CN108322069A - 一种三相电流源型电源与负载一体化控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相电流源型电源与负载一体化控制系统。该系统包括：电流源型三相桥、驱动电路、电压与电流检测单元、A/D转换单元和主控单元；所述电压与电流检测单元采集电流源型三相桥中交流母线的两相电压信号及直流母线的电流信号；所述A/D转换单元将采集到的电压与电流模拟信号转换成数字信号，串行输送至主控单元；主控单元采用DSP芯片，根据采集到的电压、电流信号及控制要求产生PWM波，用以控制开关管通断。本系统采用等价电压矢量控制直流电感的瞬时电流数值的方法来代替传统的电流矢量控制策略，该方法具有较多优点：根据直流侧的电压，可以进行直流侧电流的瞬时控制，此控制方式下的电流控制只需要直流侧的电流传感器。

Description

一种三相电流源型电源与负载一体化控制系统
技术领域
本发明涉及一种新的三相电流源型电源与负载一体化控制系统。
背景技术
直流电源和负载装置是一种实现能源转化与多样化应用的核心装置，广泛应用于各行各业，从电源适配器、开关稳压电源到直流输配电系统都无处不在。随着电力电子与控制技术的飞速发展，对于直流电源与负载的功能要求开始多样化、特性要求也越来越高，特别是高性能的直流电源系统和电子负载系统的需求越来越广，既可作为直流电源也可以作为电子负载的系统称之为电源与负载一体化系统。
传统的三相电流源型电源与负载一体化控制系统，通过控制三相桥开关管的通断，产生所需要的电流矢量，从而控制输出电流。其存在的问题在于直流电流比较小或者直流电流不连续，特别是接近零时，计算误差比较大，电流控制容易发生共振。并且，为了测量交流侧电流，最低需要两个电流传感器。由于直流电感L比较小，开关ON/OFF时电流也会发生变化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种新的三相电流源型电源与负载一体化控制系统。控制系统的结构如图1所示。该系统采用一个电流传感器测量直流侧电流，可实现直流侧电流的瞬时控制，而且电流环稳定，输出电压控制稳定。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及的一种三相电流源型电源与负载一体化控制系统，该系统如图1所示。该系统包括①电流源型三相桥、②驱动电路、③电压与电流检测单元、④A/D转换单元和⑤主控单元。所述电压与电流检测单元采集电流源型三相桥中交流母线的两相电压信号及直流母线的电流信号；所述A/D转换单元将电压与电流检测单元采集到的电压与电流模拟信号转换成数字信号，串行输送至主控单元；主控单元采用DSP芯片，根据采集到的电压、电流信号及控制要求产生PWM波，用以控制开关管通断。
当系统工作在整流模式时，主控单元将电流源型三相桥等效为buck电路，通过检测直流侧电流并进行控制，来实现整流模式的稳定运行，使输出直流电压稳定；当系统工作在逆变模式时，主控单元将电流源型三相桥等效为boost电路，通过检测直流侧电流并进行控制，来实现逆变模式的稳定运行，使能量回馈到电网。
主控单元采用由等价电压矢量来控制直流电感L电流瞬时值的占空比计算方法来代替传统电流矢量方法，通过电压矢量产生PWM波，对开关管进行控制。
所述的电流检测元件为电流传感器。
所述的电压检测元件为电压传感器。
所述的电流源型三相桥为六个电力电子开关及电感、电容组成的三相全桥电路。
所述的A/D采样单元采用LTC1403串行模数转换器。
所述的主控单元采用DSP芯片TMS320F28335。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、直流电感L的电流瞬时反馈控制响应快，电流环稳定；
2、作为电流控制，只需要一个电流传感器；
3、输出电压控制稳定；
附图说明
图1为控制系统结构示意图；
图2为三相电流型双向变换器拓扑结构；
图3为电压空间矢量图；
图4为电流空间矢量图；
图5为开关ON、OFF与电压空间矢量的对应关系；
图6为系统在整流模式时的等价电路；
图7为整流模式时开关在一个周期内开关状态下电感的电流；
图8为系统在逆变模式时的等价电路；
图9为逆变模式时开关在一个周期内开关状态下电感的电流；
图10为系统控制框图；
具体实施方式
一种三相电流源型电源与负载一体化控制系统，包括：①电流源型三相桥、②驱动电路、③电压与电流检测单元、④A/D转换单元和⑤主控单元。所述电压与电流检测单元采集电流源型三相桥中交流母线的两相电压信号及直流母线的电流信号，将采集到的两路电压信号以及一路电流信号通过A/D转换单元，转换为数字信号，通过串行通信传递给主控单元。主控单元将电流源型三相桥等效为buck/boost电路，采用由等价电压矢量来控制直流电感L电流瞬时值的占空比计算方法来代替传统电流矢量方法，通过电压矢量产生PWM波，对开关管进行控制。
三相电流源型PWM变换器拓扑结构如图2所示。根据交流开关ON/OFF，交流侧的电压加在直流电感L两端。从交流侧来看，此电压是根据ON/OFF的开关生成的6个电压矢量，如图3所示。可以看到，图3的电压矢量与图4的电流区间矢量完全一致。图5为变换器开关ON/OFF和电压空间矢量的对应关系。通过分析可知：
1、与区间任意电流矢量的生成相同，也可以生成任意区间的电压矢量；
2、根据此电压矢量，可以得到直流侧任意大小的电压；
3、根据直流侧的电压，可以进行直流侧电流的瞬时控制。根据直流电流的控制，实现交流侧电流的控制；
4、根据交流电压的相位，进行交流电流的相位控制；
因此，可以采用由等价电压矢量来控制直流电感L电流瞬时值的占空比计算方法来代替电流矢量方法。 a)系统工作在整流模式时
当系统为整流模式时，其等价电路为如图6所示。由拓扑结构以及整流模式的工作原理可知，AC/DC 电流型变换器、直流电感Ldc、负载等构成了基本的buck电路，此时能量由电网侧向直流侧传输。交流电压根据三相电流型变换器开关管的PWM动作矢量合成与直流电源Vs等效。负载侧与直流电容等价。S与三相电流型变换器的6个有效开关矢量状态形成等价关系。D一部分作为与三相电流型变换器的6个开关形成三个零状态等价关系，也可以看作为主电路续流通路形成的等价关系。对直流电感电流iL进行控制由输出电压Vdc以及电流iL的控制来实现。
根据Buck电路，电感的Ldc的电流与开关状态的关系如图7所示。
开关开通时：
式中：Vs为等效电压
TON＝TS-TOFF (3)
开关关断时：
由公式(1)(3)(4)可得
式中：m为占空比；Ts为开关周期
若i3作为电流给定数值i*,则占空比为：
利用PI控制器时，可得空间矢量控制的占空比为
而空间矢量控制的极角计算公式为
wt*＝wt (8)
式中：wt*为交流电流控制的角度指令值；wt为电压空间矢量角度值
而在忽略输入电阻和变流器损耗的情况下，由于为了实现单位功率因数，在电流型空间矢量变换中总是将q轴的电流控制为零。那么由功率平衡可以得到
式中：vsd为d轴的电压瞬态量，稳态时为三相电源电压的峰值；isd为d轴的电流瞬态量，稳态为合成的旋转电流的峰值
由此当系统在电流模式时，以电压量为计算的方式来实现电流矢量控制，也即三相电流型变换器可以根据上述的方法实现空间矢量控制。
b)系统工作在逆变模式时
当系统为逆变模式时，其等价电路为如图8所示。AC/DC电流型变换器、直流电感Ldc、负载等构成了基本的boost电路，此时能量由直流侧向电网侧回馈。根据boost电路，可得电感Ldc的电流波形与开关S状态关系如图9所示。
开关开通时：
开关关断时：
由公式(11)(12)可得
式中：m为占空比；Ts为开关周期
由于输出端的电流传感器是固定的，则电流指令与通过传感器得到的反馈数值(13)相反，所以经过方向符号处理后，得到电流型空间矢量的占空比公式。
同电源模式相同，系统在负载模式下通过PI控制器得到空间矢量控制的占空比计算公式为
而空间矢量控制的极角计算公式为
wt*＝wt+π (16)
式中：wt*为交流电流控制的角度指令值；wt为电压空间矢量角度值。
电源模式与负载模式选取由下式来确定：
系统控制框图如图10所示。
当系统处于整流模式时，控制策略如下：
根据式(17)，f(i* dc0)将切换至1处。此时，三相电流型变换器可以等效为一个buck电路，其控制信号PWM占空比计算和相位角计算如前文分析，其计算框图如图中(b)(c)部分所示。电流指令值如图中 (a)部分所示，根据此部分电流指令值的特点可以设计系统功能，如恒压、恒流或者I-V模拟等。
当系统处于逆变模式时，控制策略如下：
根据式(17)，f(i* dc0)将切换至2处。此时，三相电流型变换器可以等效为一个boost电路，其控制信号的PWM占空比计算和相位角计算如前文分析，其计算框图如图中(b)(c)部分所示，与整流模式区别的是其相位角超前180度。电流指令值如图中(a)部分所示，根据此部分电流指令值的特点可以设计系统功能，如恒压、恒流等。

Claims (3)

1.一种三相电流源型电源与负载一体化控制系统，其特征在于：包括电流源型三相桥、驱动电路、电压与电流检测单元、A/D转换单元和主控单元；所述电压与电流检测单元为两个交流电压传感器和一个直流电流传感器，采集电流源型三相桥中交流母线的两相电压信号及直流母线的电流信号；所述A/D转换单元采用LTC1403串行模数转换器，将电压、电流模拟信号转换成数字信号，串行输送至主控单元；所述主控单元采用DSP芯片TMS320F28335，根据采集到的电压、电流信号及控制要求产生PWM波，通过驱动电路进行功率放大，然后用以控制开关管通断。
2.根据权利1所述的三相电流源型电源与负载一体化控制系统，其特征在于：所述主控单元将所述电流源型三相桥等效为buck/boost电路，进行电流闭环控制。
3.根据权利1所述的三相电流源型电源与负载一体化控制系统，其特征在于：所述主控单元采用由等价电压矢量来控制直流电感L电流瞬时值的方法来代替传统电流矢量方法，通过电压矢量产生PWM波，对开关管进行控制。
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