CN107453616A - 基于双pwm协调控制能量快速平衡的调整电路 - Google Patents

基于双pwm协调控制能量快速平衡的调整电路 Download PDF

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Abstract

基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路，包括直流母线电压约束模块、电容功率估算模块、网侧电流d轴分量约束模块、有功功率指令值矫正模块、有功功率误差控制模块、无功功率误差控制模块、系统功率控制模块和IGBT模块。本发明有益效果：采用本发明电路，可以实现当系统输出能量与消耗能量不平衡时造成的直流母线电压波动以及输出功率不匹配时保证系统能量能够平滑变化，对整流器电压外环以及功率内环进行修正，以实现整流侧输出能量与逆变侧消耗能量的快速平衡，达到双PWM结构间协调控制的目的。

Description

基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路
技术领域
本发明属于变频器领域，具体涉及基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路。
背景技术
在传统双PWM控制结构中，双PWM控制结构中的能量可分为四个部分：网侧滤波电感中储存的能量，网侧电阻的耗能，直流侧电容存储的能量以及负载侧电机的耗能，若系统处于稳态，则系统输入能量与输出能量平衡，且这种平衡关系能够适用于系统大部分时间。但对于交-直-交变频调速控制系统而言，交流电机经常会出现负载突变的情况，此时系统不再是稳态，同时需要一定的时间进行调节恢复至稳态。所以使系统从变化时刻快速恢复至稳定时刻是必要的。根据电机负载能量与直流母侧电容能量变化（逆变侧能量的变化）与网侧输出能量与电阻耗能、电感能量的变化（整流侧能量的变化）得到系统能量变化关系，并求得约束条件，根据该约束条件对整流器电压外环和功率内环进行快速修正以达到系统能量平滑调节的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路，解决目前系统输出能量与消耗能量不平衡时造成的直流母线电压波动的问题，保证输出功率不匹配时系统能量能够平滑变化。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路，包括直流母线电压约束模块、电容功率估算模块、网侧电流d轴分量约束模块、有功功率指令值矫正模块、有功功率误差控制模块、无功功率误差控制模块、系统功率控制模块和IGBT模块，
其中，所述直流母线电压约束模块对直流母线电压实际值U dc 进行约束，经过约束后直流母线电压实际值U dc 经A/D转换后与直流母线电压指令值U * dc 做差，将差值分别传递给PI控制器和电容功率估算模块，PI控制器运算输出有功功率误差值至有功功率指令值矫正模块；
所述电容功率估算模块将接收的差值和直流母线电压指令值U * dc 进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电容功率，将所得电容功率输入至有功功率指令值矫正模块；
所述网侧电流d轴分量约束模块对网侧电流d轴分量i d 进行约束，经过约束的网侧电流d轴分量i d 与d轴分量指令值i * d 做差，差值与i * d 进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电感功率，并将该电感功率输入给有功功率指令值矫正模块；
所述有功功率指令值矫正模块将接收到的有功功率误差值、电容功率以及电感功率与逆变器输出的负载功率P load 计算得到整流器输出有功功率指令值P * ，并将P * 输入给有功功率误差控制模块；
所述有功功率误差控制模块将接收到的P * 与整流器输出的有功功率值P进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的d轴分量V d ，并将V d 传递给系统功率控制模块中的SVPWM模块；
所述无功功率误差控制模块根据整流器输出无功功率值Q和整流器输出无功功率指令值Q * 进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块中的另一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的q轴分量V q ，并将V q 传递给系统功率控制模块中的SVPWM模块；
所述系统功率控制模块中的SVPWM模块根据接收的数据进行运算，并输出六桥臂功率器件开关信号S a 、S b 、S c 、S’ a 、S ’ b 、S ’ c 至IGBT模块，进而控制IGBT模块输出经过功率补偿后的直流母线电压值U ’ dc ，并根据U ’ dc 控制整流器功率开关器件。
本发明所述直流母线电压约束模块对直流母线电压实际值U dc 的约束方法为使直流母线电压U dc 满足的约束条件，其中T s 为系统采样周期，i load 为负载电流，C dc 为直流母线电容值。
本发明所述网侧电流d轴分量约束模块对网侧电流d轴分量i d 的约束条件为，其中，e d 为网侧电压，L g 为网侧滤波电感值，M为常量，T s 为系统采样周期，i load 为负载电流，C dc 为直流母线电容值。
本发明的有益效果是：采用本发明电路，可以实现当系统输出能量与消耗能量不平衡时造成的直流母线电压波动以及输出功率不匹配时保证系统能量能够平滑变化，对整流器电压外环以及功率内环进行修正，以实现整流侧输出能量与逆变侧消耗能量的快速平衡，达到双PWM结构间协调控制的目的。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的调整原理图；
图3为实施例不采用本发明方法时的直流母线电压变化图；
图4为实施例采用本发明方法时的直流母线电压变化图；
图5为实施例采用本发明方法时网侧a相电流电压的变化图；
图6为实施例采用本发明方法时系统功率因数变化图；
图7为实施例未采用本发明方法时双PWM直流母线电压波动图；
图8为实施例采用采用本发明方法时双PWM直流母线电压波动图；
图9为实施例未采用本发明方法转矩升至40N.m时的直流母线电压波动图；
图10为实施例采用本发明方法时转矩升至40N.m时的直流母线电压波动图；
图11为实施例采用本发明方法电机转子磁链波动图；
图12为实施例采用本发明方法转矩电流波动图；
图13为实施例采用本发明方法励磁电流波动图；
图14为实施例采用本发明方法电机转速波动图。
图中标记：1、直流母线电压约束模块，2、电容功率估算模块，3、网侧电流d轴分量约束模块，4、有功功率指令值矫正模块，5、有功功率误差控制模块，6、无功功率误差控制模块，7、系统功率控制模块，8、IGBT模块。
具体实施方式
如图所示，基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路，包括直流母线电压约束模块1、电容功率估算模块2、网侧电流d轴分量约束模块3、有功功率指令值矫正模块4、有功功率误差控制模块5、无功功率误差控制模块6、系统功率控制模块7和IGBT模块8，
其中，所述直流母线电压约束模块1对直流母线电压实际值U dc 进行约束，经过约束后直流母线电压实际值U dc 经A/D转换后与直流母线电压指令值U * dc 做差，将差值分别传递给PI控制器和电容功率估算模块2，PI控制器运算输出有功功率误差值至有功功率指令值矫正模块4；
所述电容功率估算模块2将接收的差值和直流母线电压指令值U * dc 进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电容功率，将所得电容功率输入至有功功率指令值矫正模块4；
所述网侧电流d轴分量约束模块3对网侧电流d轴分量i d 进行约束，经过约束的网侧电流d轴分量i d 与d轴分量指令值i * d 做差，差值与i * d 进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电感功率，并将该电感功率输入给有功功率指令值矫正模块4；
所述有功功率指令值矫正模块4将接收到的有功功率误差值、电容功率以及电感功率与逆变器输出的负载功率P load 计算得到整流器输出有功功率指令值P * ，并将P * 输入给有功功率误差控制模块5；
所述有功功率误差控制模块5将接收到的P * 与整流器输出的有功功率值P进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块7内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的d轴分量V d ，并将V d 传递给系统功率控制模块7中的SVPWM模块；
所述无功功率误差控制模块6根据整流器输出无功功率值Q和整流器输出无功功率指令值Q * 进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块7中的另一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的q轴分量V q ，并将V q 传递给系统功率控制模块7中的SVPWM模块；
所述系统功率控制模块7中的SVPWM模块根据接收的数据进行运算，并输出六桥臂功率器件开关信号S a 、S b 、S c 、S’ a 、S ’ b 、S ’ c 至IGBT模块8，进而控制IGBT模块8输出经过功率补偿后的直流母线电压值U ’ dc ，并根据U ’ dc 控制整流器功率开关器件。
进一步，所述直流母线电压约束模块1对直流母线电压实际值U dc 的约束方法为使直流母线电压U dc 满足的约束条件，其中T s 为系统采样周期，i load 为负载电流，C dc 为直流母线电容值。
进一步，所述网侧电流d轴分量约束模块3对网侧电流d轴分量i d 的约束条件为，其中，e d 为网侧电压，L g 为网侧滤波电感值，M为常量，T s 为系统采样周期，i load 为负载电流，C dc 为直流母线电容值。
进一步，所述电容功率估算模块2计算得到每周期系统需补偿的电容功率的计算公式为，其中为直流母线电容值，为直流母线电压指令值，为直流母线电压实际值，为系统调节周期个数，为系统采样周期。
进一步，所述每周期系统需补偿的电感功率的计算公式为，其中为网侧滤波电感感值，为网侧电流d轴分量指令值，为网侧电流d轴实际输出值，为系统调节周期个数，为系统采样周期。
本发明的工作过程为：首先在系统处于稳态时，系统输入能量与输出能量平衡，即网侧输出的能量全部被网侧电阻和负载电机吸收，但在交-直-交变频调速控制系统中，交流电机出现负载突变以及其他导致能量不平衡情况时，系统不再是稳态，系统需要一定得时间进行调节恢复至稳态。其次由于负载突变，导致系统能量不平衡，期望系统在调节状态时，能量能够以平滑、稳定的状态增加或者减少使系统恢复至稳态，这样能够减少直流母线电压的波动，本发明通过网侧电流d轴分量约束模块对网侧电流d轴分量进行约束、直流母线电压约束模块1对直流母线电压实际值U dc 进行约束，在这两个约束条件下，整流侧及逆变侧的变化最小，对电压外环功率内环进行修正，在系统接近稳态时，整流器输出电流接近稳态，整流器输出功率接近负载功率，但电压外环调节仍处于调节状态。可提高电压值逼近约束条件，在系统能量不平衡的基础上建立约束条件使电机功率突变前后能量以平滑的方式进行调整，从而达到抑制直流母线电压波动、减少谐波分量的目的。
实施例
在Simulink仿真平台上搭建双PWM仿真模型。仿真参数设置：整流器相电压有效值220V，网侧电感L g =15mH，直流侧电容C dc =8000uF，直流母线电压指令值 u dc * =700V，采样频率f=5000Hz，逆变器输出频率50Hz，三相异步电机容量5000VA，，采样频率帆f 1 =5000Hz，转子电感L r =0.002H，转子电阻R r =0.816Ω，定子电感L s =0.002H，定子电阻R s =0.435Ω，电动机转速指令值800rad/s，磁链指令值1。
由于双PWM控制结构可以分为整流侧和逆变侧两部分，为了验证仿真的准确性，所以首先用电阻替代逆变侧的电机和逆变器验证在本发明约束条件下，对PWM整流器功率内环和电压外环的修正的有效性，然后将电阻替换成为逆变器和电机构成双PWM结构进行仿真实验，验证系统整体性能。
对比分析PWM整流器采用直接功率控制时，采用本发明约束条件的系统与不采用约束条件的系统在负载功率变化时的性能。PWM整流器控制结构分为功率内环和电压外环，所以可以在功率内环有功功率控制环节进行修正以及在电压外环对电压进行修正，负载为400Ω电阻，在0.2s时，负载突变为200Ω，如图3、图4所示。
图3为电压外环采用PI控制器并且并未采用本发明约束条件的控制系统，0.2s时负载功率突变，直流母线电压压降约为0.3V，但直流母线电压存在静差难以调节。图4为采用约束条件对电压外环和功率内环进行修正，在0.2s时负载功率突变，直流母线电压压降几乎可以忽略不计，并且不存在静差，系统能够快速回到稳态。
电网侧谐波分量以及功率因数同样是衡量系统性能的一个重要指标，以网侧a相为例，如图5所示。图5中，当系统稳定，网侧电压、电流能够实现同相位，并且在负载功率突变时刻，电压并未出现明显畸变，能够平滑过度，这就说明系统能够实现高功率因数输出，并且谐波分量较小，功率因数如图6所示，由图6可以看出，当系统稳定后，能够实现单位功率因数输出。
根据上述对PWM整流器电阻负载的仿真结果可以说明采用本发明约束条件对系统进行修正是能够消除直流母线电压的静差，抑制直流母线电压的波动，同时能够减少网侧谐波分量。故本发明对双PWM控制结构进行仿真分析，系统在0.4s时，电机转矩突变为20N.m，对比分析采用本发明约束条件的控制系统与不采用约束条件的控制系统性能。
图7、图8为双PWM直流母线电压波动图。根据电压波动图可知，采用约束条件对系统进行修正是能够消除由于电机功率突变导致的静差，但相对于前文所述的纯电阻负载，系统调节时间有所增加。将突变后电机转矩升至40N.m，同时减少系统直流侧电容为2000uF，直流母线电压波动如图9、图10所示。
由图9可知，电机转矩突变为40N.m，同时减少直流侧电容，系统在无修正的情况下，直流母线电压大范围波动；由图10可知，采用本发明约束条件对系统修正，当转矩突变为40N.m，由于减少了直流侧电容，修正参数出现一定误差，造成约为2V的静差，但是系统直流母线电压仍旧能够维持稳态。
无论采用哪种控制方法都能够保证三相异步电机电机的正常运行，但采用本发明约束条件对系统进行修正时，由于三相异步电机类似于阻感负载，直接从直流母线上获得负载电流波动较大。
电机转子磁链波动如图11所示，由图11可知电机转子磁链很快趋于稳态，并且电机转矩变化并未对电机磁链造成影响，三相异步电机可以部分等效为直流电机加以控制。但是由于三相异步电机励磁电流与转矩电流间存在一定的耦合性，所以磁链会存在一定的静差，但对系统影响不大。
励磁电流与转矩电流如图12、图13所示。由图12、图13可知，系统励磁电流很快就趋于常量，建立电机内部磁场，但由于电流间的耦合性，0.2s时，电机转速趋于指令值时，转矩电流突降，励磁电流也会随之受到影响，波形毛刺增多，转子磁链产生静差。
电机转速如图14所示，电机转速约在0.2s时趋于指令值，系统存在约为0.1转的静差可忽略不计；在0.4s时，电机转矩增大，电机转速降约为0.1转也可忽略不计。故在电机功率允许范围内，转矩突变对电机转速的影响不大。

Claims (1)

1.基于双PWM协调控制能量快速平衡的调整电路，其特征在于：包括直流母线电压约束模块（1）、电容功率估算模块（2）、网侧电流d轴分量约束模块（3）、有功功率指令值矫正模块（4）、有功功率误差控制模块（5）、无功功率误差控制模块（6）、系统功率控制模块（7）和IGBT模块（8），
其中，所述直流母线电压约束模块（1）对直流母线电压实际值U dc 进行约束，经过约束后直流母线电压实际值U dc 经A/D转换后与直流母线电压指令值U * dc 做差，将差值分别传递给PI控制器和电容功率估算模块（2），PI控制器运算输出有功功率误差值至有功功率指令值矫正模块（4），所述直流母线电压约束模块（1）对直流母线电压实际值U dc 的约束方法为使直流母线电压U dc 满足的约束条件，其中T s 为系统采样周期，i load 为负载电流，C dc 为直流母线电容值；
所述电容功率估算模块（2）将接收的差值和直流母线电压指令值U * dc 进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电容功率，将所得电容功率输入至有功功率指令值矫正模块（4）；
所述网侧电流d轴分量约束模块（3）对网侧电流d轴分量i d 进行约束，经过约束的网侧电流d轴分量i d 与d轴分量指令值i * d 做差，差值与i * d 进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电感功率，并将该电感功率输入给有功功率指令值矫正模块（4）；所述网侧电流d轴分量约束模块（3）对网侧电流d轴分量i d 的约束条件为，其中，e d 为网侧电压，L g 为网侧滤波电感值，M为常量；
所述有功功率指令值矫正模块（4）将接收到的有功功率误差值、电容功率以及电感功率与逆变器输出的负载功率P load 计算得到整流器输出有功功率指令值P * ，并将P * 输入给有功功率误差控制模块（5）；
所述有功功率误差控制模块（5）将接收到的P * 与整流器输出的有功功率值P进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块（7）内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的d轴分量V d ，并将V d 传递给系统功率控制模块（7）中的SVPWM模块；
所述无功功率误差控制模块（6）根据整流器输出无功功率值Q和整流器输出无功功率指令值Q * 进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块（7）中的另一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的q轴分量V q ，并将V q 传递给系统功率控制模块（7）中的SVPWM模块；
所述系统功率控制模块（7）中的SVPWM模块根据接收的数据进行运算，并输出六桥臂功率器件开关信号S a 、S b 、S c 、S’ a 、S ’ b 、S ’ c 至IGBT模块（8），进而控制IGBT模块（8）输出经过功率补偿后的直流母线电压值U ’ dc ，并根据U ’ dc 控制整流器功率开关器件。
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