CN106058849B - 一种基于svpwm调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法,基于电网虚拟磁链定义和电流源型变频器数学模型,考虑三相电网平衡且完全正弦,电网电压在αβ坐标系中的两个分量为eα、eβ,Lf为滤波电感的感值,ωs为电网角频率,Cf为滤波电容的容值,isα,isβ为电网电流在αβ坐标系下的分量,变频器侧输出电流iwα,iwβ为变频器侧电流iwa,iwb,iwc在αβ坐标系下的分量,电网电流的观测公式为:
Description
技术领域
本发明属于变频器控制技术领域,特别涉及一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法。
背景技术
变频器从拓扑结构上,可分为电流源型变频器和电压源型变频器。为实现相应的控制目标,如电机转速控制和最优化控制,电流传感器必不可少。电流源型变频器的拓扑结构如图1所示,为实现相应控制目标,目前现有技术通常是利用额外的电流传感器来测量相应的变量,如交流侧电流、直流侧电流,如图1所示。额外的交流电流传感器,一方面增加了工程应用成本,另一方面也降低了系统可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法,从而实现省去交流电流传感器的目的。
本发明的技术方案是,一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法,基于虚拟磁链定义和电流源型变频器数学模型,考虑三相电网平衡且完全正弦,
设电网电压在αβ坐标系中的两个分量为eα、eβ,Lf为滤波电感的感值,ωs为电网角频率,Cf为滤波电容的容值,isα,isβ为电网电流在αβ坐标系下的分量,变频器侧输出电流iwα,iwβ为变频器侧电流iwa,iwb,iwc在αβ坐标系下的分量,
电网电流的观测公式为:
Ⅰ-Ⅵ扇区中iwa,iwb,iwc的表达式由下表获得:
进一步的,采用两个一阶低通滤波器串联来代替公式(8)中的积分器,低通滤波器的截止频率为ωs,对应传递函数为:
本发明从降低系统成本和提升系统可靠性出发,基于虚拟磁链观测思想和电流源型变频器数学模型,借助变频器直流侧电流,重构电网电流观测器。利用该观测器的输出值控制变频器实现相应的控制目标,从而实现省去交流电流传感器的目的。
附图说明
图1现有技术中三相电流源型变频器拓扑结构示意图。
图2.本发明的SVPWM调制空间矢量图。
图3.本发明图2中扇区Ⅰ中,iwa,iwb,iwc与idc的关系示意图。
图4本发明基于电网电流重构技术的电流源型变频器控制框图。
图5.在稳态下,本发明电网电流观测值与实测值波形对比。
图6.在暂态下,本发明电网电流观测值与实测值波形对比。
具体实施方式
本发明在分析虚拟磁链观测思想和变频器数学模型基础上,通过状态重构的方法,设计了电网电流观测器,实现了无交流电流传感器的控制。
无电网电流传感器控制技术本质是基于虚拟磁链观测思想,根据直流母线电流和开关函数来观测电网电流。首先根据直流母线电流和开关函数估算变频器侧电流iwa,iwb,iwc。
根据电网虚拟磁链定义,考虑三相电网平衡且完全正弦,从数学角度可得到下式:
式(1)说明虚拟磁链观测的本质是电网电压在αβ坐标系中的两个分量eα,eβ在数学表达式上可以通过积分相互推导。将式(1)中的虚拟磁链思想应用到电网电流虚拟磁链和电容电压虚拟磁链中,可得:
设电流正方向为从电网流入变换器的方向,根据电路理论,可得图1所示电流源型变频器的数学模型,两相静止αβ坐标系下电容电压的表达式为:
式中,eα,eβ为电网电压在αβ坐标系下的分量;uCα,uCβ为滤波电容电压在αβ坐标系下的分量;Lf为滤波电感的感值;RL为滤波电感的内阻;isα,isβ为电网电流在αβ坐标系下的分量。
由于式(4)含有微分项,不易于在数字控制器中实现,将式(1)、(2)代入式(4)中,可得:
两相静止αβ坐标系下电网电流的表达式为:
其中,Cf为滤波电容的容值,iwα、iwβ为变频器侧电流iwa,iwb,iwc在αβ坐标系下的分量,
将式(3)代入式(6)中,可得:
式(7)中,ωs为电网角频率,变频器侧输出电流iwα,iwβ可根据开关函数和直流侧电流重构。通常电流源型变频器三相电流源型变频器的空间电流矢量图如图2所示,以参考电流矢量位于扇区Ⅰ为例,分析电流重构过程,此时电流矢量作用顺序为I6→I1→I7,图3分析了整个开关周期内iwα,iwβ与直流电流的关系。设T1为I6矢量的作用时间,T2为I1矢量的作用时间,Ts为变频器开关周期。I6矢量作用时,iwa=idc,iwb=-idc,iwc=0;I1矢量作用时,iwa=idc,iwb=0,iwc=-idc;I7矢量作用时,iwa=0,iwb=0,iwc=0。故在整个开关过程中,可求出iwa,iwb,iwc的平均值。按上述分析方法,可分别求出Ⅰ-Ⅵ扇区中iwa,iwb,iwc的表达式,如表Ⅰ所示。
通过式(5)得到电容电压,将其代入式(7),可以得到电网电流的观测公式为:
考虑实际情况,将式(8)中的积分范围只能在t>0内,式(8)中的积分又可表示为:
式(9)表明,如果直接对eα,eβ积分,积分结果会引入与初值相关的直流偏置,而积分初值往往很难确定,从而带来控制上的误差。为了消除直接积分引入的误差,对eα(t),eβ(t)运用Laplace变换可得:
根据eα(t),eβ(t)的关系又可得到:
对式(10)运用Laplace积分定理可得:
结合式(11)和(12)可得:
分析式(13)可知,对eα,eβ进行积分,其积分结果幅值衰减ωs倍,相角相对于eα,eβ滞后-π/2。考虑采用两个一阶低通滤波器串联来代替纯积分器,低通滤波器的截止频率为ωs,对应传递函数为:
显然,在截止频率ω=ωs处,式(14)所示的低通滤波器增益为1,相移位-π/2,正好满足ωs∫eα,ωs∫eβ的要求,不但克服了纯积分器引入的直流偏置,还能滤除eα,eβ中的高频分量。因此将电网电流观测器(式(8))中的积分项用公式(14)来实现,即可重构电网三相电流。基于电网电流重构技术的电流源型变频器控制框图如图4所示。Matlab仿真结果如图5和图6所示,其中,图5所示为稳态下,电网电流观测值与实测电流值波形对比,图6所示为暂态下,电网观测电流值与实测电流值波形对比。
根据仿真结果分析,稳态和暂态情况下,电网电流观测器输出值与电网电流测量值波形幅值、相位基本一致。综上所述,与原有技术方案相比,本文提出的电流观测技术完全可以应用于电流源型变频器的控制中,从而省去了电网电流传感器,降低系统成本,提升系统可靠性。
图4中的表Ⅰ(Ⅰ-Ⅵ扇区中iwa,iwb,iwc的表达式)
Claims (3)
1.一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法,其特征在于,基于电网虚拟磁链定义和电流源型变频器数学模型,考虑三相电网平衡且完全正弦,电网电流的观测公式为:
其中,电网电压在αβ坐标系中的两个分量为eα、eβ,Lf为滤波电感的感值,ωs为电网角频率,Cf为滤波电容的容值,isα,isβ为电网电流在αβ坐标系下的分量,变频器侧输出电流iwα、iwβ为变频器侧电流iwa,iwb,iwc在αβ坐标系下的分量。
2.如权利要求1所述的基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法,其特征在于,所述iwa,iwb,iwc在Ⅰ-Ⅵ扇区中的表达式如下,
扇区Ⅰ:iwa=(T1+T2)idc/Ts
iwb=-T1idc/Ts
iwc=-T2idc/Ts
扇区Ⅱ:iwa=T1idc/Ts
iwb=T2idc/Ts
iwc=-(T1+T2)idc/Ts
扇区Ⅲ:iwa=-T2idc/Ts
iwb=(T1+T2)idc/Ts
iwc=-T1idc/Ts
扇区Ⅳ:iwa=-(T1+T2)idc/Ts
iwb=T1idc/Ts
iwc=T2idc/Ts
扇区Ⅴ:iwa=-T1idc/Ts
iwb=-T2idc/Ts
iwc=(T1+T2)idc/Ts
扇区Ⅵ:iwa=T2idc/Ts
iwb=-(T1+T2)idc/Ts
iwc=T1idc/Ts
其中,T1为I6矢量的作用时间,T2为I1矢量的作用时间,Ts为变频器开关周期,矢量I1~I6电流源型变频器中开关器件的6个开关状态对应的空间矢量,
I6矢量作用时,iwa=idc,iwb=-idc,iwc=0;
I1矢量作用时,iwa=idc,iwb=0,iwc=-idc;
idc是电流源型变频器直流侧的电流值。
3.如权利要求2所述的电流源型变频器电网电流观测方法,其特征在于,采用两个一阶低通滤波器串联来代替公式(8)中的积分器,令低通滤波器的截止频率为ω,当截止频率ω=ωs时,对应传递函数为:
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