CN107222114A - 一种整流器和逆变器的统一控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种整流器和逆变器的统一控制方法。该控制方法包括瞬时值控制、谐波控制和相位同步三个模块。根据输入信号的不同，瞬时值控制模块分别完成整流器直流母线电压控制和逆变器的输出电压控制，谐波控制模块分别完成整流器输入电流的谐波抑制和逆变器的输出电压谐波抑制，相位同步模块分别完成整流器输入电流单位功率因数的控制和逆变器的输出电压与同步源电压的同步功能。本发明能同时适用于整流器和逆变器的控制，实现两者控制程序框架和代码的共享，缩短软件开发周期，简化程序代码的调试和维护工作。

Description

一种整流器和逆变器的统一控制方法
技术领域
本发明涉及整流器和逆变器控制技术领域，尤其涉及一种整流器和逆变器的统一控制方法，即一种通用的整流器和逆变器的控制环路设计方法。
背景技术
传统三相四线PWM整流器的控制一般采用直流母线电压外环，电感电流内环的双闭环控制结构，其中的电感电流内环控制通常在dq0旋转坐标系下进行。而传统的三相四线PWM逆变器一般采用电压有效值环、电压瞬时值环和电感电流瞬时值环三个基本环路控制，同时由于要应对三相不平衡负载的要求，通常采用基于abc静止坐标系的单相独立控制方式。在一个由三相四线PWM整流器和逆变器组成的背靠背系统中，例如在线式UPS系统，整流器和逆变器的控制系统通常需要各自单独设计，工程设计人员必须掌握两种不同的控制系统设计方法，不但增加了控制软件开发周期，同时程序代码的调试也更加复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种整流器和逆变器的统一控制方法，从而实现整流器和逆变器控制程序框架和代码的共享，缩短软件开发周期，简化程序代码的调试和维护工作。
本发明采用的技术方案是：
该控制方法采用包括瞬时值控制模块、谐波控制模块和相位同步模块的系统实现。将控制指令vref，第一反馈信号vf1，第二反馈信号vf2，第三反馈信号vf3，前馈信号vfd，相位参考信号θ和谐波控制信号xh作为瞬时值控制模块的输入信号，通过三个级联的控制器单元对给定参考信号进行闭环调节，输出调制信号vc。将被控信号x1和相位参考信号θ作为谐波控制模块的输入信号，对被控信号进行谐波的构造和提取，并在dq轴坐标系下进行闭环调节，输出谐波控制信号xh。将被控信号x2和同步源信号Vabc.g作为相位同步模块3的输入信号，提取被控信号与同步源的相位差并对其进行闭环调节得到相位参考信号θ。
当上述所有输入信号为如下组合时：控制指令vref为母线电压指令第一反馈信号vf1为母线电压vsum，第二反馈信号vf2为整流器电感电流iL，第三反馈信号vf3为0，前馈信号vfd为电网电压vg，被控信号x1为整流器电感电流iL，被控信号x2为整流器电感电流iL，系统实现整流器的控制功能。
当所有输入信号为如下组合时：控制指令vref为逆变输出电压有效值指令第一反馈信号vf1为逆变输出电压有效值vi.rms，第二反馈信号vf2为逆变输出电压vi，第三反馈信号vf3为逆变器电感电流iL，前馈信号vfd为逆变输出电压vi，被控信号x1为逆变输出电压vi，被控信号x2为逆变输出电压vi，系统实现逆变器的控制功能。
各个模块的具体实施步骤可以如下：
瞬时值控制模块由第一控制器单元、乘法器单元、余弦值计算单元、第二控制器单元、第一加法器单元、第三控制器单元和第二加法器单元构成。第一控制器单元的两组输入分别是控制指令vref和第一反馈信号vf1。余弦值计算单元的输入相角信号来自同步控制模块的输出信号θ。第一控制器单元的输出与余弦值计算单元的输出经第一乘法器单元相乘，得到的结果输入到第二控制器单元，第二控制器的另一个输入来自第二反馈信号vf2。第二控制器的输出与谐波控制模块的输出xh经第一加法器单元相加作为第三控制器单元的输入，第三控制器单元的另一个输入为第三反馈信号vf3。第三控制器单元的输出与前馈量vfd经第二加法器单元相加，得到瞬时值控制模块的输出vc。当输入信号来自如表1中的组合一时，瞬时值控制模块完成整流器直流母线电压的控制功能；当输入信号来自如表1中的组合二时，瞬时值控制模块完成逆变器输出电压的控制功能。
谐波控制模块包括N次谐波提取和构造单元、坐标变换单元、N次谐波d轴控制器单元、N次谐波q轴控制器单元和坐标反变换单元。N次谐波提取和构造单元的输入为被控信号x1，该单元通过延时算法从x1中提取出N次谐波的虚拟三相对称分量，经过坐标变换单元后得到N次谐波分量的d轴分量和q轴分量，d轴分量和q轴分量分别输入到N次谐波d轴控制器单元和N次谐波q轴控制器单元，两个控制器的输出作为坐标反变换单元的输入，通过坐标反变换单元之后得到谐波控制模块的输出xh。当输入信号来自如表1中的组合一时，谐波控制模块完成整流器输入电流的N次谐波抑制；当输入信号来自如表1中的组合二时，谐波控制模块2完成逆变器输出电压的N次谐波控制。
相位同步模块包括锁相环单元、三相系统构造单元、鉴相器单元、相角控制器单元、第三加法器单元和模值计算单元。锁相环单元的输入为同步源信号Vabc.g，其输出为同步源信号的相位信息θg，三相系统构造单元的输入为被控信号x2，该单元通过延时算法得到x2的虚拟三相对称信号xa，xb，xc。这组三相对称信号与同步源信号的相位信息θg作为鉴相器单元的输入，经过鉴相器后得到两者的相位差信号xq。相位差信号xq经过相角控制器单元后得到相角补偿量θcomp，该补偿量再通过第三加法器单元与同步源信号的相位信号θg相加，最后通过模值计算单元得到相位同步模块的输出相位参考信号θ。当输入信号来自如表1中的组合一时，相位同步模块完成整流器输入电流单位功率因数的控制功能；当输入信号来自如表1中的组合二时，相位同步模块完成逆变器输出电压与同步源电压的同步功能。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种整流器和逆变器的统一控制方法，可以应用于单相和三相独立控制的整流器和逆变器。通过输入信号的选择以及三个控制模块的功能，实现了整流器和逆变器控制程序框架和代码的共享，缩短了软件开发周期，简化程序代码的调试和维护工作。
附图说明
图1为本发明的整流器和逆变器的统一控制示意框图。
图2为本发明的整流器和逆变器统一控制方法的详细控制环路示意图。
图中的各个单元说明：瞬时值控制模块1、谐波控制模块2、相位同步模块3、母线电容4、功率器件桥臂5、LC滤波器6、负载/电网7、第一控制器单元8、第二控制器单元9、第三控制器单元10、余弦值计算单元11、第一乘法器单元12、第一加法器单元13、第二加法器单元14、N次谐波提取和构造单元15、坐标变换单元16、N次谐波d轴控制器单元17、坐标反变换单元18、N次谐波q轴控制器单元19、第二乘法器单元20、锁相环单元21、三相系统构造单元22、鉴相器单元23、相角控制器单元24、第三加法器单元25、模值计算单元26、有效值计算单元27、SPWM调制单元28、切换开关29。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图2所示，控制部分主要由三个模块组成，包括瞬时值控制模块1、谐波控制模块2、相位同步模块3。主电路包括直流母线电容4、功率器件桥臂5、LC滤波器6、负载/电网7，四部分依次串联组成，切换开关29切到“1”时，主电路表示整流器模式，切换开关29切到“2”时，主电路表示逆变器模式。
瞬时值控制模块1包括第一控制器单元8、第一乘法器单元12、余弦值计算单元11、第二控制器单元9、第一加法器单元13、第三控制器单元10和第二加法器单元14。第一控制器单元8的两组输入分别是控制指令vref和第一反馈信号vf1。余弦值计算单元11的输入相角信息来自相位同步控制模块3的输出信号θ。第一控制器单元8的输出与余弦值计算单元11的输出相乘，得到的结果输入到第二控制器单元9，第二控制器的另一个输入来自第二反馈信号vf2。第二控制器单元9的输出与谐波控制模块2的输出xh相加作为第三控制器单元10的输入，第三控制器单元10的另一个输入为第三反馈信号vf3。第三控制器单元10的输出与前馈量vfd相加，得到瞬时值控制模块1的输出vc。调制信号vc作为SPWM调制模块的输入，经过SPWM调制模块后作为功率器件的驱动信号。当输入信号来自表1中的组合一时，瞬时值控制模块1完成整流器直流母线电压的控制功能；当输入信号来自表1中的组合二时，瞬时值控制模块完成逆变器输出电压的控制功能。
谐波控制模块2包括N次谐波提取和构造单元15、坐标变换单元16、N次谐波d轴控制器单元17、N次谐波q轴控制器单元19和坐标反变换单元18。N次谐波提取和构造单元15的输入为被控信号x1，该单元通过延时算法从x1中提取出N次谐波的虚拟三相对称分量，经过坐标变换单元16后得到N次谐波分量的d轴分量和q轴分量，d轴分量和q轴分量分别输入到N次谐波d轴控制器单元17和N次谐波q轴控制器单元19，两个控制器的输出作为坐标反变换单元18的输入，最后通过坐标反变换得到谐波控制模块2的输出xh。其中坐标变换单元16与坐标反变换单元18的参考相位信息均来自相位同步模块3的输出相位信号θ与对应谐波次数N的乘积。当输入信号来自表1中的组合一时，谐波控制模块2完成整流器输入电流的N次谐波抑制功能；当输入信号来自表1中的组合二时，谐波控制模块2完成逆变器输出电压的N次谐波抑制功能。
相位同步模块包括锁相环单元21、三相系统构造单元22、鉴相器单元23、相角控制器单元24、第三加法器单元25和模值计算单元26。锁相环单元21的输入为同步源信号Vabc.g，其输出为同步源信号的相位信息θg，三相系统构造单元22的输入为被控信号x2，该单元通过延时算法得到x2的虚拟三相对称信号xa，xb，xc。这组三相对称信号与同步源信号的相位信息θg作为鉴相器单元23的输入，经过鉴相器单元23后得到两者的相位差信号xq。相位差信号xq经过相角控制器单元24后得到相角补偿量θcomp，该补偿量再通过第三加法器单元25与同步源信号的相位信号θg相加，最后通过模值计算单元26得到相位同步模块3的输出相位参考信号θ。当输入信号来自表1中的组合一时，同步控制模块完成整流器输入电流单位功率因数的控制；当输入信号来自表1中的组合二时，完成逆变器输出电压与同步源电压的同步功能。
当切换开关29为“1”时，各模块的输入信号控制指令vref、反馈信号vf1、反馈信号vf2、反馈信号vf3、前馈信号vfd、被控信号x1、被控信号x2来自组合一的信号，当切换开关29为“2”时，各模块的输入信号来自组合二的信号，这些信号分配如表1所示。表1中的母线电压vsum来自母线电容4的电压采样，输出电压有效值vi.rms来自有效值计算单元27的输出，电感电流iL为LC滤波器6中电感L的电流采样信号，电网电压vg和输出电压vi来自负载/电网7处的电压采样信号。
表1 输入信号不同组合的信号分配

Claims (4)

1.一种整流器和逆变器的统一控制方法，其特征在于：
该控制方法采用包括瞬时值控制模块1、谐波控制模块2和相位同步模块3的系统实现，将控制指令vref，第一反馈信号vf1，第二反馈信号vf2，第三反馈信号vf3，前馈信号vfd，相位参考信号θ和谐波控制信号xh作为瞬时值控制模块1的输入信号，通过三个级联的控制器单元对给定参考信号进行闭环调节，输出调制信号vc，将被控信号x1和相位参考信号θ作为谐波控制模块2的输入信号，对被控信号进行谐波的构造和提取，并在dq轴坐标系下进行闭环调节，输出谐波控制信号xh，将被控信号x2和同步源信号Vabc.g作为相位同步模块3的输入信号，提取被控信号与同步源的相位差并对其进行闭环调节得到相位参考信号θ；
当上述所有输入信号为如下组合时：控制指令vref为母线电压指令第一反馈信号vf1为母线电压vsum，第二反馈信号vf2为整流器电感电流iL，第三反馈信号vf3为0，前馈信号vfd为电网电压vg，被控信号x1为整流器电感电流iL，被控信号x2为整流器电感电流iL，系统实现整流器的控制功能；
当所有输入信号为如下组合时：控制指令vref为逆变输出电压有效值指令第一反馈信号vf1为逆变输出电压有效值vi.rms，第二反馈信号vf2为逆变输出电压vi，第三反馈信号vf3为逆变器电感电流iL，前馈信号vfd为逆变输出电压vi，被控信号x1为逆变输出电压vi，被控信号x2为逆变输出电压vi，系统实现逆变器的控制功能。
2.根据权利要求1所述的整流器和逆变器的统一控制方法，其特征在于：
所述的瞬时值控制模块1包括第一控制器单元8、第一乘法器单元12、余弦值计算单元11、第二控制器单元9、第一加法器单元13、第三控制器单元10和第二加法器单元14；第一控制器单元8的两组输入分别是控制指令vref和第一反馈信号vf1，余弦值计算单元11的输入相角信号来自相位同步模块3的输出信号θ，第一控制器单元8的输出与余弦值计算单元11的输出经第一乘法器单元12相乘，得到的结果输入到第二控制器单元9，第二控制器单元9的另一个输入来自第二反馈信号vf2，第二控制器单元9的输出与谐波控制模块2的输出xh经第一加法器单元13相加作为第三控制器单元10的输入，第三控制器单元10的另一个输入为第三反馈信号vf3，第三控制器单元10的输出与前馈量vfd经第二加法器单元14相加，得到瞬时值控制模块1的输出vc。
3.根据权利要求1所述的整流器和逆变器的统一控制方法，其特征在于：
所述的谐波控制模块2包括N次谐波提取和构造单元15、坐标变换单元16、N次谐波d轴控制器单元17、N次谐波q轴控制器单元19和坐标反变换单元18；N次谐波提取和构造单元15的输入为被控信号x1，该单元通过延时算法从x1中提取出N次谐波的虚拟三相对称分量，经过坐标变换单元16后得到N次谐波分量的d轴分量和q轴分量，d轴分量和q轴分量分别输入到N次谐波d轴控制器单元17和N次谐波q轴控制器单元19，两个控制器的输出作为坐标反变换单元18的输入，最后通过坐标反变换得到谐波控制模块2的输出xh。
4.根据权利要求1所述的整流器和逆变器的统一控制方法，其特征在于：
所述的相位同步模块3包括锁相环单元21、三相系统构造单元22、鉴相器单元23、相角控制器单元24、第三加法器单元25和模值计算单元26；锁相环单元21的输入为同步源信号Vabc.g，其输出为同步源信号的相位信号θg，三相系统构造单元22的输入为被控信号x2，该单元通过延时算法得到x2的虚拟三相对称信号xa，xb，xc，这组对称信号与同步源信号的相位信息θg作为鉴相器单元23的输入，经过鉴相器单元23后得到两者的相位差信号xq，相位差信号xq经过相角控制器单元24后得到相角补偿量θcomp，该补偿量再通过第三加法器单元25与同步源信号的相位信号θg相加，最后通过模值计算单元26取2π的模值得到相位同步模块3的输出相位参考信号θ。
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