CN107271752B - 电流源型变频器电网电压观测方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电流源型变频器电网电压观测方法、装置及系统，涉及PWM变频器技术领域，其中，方法包括：根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式。该方法基于虚拟磁链观测思想和变频器直流侧电压，重构了交流侧电网电压观测器，即建立电网电压观测算式，利用该电网电压观测算式得出的电压值控制变频器实现相应的控制目标，从而实现省去交流电压传感器的目的，进一步降低系统成本和提升系统可靠性。

Description

电流源型变频器电网电压观测方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及PWM变频器技术领域，尤其是涉及一种电流源型变频器电网电压观测方法、装置及系统。

背景技术

随着电力推进系统技术的日益成熟，加之海工船舶特殊作业的需求，使得船舶电力推进系统广泛用于海洋工程领域。在电力推进系统中，变频器是极其重要的组成部分。从拓扑结构上看，变频器可分为电流源型变频器和电压源型变频器。

现有的电流源型变频器的拓扑结构如图1所示，由于PWM电流源型变频器具有输出电流波形好、输出功率易于调节、良好的短路保护能力、直流侧电感可靠性高等优点，使其非常适用于船舶电力推进系统中。为实现相应的控制目标，如电机转速控制，最优化控制，电压传感器必不可少。工程上通常采用额外电压传感器来测量相应的变量，如交流侧电压、直流侧电压，额外的电压传感器一方面增加了工程应用成本和系统体积，另一方面也降低了系统可靠性。

目前，在电压源型变频器中，已有相应的技术实现了无交流电压传感器的控制，从而省去了交流电压传感器，其核心思想是利用直流侧电压和变频器数学模型重构交流侧电网电压观测器，可用观测器输出值作为电网电压实际值去实现变频器相应的控制，但是该技术不能应用于电流源型变频器中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电流源型变频器电网电压观测方法及系统，基于虚拟磁链观测思想和变频器直流侧电压，重构交流侧电网电压观测器，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压传感器的目的，进一步降低系统成本和提升系统可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种电流源型变频器电网电压观测方法，包括：

根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；

将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压，具体包括：

确定空间矢量图中每一扇区的电流矢量作用顺序；

按照电流矢量作用顺序，确定每一个电流矢量作用时，变频器侧三相输出电压与直流侧电压的关系；

根据变频器侧三相输出电压与直流侧电压的关系以及三相平衡条件，得到每个扇区中变频器侧交流输出电压与变频器侧三相输出电压的关系。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，通过以下方式建立电流源型变频器的数学模型：

设电流正方向为从电网流入变频器的方向，根据电路理论，建立电流源型变频器的数学模型的算式：

其中，e_α,e_β为电网电压在αβ坐标系下的分量；u_Cα,u_Cβ为滤波电容电压在αβ坐标系下的分量；L_f为滤波电感的感值；R_L为滤波电感的内阻；i_sα,i_sβ为电网电流在αβ坐标系下的分量。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式，具体包括：

根据电网虚拟磁链定义，及三相电网平衡且完全正弦特性，选用数学公式：

将三相电流源型变频器中的电网电流以及电容电压应用于数学公式中，得到以下表达式：

将表达式(3)和(4)代入数学模型的算式(1)中，得到电网电压观测算式：

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在得到电网电压观测算式之后，还包括：

对电网电压观测算式进行等价变换，以方便电网电压的观测。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，对电网电压观测算式进行等价变换，包括：

删除影响很小的滤波电感的内阻R_L，得到以下表达式：

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，对电网电压观测算式进行等价变换，还包括：

对表达式(6)中积分项进行变换，得到以下表达式：

对表达式(7)中的u_Cα(t),u_Cβ(t)进行拉普拉斯变换，得到以下表达式：

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，对电网电压观测算式进行等价变换，还包括：

对表达式(8)运用拉普拉斯积分定理以及变形，得到以下表达式：

第二方面，本发明实施例提供一种电流源型变频器电网电压观测装置，该装置包括：

电压重构模块，用于根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；

电网电压观测模块，用于将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式。

第三方面，本发明实施例还提供一种电流源型变频器电网电压观测系统，该系统包括：微处理器以及三相电流源型变频器；

微处理器包括第二方面所述的电流源型变频器电网电压观测装置；

微处理器与三相电流源型变频器连接。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供的电流源型变频器电网电压观测方法中，首先根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；然后将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式。该方法基于虚拟磁链观测思想和变频器直流侧电压，重构了交流侧电网电压观测器，即建立电网电压观测算式，利用该电网电压观测算式得出的电压值控制变频器实现相应的控制目标，从而实现省去交流电压传感器的目的，进一步降低系统成本和提升系统可靠性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种三相电流源型变频器拓扑结构图；

图2为本发明实施例一提供的一种电流源型变频器电网电压观测方法的流程图；

图3为本发明实施例一提供的另一种电流源型变频器电网电压观测方法的流程图；

图4为本发明实施例一提供的SVPWM调制空间矢量图；

图5为本发明实施例一提供的第一扇区中u_Cab,u_Cbc,u_Cca与u_dc的关系图；

图6为本发明实施例一提供的基于电网电压重构技术的电流源型变频器控制框图；

图7为本发明实施例一提供的电网电压Matlab仿真波形图；

图8为本发明实施例二提供的一种电流源型变频器电网电压观测装置的示意图；

图9为本发明实施例三提供的一种电流源型变频器电网电压观测系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前在电压源型变频器中，已有相应的技术实现了无交流电压传感器的控制，从而省去了交流电压传感器，其核心思想是利用直流侧电压和变频器数学模型重构交流侧电网电压观测器，可用观测器输出值作为电网电压实际值去实现变频器相应的控制，但是该技术不能应用于电流源型变频器中。

基于此，本发明实施例提供一种电流源型变频器电网电压观测方法及系统，基于虚拟磁链观测思想和变频器直流侧电压，重构交流侧电网电压观测器，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压传感器的目的，进一步降低系统成本和提升系统可靠性。

实施例一：

本发明实施例提供一种电流源型变频器电网电压观测方法，参见图2所示，该方法包括以下步骤：

S101：根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压。

本发明实施例中，首先基于虚拟磁链观测思想，根据直流母线电压和开关函数来重构电流源型变频器侧交流输出电压。其中，电流源型变频器侧交流输出电压包括SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)图中六个扇区内的电压。具体的，参见图3所示，重构电流源型变频器侧交流输出电压的过程包括以下几个步骤：

S201：确定空间矢量图中每一扇区的电流矢量作用顺序。

三相电流源型变频器空间电流矢量图如图4所示，以参考电流矢量位于第一扇区为例，分析电压重构过程，此时电流矢量作用顺序为I₆→I₁→I₇。

S202：按照电流矢量作用顺序，确定每一个电流矢量作用时，三相输出电压与直流侧电压的关系。

I₆矢量作用时，u_Cab＝u_dc；I₁矢量作用时，u_Cac＝u_dc；I₇矢量作用时，u_Cab＝u_Cbc＝u_Cca＝0。由于在一个开关周期内对变频器的三相输出电压u_Cab,u_Cbc,u_Cca的采样是依次进行的，得到的三相线电压值是在不同时刻的离散值，所以需要进行采样保持，即在每个变频器输出线电压的非采样时刻，保持上一采样时刻的电压值。第一扇区中，u_Cab,u_Cbc,u_Cca与u_dc的关系如图5所示。

S203：根据变频器侧三相输出电压与直流侧电压的关系以及三相平衡条件，得到每个扇区中变频器侧交流输出电压与变频器侧三相输出电压的关系。

在第一扇区中，根据开关函数和直流侧电压重构了u_Cab,u_Cac，再根据三相平衡条件，得到三相变频器侧交流输出电压与三相输出电压的关系，如下式所示：

按照上述分析方法，可分别求出Ⅰ-Ⅵ六个扇区中u_Ca,u_Cb,u_Cc的表达式，如表1所示。

表1Ⅰ-Ⅵ扇区u_Ca,u_Cb,u_Cc的表达式

S102：将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式。

在重构电流源型变频器侧交流输出电压后，将u_Ca,u_Cb,u_Cc转换到αβ坐标系中，然后代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中。具体的，设电流正方向为从电网流入变频器的方向，根据电路理论，建立电流源型变频器的数学模型的算式：

其中，e_α,e_β为电网电压在αβ坐标系下的分量；u_Cα,u_Cβ为滤波电容电压在αβ坐标系下的分量；L_f为滤波电感的感值；R_L为滤波电感的内阻；i_sα,i_sβ为电网电流在αβ坐标系下的分量。

得到电网电压观测算式的过程如下：根据电网虚拟磁链定义，及三相电网平衡且完全正弦特性，选用数学公式：

将三相电流源型变频器中的电网电流以及电容电压应用于数学公式中，得到以下表达式：

将表达式(3)和(4)代入上述数学模型的算式(1)中，得到电网电压观测算式：

在得到电网电压观测算式之后，还包括：

对电网电压观测算式进行等价变换，以方便电网电压的观测。

具体的，由于滤波电感的内阻R_L较小，且压降主要集中在电感上，因此为了简化分析计算，通常忽略电阻的影响，删除影响很小的滤波电感的内阻R_L，得到下式(6)：

考虑实际情况，式(6)中的积分范围只能在t>0内，因此，对表达式(6)中积分项进行变换，得到下式(7)：

式(7)表明，如果直接对u_Cα(t),u_Cβ(t)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u_Cα(t),u_Cβ(t)运用Laplace变换可得下式(8)：

对表达式(8)运用拉普拉斯积分定理以及变形，得到下式(9)：

具体的，根据u_Cα(t),u_Cβ(t)的关系又式(8)可变为下式(10)：

对式(8)运用Laplace积分定理可得下式(11)：

结合式(10)和式(11)得到式(9)，式(9)为电网电压观测算式的变形，分析式(9)可知，对u_Cα,u_Cβ进行积分，其积分结果幅值衰减ω_s倍，相角相对于u_Cα,u_Cβ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ω_s，对应的传递函数为：

显然，在截止频率ω＝ω_s处，式(12)所示的低通滤波器增益为1，相移为-π/2，正好满足ω_s∫u_Cα,ω_s∫u_Cβ的要求，不但克服了纯积分器引入的直流偏置，还能滤除u_Cα,u_Cβ中的高频分量。因此将简化的电网电压观测算式(6)中的积分项用公式(12)来实现，即可重构电网三相电压。基于电网电压重构技术的电流源型变频器控制框图如图6所示。

此外，通过Matlab对本发明实施例所提供的电网电压观测方法所观测的电压进行了仿真，仿真结果如图7所示，图7为电网电压观测电压与实测电压波形对比图。

根据仿真结果分析，通过本发明实施例提供的方法观测的到电网电压值与实测的电网电压值的波形幅值基本一致，由于控制器的延迟，二者相位上存在较小的偏差，但对实际控制影响不大。综上所述，与现有技术相比，本发明实施例提供的电网电压观测方法完全可以应用于电流源型变频器的控制中，从而省去了电网电压传感器，降低系统成本，提升系统可靠性。

本发明实施例所提供的电流源型变频器电网电压观测方法，基于虚拟磁链观测思想和变频器直流侧电压，重构交流侧电网电压观测器，即建立电网电压观测算式，利用该电网电压观测算式得出的电压值控制变频器实现相应的控制目标，从而实现省去交流电压传感器的目的，进一步降低系统成本和提升系统可靠性。

实施例二：

本发明实施例提供一种电流源型变频器电网电压观测装置，参见图8所示，该装置包括：电压重构模块11以及电网电压观测模块12。

其中，电压重构模块11，用于根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；电网电压观测模块12，用于将电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式，以进行电网电压观测。

本发明实施例提供的电流源型变频器电网电压观测装置中，各个模块的具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。

实施例三：

本发明实施例还提供一种电流源型变频器电网电压观测系统，参见图9所示，该系统包括：微处理器21以及三相电流源型变频器22；

微处理器21包括实施例二所述的电流源型变频器电网电压观测装置211；

微处理器21与三相电流源型变频器22连接。

本发明实施例提供的电流源型变频器电网电压观测系统，通过电流源型变频器电网电压观测装置中的电压重构模块、模型建立模块以及电压观测模块，对电网电压进行观测，利用该系统观测到的电网电压值，可以控制变频器实现相应的控制目标，从而实现省去交流电压传感器的目的，进一步降低系统成本和提升系统可靠性。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电流源型变频器电网电压观测方法，其特征在于，包括：

根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；所述电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；

将所述电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式；

在得到电网电压观测算式之后，还包括：

对所述电网电压观测算式进行等价变换，以方便电网电压的观测；

所述对所述电网电压观测算式进行等价变换，包括：

删除影响很小的滤波电感的内阻R_L，得到以下表达式：

其中，e_α,e_β为电网电压在αβ坐标系下的分量；u_Cα,u_Cβ为滤波电容电压在αβ坐标系下的分量；L_f为滤波电感的感值；i_sα,i_sβ为电网电流在αβ坐标系下的分量；ω_s为电网角频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压，具体包括：

确定空间矢量图中每一扇区的电流矢量作用顺序；

按照所述电流矢量作用顺序，确定每一个电流矢量作用时，变频器侧三相输出电压与所述直流侧电压的关系；

根据所述变频器侧三相输出电压与所述直流侧电压的关系以及三相平衡条件，得到每个扇区中变频器侧交流输出电压与所述变频器侧三相输出电压的关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式建立所述电流源型变频器的数学模型：

设电流正方向为从电网流入变频器的方向，根据电路理论，建立所述电流源型变频器的数学模型的算式：

其中，e_α,e_β为电网电压在αβ坐标系下的分量；u_Cα,u_Cβ为滤波电容电压在αβ坐标系下的分量；L_f为滤波电感的感值；R_L为滤波电感的内阻；i_sα,i_sβ为电网电流在αβ坐标系下的分量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式，具体包括：

根据电网虚拟磁链定义，及三相电网平衡且完全正弦特性，选用数学公式：

其中，ψ_α，ψ_β为电网虚拟磁链在αβ坐标系下的分量；u_m为电网电压幅值，ω_s为电网角频率，t为时间，

为电网相位角；

将三相电流源型变频器中的电网电流以及电容电压应用于所述数学公式中，得到以下表达式：

将所述表达式(3)和(4)代入所述数学模型的算式(1)中，得到所述电网电压观测算式：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述电网电压观测算式进行等价变换，还包括：

对所述表达式(6)中积分项进行变换，得到以下表达式：

其中，u_m为电网电压幅值，ω_s为电网角频率，t为时间，

为电网相位角，τ为0～t范围内的时间变量；

对所述表达式(7)中的u_Cα(t),u_Cβ(t)进行拉普拉斯变换，得到以下表达式：

其中，L表示拉普拉斯运算。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述电网电压观测算式进行等价变换，还包括：

对所述表达式(8)运用拉普拉斯积分定理以及变形，得到以下表达式：

7.一种电流源型变频器电网电压观测装置，其特征在于，包括：

电压重构模块，用于根据开关函数以及直流侧电压，重构电流源型变频器侧交流输出电压；所述电流源型变频器侧交流输出电压包括：SVPWM调制空间矢量图中六个扇区内的电压；

电网电压观测模块，用于将所述电流源型变频器侧交流输出电压转换到αβ坐标系中，并代入到预先建立的电流源型变频器的数学模型中，得到电网电压观测算式；

等价变换模块，用于对所述电网电压观测算式进行等价变换，以方便电网电压的观测；

所述等价变换模块还用于：

删除影响很小的滤波电感的内阻R_L，得到以下表达式：

其中，e_α,e_β为电网电压在αβ坐标系下的分量；u_Cα,u_Cβ为滤波电容电压在αβ坐标系下的分量；L_f为滤波电感的感值；i_sα,i_sβ为电网电流在αβ坐标系下的分量；ω_s为电网角频率。

8.一种电流源型变频器电网电压观测系统，其特征在于，包括：微处理器以及三相电流源型变频器；

所述微处理器包括权利要求7所述的电流源型变频器电网电压观测装置；

所述微处理器与所述三相电流源型变频器连接。

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