐标系下的两相电压值，输出对应的PWM控制信号。

进一步的，作为本发明的优选技术方案

前述软件锁相环模块包括：

三相电压采样子模块，该三相电压采样子模块用于对电网三相电压进行采样；

与前述三相电压采样子模块相连接的坐标变换子模块，该坐标变换子模块用于对三相电压采样子模块的采样数据进行Clarke变换，以得到对应的两相坐标系下电压分量U_α、U_β，随后进行Park变换，以得到对应的两相旋转dq坐标系下的电压分量U_d、U_q；

与前述坐标变换子模块相连接的软件锁相环PI控制器，该软件锁相环PI控制子模块用于调节电压分量U_d、U_q并计算对应的电网电压频率；

与前述软件锁相环PI控制器相连接的积分计算子模块，该积分计算子模块用于对电网电压频率进行积分计算以得到对应的电网电压相位角。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在主流电压型PWM整流技术的基础上，引入基于软件锁相环技术的相位检测方法，相对于传统过零鉴相方法，软件锁相环方法有效地抑制了过零抖动和偏置问题，为PWM整流器装置提供更加精确、稳定的电网电压相位信号，提高了PWM整流器装置功率因数等方面的整体性能；同时，能够有效抑制电网谐波和电磁干扰对相位检测的影响，可有效提高PWM整流器的可靠性；因此可以说本发明可以广泛应用在对PLL响应速度有较高要求的场合，如有源滤波、UPS不间断电源、变频调速驱动以及可再生能源发电领域等众多领域。

附图说明

图1为同步坐标系下软件锁相环矢量图；

图2为软件锁相环控制结构原理图；

图3为软件锁相环算法部分程序流程图；

图4为本发明实例-三相电压型PWM整流器的拓扑结构图；

图5为本发明实例-三相电压型PWM整流器PWM整流控制方法原理框图；

图6为本发明-基于软件锁相环的PWM整流器装置结构原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明结合三相PWM整流器空间矢量解耦控制算法，实现了将同步坐标系软件锁相环技术应用在三相PWM整流器控制系统中，即本发明所述的PWM整流装置以三相PWM整流器矢量控制技术为基础，通过采用电压控制外环和电流控制内环组成的双闭环控制，其中电压控制外环的作用是根据直流电压V_dc的大小决定三相PWM整流器输出功率的大小和方向，电流控制内环的作用是使三相PWM整流器的实际输入电流能够跟踪电流给定，实现单位功率因数或功率因数可变；但是电压/电流双闭环控制的前提是获得准确的电网电压的相位信息，而软件锁相环则可以精确计算电网电压的相位信息，因此软件锁相环应用在PWM整流装置中可满足其控制需求。

基于上述设计原理，如图6，下述以同步坐标系软件锁相环为例对本发明所述基于软件锁相环的PWM整流器装置进行说明，具体的其包括：

(1)软件锁相环模块，对电网三相电压采样，对三相电压采样数据进行坐标变换以获得计算电网电压预估频率以及电网电压预估相位角；前述电网电压预估相位角同时被作为电流坐标变换模块提供所需的相位角度，被用于电网电压相位角旋转坐标变换计算，以构成闭环反馈；如当电网电压平衡时，电网电压只存在正序分量，此时，两相静止αβ坐标系和同步dq坐标系中的实际电压矢量和锁相环输出电压矢量位置如图1所示，图中实际电压矢量以同步坐标系中的d轴定向，当软件锁相环处于准确锁相时，软件锁相环电压计算矢量U_spll和实际电压U_s应该是完全重合的，即θ₁＝θ₀；当电网电压相位处于突变瞬间时，电压矢量U_spll和U_s位置必将产生差异，因此需采用电压/电流双闭环控制以保证锁相环的输出满足θ₁＝θ₀；

前述软件锁相环模块包括：

三相电压采样子模块，该三相电压采样子模块用于对电网三相电压进行AD采样；

与前述三相电压采样子模块相连接的坐标变换子模块，该坐标变换子模块用于对三相电压采样子模块的采样数据进行Clarke变换，以得到对应的两相αβ坐标系下电压分量U_α、U_β，随后进行Park变换，以得到对应的两相旋转dq坐标系下的电压分量U_d、U_q；

与前述坐标变换子模块相连接的软件锁相环PID控制器，该软件锁相环PID控制子模块用于调节电压分量U_d、U_q并计算对应的电网电压预估频率；

与前述软件锁相环PID控制器相连接的积分计算子模块，该积分计算子模块用于对电网电压频率进行积分计算以得到对应的电网电压预估相位角。

例如，设定三相电网电压在电网平衡时，三相电网电压有效值分别可表示为

$V_a=\sqrt{2}Vcos\left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)$

$V_b=\sqrt{2}Vcos({\mathrm{\ω}}_{1}t-2\mathrm{\π}/3)$

$V_c=\sqrt{2}Vcos({\mathrm{\ω}}_{1}t-4\mathrm{\π}/3)$

其中，V统一表示为电网电压的有效值，ω₁统一表示电网电压角频率；

前述坐标变换子模块首先将三相电网电压采样数据由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，再将两相静止αβ坐标系变换到同步旋转dq坐标系，可以分别得到两相静止αβ坐标系下电网电压的αβ分量的表达式以及同步旋转dq坐标系电网电压的dq分量的表达式

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]=V\left[\begin{array}{c}{\mathrm{cos\θ}}_1\\ {\mathrm{sin\θ}}_1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_0& {\mathrm{sin\θ}}_0\\ -{\mathrm{sin\θ}}_0& {\mathrm{cos\θ}}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，θ₁统一表示为电网电压矢量的实际角度，θ₀统一表示为软件锁相环模块输出的电网电压预估相位角，

有公式(1)、(2)计算，得到同步旋转dq坐标系下电网电压的dq分量的表达式，

其中，ω₀——软件锁相环模块输出的电网电压预估频率，——电网电压矢量实际相角和网电压预估相位角的初始相位差；

上述过程如图2-图3，其中，图中3s-2s表示三相静止abc坐标系到两相αβ坐标系的变换过程；2s-2r表示两相静止αβ坐标系到同步旋转dq坐标系的变换过程；ω^*表示三相电压的额定角频率；ω₀表示软件锁相环模块的输出角频率即电网电压预估频率；mod表示软件锁相环模块电网电压预估相位角θ以2π为周期输出；采用这种变换的优势在于能将三相静止abc坐标系中的正弦量变换成两相同步旋转dq坐标系中的直流量；在两相同步旋转dq坐标系中，根据锁相环工作的基本性能要求，即必须使矢量U_spll和U_s完全重合才能实现相位锁定，显然只要通过闭环控制，使u_q＝0即可实现锁相；而实际上，在图2中所示的软件锁相环结构中，将u_q输入PI调节器，当频率锁定时，u_q必为一直流量，由于PI调节器具有直流无静差调节特性，因此通过对u_q的PI调节，即可使u_q趋于零，从而实现锁相。即可以将PI调节器的输出与实际电网额定频率叠加以获得锁相环的输出频率。由于u_q＝0，因此它不会受输入电压幅值波动的影响，同时，由于整个软件锁相环过程存在两个积分环节，因此，对电网电压中的高频谐波有很强的抑制作用。并且，只要选取合适的系统参数，就可以同时保证较好的准确度和快速性。

(2)电压检测模块，该电压检测模块用于检测电网直流母线电压信号；

(3)与前述电压检测模块相连接的电压环PID控制器，该电压环PID控制器用于对前述直流母线电压信号进行PID闭环调节，以得到电流环PID控制器进行PID调节所需的电流控制目标值；

(4)电流检测模块，该电流检测模块用于检测电网来自电流传感器的网侧三相电流信号；

(5)与前述电流检测模块相连接的电流坐标变换模块，该电流坐标变换模块用于基于所述电网电压预估相位角，将前述网侧三相电流信号从三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系；

(6)分别与前述电压环PID控制器、前述电流坐标变换模块相连接的电流环PID控制器，该电流环PID控制器用于对两相旋转dq坐标系下的电流信号进行PID调节，得到对应的两相旋转dq坐标系下的两相电压；

(7)与前述电流环PID控制器相连接的电压坐标变换模块，该电压坐标变换模块用于将前述两相旋转dq坐标系下的两相电压经坐标旋转变换后得到两相静止αβ坐标系下的两相电压值；

(8)以及与前述电压坐标变换模块相连接的SVPWM模块，用于基于前述两相静止αβ坐标系下的两相电压值，输出对应的PWM控制信号。

下述以具体实施例对本发明所述技术内容作以说明：

首先为了简化分析，如图4-图5所示，假设e_a，e_b，e_c为三相平衡的纯正弦波电动势，网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和，R为线路内阻与开关管的等效电阻，C为直流侧滤波电容，R_L为直流侧负载电阻；同时定义逻辑开关函数S_k(K＝a,b,c)

根据电路拓扑可以得出下列公式

$L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+{\mathrm{Ri}}_a=e_a-(v_{dc}{S}_a+v_{N0})$

$L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+{\mathrm{Ri}}_b=e_b-(v_{dc}{S}_b+v_{N0})$

$L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+{\mathrm{Ri}}_c=e_c-(v_{dc}{S}_c+v_{N0})$

$v_{N0}=-\frac{v_{dc}}{3}\underset{k=a,b,c}{\Σ}{S}_k$

$C\frac{{\mathrm{dv}}_{dc}}{dt}=i_a{S}_a+i_b{S}_b+i_c{S}_c-\frac{v_{dc}-e_L}{R_L}$

这种VSR一般数学模型具有物理意义清晰、直观的特点。但在这种数学模型中，VSR交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。

因此可采用本发明所述系统的软件锁相环模块，通过坐标变换将三相对称静止坐标系(abc)转换成以电网基波频率同步旋转的(dq)坐标系；转换后三相PWM整流器方程为：

$C\frac{{\mathrm{dv}}_{dc}}{dt}=\frac{3}{2}(S_q{i}_q+S_d{i}_d)-i_L$

$L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}+{\mathrm{\ωLi}}_d+{\mathrm{Ri}}_q=e_q-S_q{v}_{dc}$

$L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}-{\mathrm{\ωLi}}_q+{\mathrm{Ri}}_d=e_d-S_d{v}_{dc}$

式中，e_d，e_q为电网电动势矢量E_dq的d、q分量；i_d，i_q为交流侧电流矢量的d、q分量；经上述坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计；

因此采用本发明所述技术方案的三相电压型PWM整流器在dq坐标系中可以描述为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_q\\ e_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}+R& \mathrm{\ω}L\\ -\mathrm{\ω}L& L\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}+R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_q\\ i_d\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_q\\ v_d\end{array}\right]$

$\frac{3}{2}(v_q{i}_q+v_d{i}_d)=v_{dc}{i}_{dc}$

式中，v_d，v_q是交流侧电压矢量V的d，q分量；

设dq坐标系中d轴与电网电动势矢量E_dq重合，则电网电动势矢量q轴分量e_q＝0；

而从dq模型方程式可看出，由于dq轴变量相互耦合，因此在控制上存在一定困难；而所述软件锁相环模块所采用前馈解耦的控制策略可以较好的解决这个问题，具体的，当调节器采用PI调节器时，则的控制方程如下

$V_q^{*}=-(K_{iP}+\frac{K_{iI}}{s})(i_q^{*}-i_q)-{\mathrm{\ωLi}}_d+e_q$

$V_d^{*}=-(-K_{iP}+\frac{K_{iI}}{s})(i_d^{*}-i_d)-{\mathrm{\ωLi}}_q+e_d$

式中，K_iP，K_iI为比例调节增益和积分调节增益；为i_q，i_d电流指令值。这种电流前馈控制算法实现了i_q，i_d的解耦控制，并且通过PI调节运算获得了三相电压型PWM整流器交流侧电压矢量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于软件锁相环的PWM整流器装置，其特征在于，包括：

软件锁相环模块，对电网三相电压采样，对三相电压采样数据进行坐标变换以获得计算电网电压预估频率以及电网电压预估相位角；

电压检测模块，该电压检测模块用于检测电网直流母线电压信号；

与前述电压检测模块相连接的电压环PID控制器，该电压环PID控制器用于对前述直流母线电压信号进行PID闭环调节，以得到电流环PID控制器进行PID调节所需的电流控制目标值；

电流检测模块，该电流检测模块用于检测电网来自电流传感器的网侧三相电流信号；

与前述电流检测模块相连接的电流坐标变换模块，该电流坐标变换模块用于基于所述电网电压预估相位角，将前述网侧三相电流信号从三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系；

分别与前述电压环PID控制器、前述电流坐标变换模块相连接的电流环PID控制器，该电流环PID控制器用于对两相旋转坐标系下的电流信号进行PID调节，得到对应的两相旋转dq坐标系下的两相电压；

与前述电流环PID控制器相连接的电压坐标变换模块，该电压坐标变换模块用于将前述两相旋转dq坐标系下的两相电压经坐标旋转变换后得到两相静止αβ坐标系下的两相电压值；

以及与前述电压坐标变换模块相连接的SVPWM模块，用于基于前述两相静止坐标系下的两相电压值，输出对应的PWM控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于软件锁相环的PWM整流器装置，其特征在于：

前述软件锁相环模块包括：

三相电压采样子模块，该三相电压采样子模块用于对电网三相电压进行采样；

与前述三相电压采样子模块相连接的坐标变换子模块，该坐标变换子模块用于对三相电压采样子模块的采样数据进行Clarke变换，以得到对应的两相静止αβ坐标系下电压分量U_α、电压分量U_β，随后进行Park变换，以得到对应的两相旋转dq坐标系下的电压分量U_d、电压分量U_q；

与前述坐标变换子模块相连接的软件锁相环PI控制器，该软件锁相环PI控制子模块用于调节电压分量U_d、电压分量U_q并计算对应的电网电压预估频率；

与前述软件锁相环PI控制器相连接的积分计算子模块，该积分计算子模块用于对电网电压频率进行积分计算以得到对应的电网电压预估相位角。