CN108282097B - 背靠背式无电解电容变频调速系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种背靠背式无电解电容变频调速系统及方法，该系统包括：整流环节、直流母线环节和逆变环节，以及对直流母线两侧进行功率跟踪达到功率平衡的PTC控制器，整流环节和逆变环节分别位于所述直流母线环节的两侧，所述整流环节包括用以吸收高频纹波的小容量的薄膜电容。本发明针对整流侧与逆变侧功率强烈耦合引起的系统不稳定问题，提出一体化功率控制策略及一种新型的功率跟踪控制器，从而减少直流母线薄膜电容能量应力，实现了功率的动态平衡和解耦控制。能够抑制直流侧电压谐波含量，有效改善电网侧输入电流波形质量，提高功率因数。

Description

背靠背式无电解电容变频调速系统及方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种整流逆变控制中基于PTC功率一体化控制的背靠背式无电解电容变频调速系统及方法。
背景技术
早期的变频器指的是由相控器件(晶闸管)组成的传统的交-交变频器(图2-1所示)，由于不需要直流环节，因此系统中没有滤波电解电容，通过对晶闸管的触发角连续进行交变的相位调制，将输入交流电压变换为频率可变的输出电压，以实现变频的目的。采用该结构的系统由于使用了半控型器件，难以实现较复杂的控制，并且无法输出高于输入电源频率的电压、输入功率因数较低，一般适用于大功率等级的低速传动，不适合在宽调速范围的系统中使用。
随着电力电子技术的进一步发展，全控型开关器件开始出现。有学者开始将门极可关断晶闸管(GTO)应用到变频调速电路中，形成了一种控制性能更强的变频拓扑(图2-2所示)。该拓扑属于交-直-交的结构，采用了电流型逆变电路，直流环节不需要进行稳压，因此直流母线也不需要大容量电解电容，并且由于有了直流环节，变频器输出频率不再受电网频率的制约，调高了变频器的调速范围。该拓扑的主要缺点为：后级逆变侧的GTO需要进行强迫换流，系统设计较为复杂，并且前级采用晶闸管移相整流，电网侧电流谐波含量大污染电网，适用于一些对输入功率因数要求较低的应用领域。
矩阵变换器是另外一类适用于变频器的无电解电容拓扑(图2-3所示)，最早由LGyugyi和B R Pelly提出，M Venturini等人在1979年对该电力电子变换技术的可行性进行了论证。随后的发展过程中，该技术也引起了国内学者的关注，并取得了一定的成绩。比如，上海大学的陈伯时等人在1998年采用PWM调制技术和四步换流策略制造出了矩阵变换器的样机。项目申请人及其合作者也进行了该方面的研究，并于2002年采用基于双电压闭环控制的方法实现了矩阵变换器的电压闭环控制。传统三输入三输出矩阵变换器可以将输入电压变换为所需幅值和频率的交流电压，并可以实现对功率因数的控制。但由于系统中需要采用普通开关管组合出双向可控开关，所用电力电子器件较多、控制策略比较复杂，难以在变频调速系统中得到广泛使用。
日本学者在2003年提出了一种单相电网供电条件下的无电解电容的变频器拓扑(图2-4所示)，并将其应用到了空调压缩机变频调速系统中。在该拓扑的整流环节，没有采用大容量的电解电容进行滤波，只采用了一个小容量的薄膜电容来吸收高频纹波。由于不含大容量滤波电解电容，该拓扑具有体积小、成本低、使用寿命长等优点，并通过有效的控制策略，可以在一定程度上提高系统输入功率因数。
另外，为了在电网电压跌落时，满足电机的调速需求，有研究者对图4所示的单相输入的无电解电容变频调速系统进行了改进，将单级升压逆变技术应用到了单相无电解电容变频调速系统中，利用1个抽头电感和2个二极管构成无源网络，并结合三相逆变桥组合成抽头电感单级升压逆变器(图2-5所示)，通过调节直通占空比和抽头电感的位置，实现抗电网电压跌落、母线脉动抑制和提高输入功率因数的功能。
单相输入的无电解电容变频调速系统由于直流母线只采用了很小的薄膜电容来吸收高频分量，直流母线电压存在大幅度的波动，使得电机转矩产生了2倍电网频率的波动，压缩机运行效果较差、噪音较大，电网侧输入电流仍然存在较大畸变。该类拓扑结构简单，制造成本低，适用于中小功率且对电机调速性能要求较低的系统中。
三相无电解电容变频调速系统较单相而言适用的功率等级更大，效率更高。对三相系统降电容技术的研究可分为不控整流型和全控型整流型两种。
不控整流型系统同样通过牺牲电机的调速性能实现降电容控制，其控制算法简单、易于实现、成本较低。该拓扑缺点是只能通过对后级逆变电路的功率调节来间接实现电网电流的控制，但是由于整流二极管的单向工作特性及逆变电路的功率限制，导致逆变电路的功率调节无法完全满足对电网电流的控制需求。
发明内容
本发明针对整流侧与逆变侧功率强烈耦合引起的系统不稳定问题，提供一种基于PTC功率一体化控制的背靠背式无电解电容变频调速系统及方法，通过有效的一体化功率控制策略，减少直流母线薄膜电容能量应力，实现功率的动态平衡和解耦控制，能够抑制直流侧电压谐波含量，有效改善电网侧输入电流波形质量，提高功率因数，可以在一定程度上提高系统的功率传输效率。
为实现上述目的，本发明是这样实现的，本发明提供的一种背靠背式无电解电容变频调速系统，包括：整流环节、直流母线环节和逆变环节，以及对所述直流母线两侧进行功率跟踪达到功率平衡的PTC控制器，所述整流环节和逆变环节分别位于所述直流母线环节的两侧，所述整流环节包括用以吸收高频纹波的小容量的薄膜电容。
其中，所述直流母线等效功率作为逆变侧的功率参考、整流侧的功率前馈，通过功率跟踪达到直流母线两侧的功率平衡。
本发明还提出一种背靠背式无电解电容变频调速方法，包括以下步骤：
根据传统变频调速系统，进行无电解电容变频调速系统分析，推导计算稳定运行的最小直流母线电容值；
根据推导的无电解电容变频调速系统搭建无电解电容变频调速仿真模型并进行仿真实验；
根据获得的仿真结果及分析，建立PTC功率控制器，推导基于PTC的一体化功率控制数学模型；
搭建基于PTC功率一体化的仿真模型，在不同功率及不同工况下进行仿真，将基于PTC功率控制器应用于无电解电容变频调速仿真模型进行功率跟踪控制。
本发明的有益效果是：
本发明针对整流侧与逆变侧功率强烈耦合引起的系统不稳定问题，提出一体化功率控制策略及一种功率跟踪控制器(power tracking controller(PTC))，从而减少直流母线薄膜电容能量应力，实现了功率的动态平衡和解耦控制。能够抑制直流侧电压谐波含量，有效改善电网侧输入电流波形质量，提高功率因数。
在背靠背式变频调速系统拓扑的整流环节，没有采用大容量的电解电容进行滤波，只采用了一个小容量的薄膜电容来吸收高频纹波。由于不含大容量滤波电解电容，该拓扑具有体积小、成本低、使用寿命长，功率密度高等优点，并通过有效的控制策略，可以在一定程度上提高系统的功率传输效率。
附图说明
图1是本发明背靠背式变频调速系统主拓扑图；
图2-1是传统的三相晶闸管交交变频电路示意图；
图2-2是传统的电流型全控交-直-交变频电路示意图；
图2-3是传统的矩阵变换器电路示意图；
图2-4是传统的单相输入的无电解电容变频调速系统示意图；
图2-5是传统的无电解电容的抽头电感单级升压逆变器示意图；
图3是基于传统控制策略的电压电流波形；
图4是PTC控制器的波特图；
图5是功率一体化策略控制框图；
图6是功率一体化策略下相关波形图；
图7是不同控制策略下直流母线谐波分析示意图；
图8是本发明背靠背式无电解电容变频调速方法的流程示意图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种背靠背式无电解电容变频调速系统，包括：整流环节、直流母线环节和逆变环节，以及对所述直流母线两侧进行功率跟踪达到功率平衡的PTC控制器，所述整流环节和逆变环节分别位于所述直流母线环节的两侧，所述整流环节包括用以吸收高频纹波的小容量的薄膜电容。
本发明针对传统的整流逆变控制方法进行了改进,提出了功率一体化的概念及架构，并提出一种功率控制器。通过功率跟踪达到直流母线两侧的功率平衡，实现对流动的能量的快速响应，达到降低直流母线储能的目的。
具体地，本发明考虑到，在背靠背式无电解电容变频调速系统中，直流母线环节不再含大容量的电解电容，只是采用了较小容量的薄膜电容来代替，由于没有大能量存储元件，直流环节电压会产生电压频率的6倍的波动频率。直流环节电压纹波引起两个问题：一是，为了完全控制合成输出电压，输出电压的包络必须完全包含在直流环节电压的连续的包络内，输入和输出电流的谐波分量将会增加，会导致负载侧产生低阶谐波，从而引起负载的转矩脉动，影响调速系统运行；二是，直流母线电容较小，整流侧与逆变侧功率强烈耦合引起的系统不稳定。
本发明针对整流侧与逆变侧功率强烈耦合引起的系统不稳定问题，提出一体化功率控制策略及一种功率跟踪控制器(power tracking controller(PTC))。从而减少直流母线薄膜电容能量应力，实现了功率的动态平衡和解耦控制。能够抑制直流侧电压谐波含量，有效改善电网侧输入电流波形质量，提高功率因数。
本发明以背靠背式无电解电容变频调速系统为背景，主要针对无电解电容系统功率一体化控制策略展开深入阐述。图1为背靠背式变频调速系统拓扑图。如图1所示，本发明背靠背式无电解电容变频系统电路主要包括：整流环节、直流母线环节和逆变环节。其中，在该拓扑的整流环节，没有采用大容量的电解电容进行滤波，只采用了一个小容量的薄膜电容来吸收高频纹波。由于不含大容量滤波电解电容，该拓扑具有体积小、成本低、使用寿命长，功率密度高等优点，并通过有效的控制策略，可以在一定程度上提高系统的功率传输效率。
图3为基于传统控制策略的电压电流波形，传统控制策略无法解决整流侧和逆变侧功率强耦合的问题，由于直流母线上没有大容量储能元件，直流母线电压会在直流的基础上叠加六倍电网频率的波动。传统PWM整流控制虽然极大减小了直流母线电压脉动，但却不能对系统的中会含有6倍电网频率的交流分量交流功率分量有效跟踪，实现系统能量波动的快速响应。输入电流畸变，功率因数降低，影响系统的运行。
在整流侧，根据能量守恒关系可推导：
pcon＝pinv+ploss+pc (1)
其中，pcon为整流侧输入功率瞬时值，pinv为逆变侧输入功率，ploss为整流环节的功率损失，pc为电容瞬时功率，假设薄膜电容储能较小，pc及ploss忽略不计。
pcon＝pdc＝pinv (2)
pdc＝vdc·icon (3)
pcon＝vd·id+vq·iq (4)
在功率前馈中不引入直流母线电流，通过直流母线电压等效出负载功率避免重复引入纹波电流高次谐波：
Figure GDA0002499552590000061
在逆变侧，给定功率
Figure GDA0002499552590000062
为逆变输入功率pinv与速度环输出的乘积，电机的机械功率pm与转矩Te和转速ωe的乘积成比例关系。因此逆变器反馈功率pfdb可以等效为电机的机械功率pm与铜损pcu相加。则有：
pfdb＝pcu+pm＝(i2 d+i2 q)Rs+2/3·pnψfiqωe (6)
其中：
pm＝3/2·pnψfiqωe (7)
pcu＝(i2 d+i2 q)Rs (8)
本发明为了减少直流母线薄膜电容能量应力，实现功率的动态平衡和解耦控制，以直流母线功率为纽带，提出了一种可以对整流-逆变功率同步跟踪的功率控制器(PTC)，保证了对功率可靠跟踪。并提出功率一体化控制策略，将复杂的整流-直流母线-逆变控制环节等效为一个能量守恒的整体，以实现快速控制能量流动，达到能量平衡。
Figure GDA0002499552590000063
Figure GDA0002499552590000064
Figure GDA0002499552590000065
G2(S)＝2krωc(s2+λs) (12)
Figure GDA0002499552590000066
式中k1——低通增益常数；λ——惯性系数；kp——比例增益；kr——谐振增益；ω0——谐振频率；ωc——截止频率。当λ＝0.01，截止频率ωc＝0.1、1、10rad/min时，传递函数GPTC(S)的波特图如图3(a)所示，当ωc＝1rad/min时，λ＝0.01、0.1、1时，传递函数GPTC(S)的波特图如图3(b)所示：
由图4(a)可得，随ωc增大，相角上升缓慢，超前及滞后90度时间变长。增益幅值减小、频带变宽，系统对输入的信号频率敏感度减小。由图4(b)可得，随λ增加，低频段增益减小，相角在低频段衰减减弱，对输入信号频率敏感度减小。
图5为基于PTC控制器的功率一体化控制框图，将直流母线等效功率作为逆变侧的功率参考、整流侧的功率前馈，通过功率跟踪达到直流母线两侧的功率平衡，快速对流动的能量进行响应，达到降低直流母线储能的目的。
图6为采用功率一体化策略下的电压、电流及分析示意图，其中，a)为直流母线电压、b)为三相输入电压电流波形，c)为传统控制策略的输入电流FFT分析，d)为功率一体化策略下的三相输入电流FFT分析。
由图6(a)可以看出直流母线电压波动得到进一步改善，因此降低了直流母线电容的储能应力，进一步保证了系统的稳定性，图(b)、(c)、(d)可以看出相对于传统的功率控制，一体化功率控制策略下网侧输入电流THD进一步减小，并对7、11次谐波进行了有效地抑制。
此外，针对一体化功率控制策略对直流母线电流进行了对比分析，其FFT分析结果如图7所示，图7是不同控制策略下直流母线谐波分析示意图。其中，(a)为传统控制策略直流母线电流谐波分析，(b)为一体化控制策略直流母线电流谐波分析示意图。
传统控制策略无法解决整流侧和逆变侧功率强耦合的问题，由于直流母线上没有大容量储能元件，直流母线电压会在直流的基础上叠加六倍电网频率的波动。传统PWM整流控制虽然极大减小了直流母线电压脉动，但却不能对系统的中会含有6倍电网频率的交流分量交流功率分量有效跟踪，实现系统能量波动的快速响应。输入电流畸变，功率因数降低，影响系统的运行。
本发明为了减少直流母线薄膜电容能量应力，实现功率的动态平衡和解耦控制，以直流母线功率为纽带，提出了一种可以对整流-逆变功率同步跟踪的功率控制器(PTC)，保证了对功率可靠跟踪。并提出功率一体化控制策略，将复杂的整流-直流母线-逆变控制环节等效为一个能量守恒的整体，以实现快速控制能量流动，达到能量平衡。
如图8所示，本发明提出一种背靠背式无电解电容变频调速方法，包括以下步骤：
S1，根据传统变频调速系统，进行无电解电容变频调速系统分析，推导计算稳定运行的最小直流母线电容值；
S2，根据推导的无电解电容变频调速系统搭建无电解电容变频调速仿真模型并进行仿真实验；
S3，根据获得的仿真结果及分析，建立PTC功率控制器，推导基于PTC的一体化功率控制数学模型；
S4，搭建基于PTC功率一体化的仿真模型，在不同功率及不同工况下进行仿真，将基于PTC功率控制器应用于无电解电容变频调速仿真模型进行功率跟踪控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种背靠背式无电解电容变频调速系统，其特征在于，包括：整流环节、直流母线环节和逆变环节，以及对所述直流母线两侧进行功率跟踪达到功率平衡的功率跟踪控制器，所述整流环节和逆变环节分别位于所述直流母线环节的两侧，所述整流环节包括用以吸收高频纹波的小容量的薄膜电容；
所述直流母线等效功率作为逆变侧的功率参考、整流侧的功率前馈，通过功率跟踪达到直流母线两侧的功率平衡。
2.一种背靠背式无电解电容变频调速方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据变频调速系统，进行无电解电容变频调速系统分析，推导计算稳定运行的最小直流母线电容值；
根据推导的无电解电容变频调速系统搭建无电解电容变频调速仿真模型并进行仿真实验；
根据获得的仿真结果及分析，建立功率跟踪控制器，推导基于PTC的一体化功率控制数学模型；
搭建基于PTC功率一体化的仿真模型，在不同功率及不同工况下进行仿真，将基于功率跟踪控制器应用于无电解电容变频调速仿真模型进行功率跟踪控制；
所述将基于功率跟踪控制器应用于无电解电容变频调速仿真模型进行功率跟踪控制的步骤包括：
将直流母线等效功率作为逆变侧的功率参考、整流侧的功率前馈，通过功率跟踪达到直流母线两侧的功率平衡。
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