CN108599600A - 单相整流器双环控制参数计算方法及计算系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种单相整流器双环控制参数的计算方法和计算系统，该方法适用于采用电压外环和电流内环双环控制的单相整流器控制参数的计算。参数计算系统包括数据采集系统和控制器，采集单相整流器交流输入电流、交流输入电压和直流输出电压，并通过控制器计算电压外环控制参数的计算的电压外环参数和用于电流内环参数计算的电流内环参数。本发明提供的单相整流器双环控制参数计算方法能够在给定系统参数后，快速、准确的计算出电压外环控制和电流内环控制的控制参数，进而在负载变动时，迅速调整控制参数，实现中间直流母线电压的稳定控制，具有较高的负载动态响应性能。

Description

单相整流器双环控制参数计算方法及计算系统

技术领域

本发明涉及电气控制技术领域，尤其涉及一种单相整流器双环控制参数的计算方法及计算系统。

背景技术

单相整流器作为列车供电系统的重要组成部分，是连接供电网与后级设备和负载等的中间桥梁，其性能的好坏对列车的安全、稳定运行至关重要。对单相整流器进行控制时，由于电气波形采样均为单相，因而进行坐标变换和锁相时，与三相系统相比存在一定的困难，尤其在对精度和速度要求较高的场合；另外随着负载的增加，直流母线电压的二次波动会对系统的安全稳定运行以及输入电流品质产生影响。

电压外环、电流内环双环控制方法为单相整流器常用的控制方法，该控制方法采用PI控制器实现控制功能的实现，PI控制参数的选择对于设备运行性能至关重要。

发明内容

本发明的目的在于基于单相整流器的电压外环控制和电流内环控制方法，提供一种单相整流器双环控制参数计算方法及计算系统，该方法可根据控制需求，计算生成电压外环控制参数和电流内环控制参数，在负载变化时迅速做出反应，进而实现直流母线电压的稳定控制。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单相整流器双环控制参数的计算方法，单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流电路的交流输入侧设置有电阻和电感，直流输出侧设置有储能电容，所述双环控制包括电压外环控制和电流内环控制，参数计算方法包括电压外环控制参数计算方法和电流内环控制参数计算方法。

所述电压外环控制参数计算方法包括以下步骤：

PWM整流电路直流侧的输出电压作为电压外环控制的输入，则：

其中，E_C为直流侧电容存储的能量，C为直流侧电容的大小，U_out为直流侧输出的电压；

令则有：

其中P_in表示输入直流母线的功率，P_out表示输出直流母线的功率；

对于单相系统，

其中U_m为输入电压峰值，I_m为输入电流峰值；

对其进行线性化处理，可得：

进一步可得：

其中，表示直流侧电压变化值；表示输入电流峰值变化值；

则，系统开环传递函数为:

进而得到闭环传递函数为：

其中，K_p表示电压外环控制的比例参数，K_I表示电压外环控制的积分参数，ω_n表示系统自然振荡频率，ξ表示系统阻尼；

所述电流内环控制参数的计算方法包括以下步骤：

电流内环的开环传递函数为：

其中，K'_P为电流内环控制的比例控制参数，R为PWM整流电路的输入端线路阻抗，L为PWM整流电路的输入端电感，T_s为PWM 控制的开关周期，τ_i为电路时间常数；

使电流内环控制调节的零点与控制对象传递函数极点相抵消，可得：

同时得到零极点相消后的系统开环传递函数为：

进而得到系统的闭环传递函数：

根据典型1型系统整定法：

其中，为中间变量，无实际意义；

结合电流内环控制调节其的控制函数:

可得：

进而可求解得：

其中，K'_I为电流内环控制的积分控制参数。

作为优选：单相整流器双环控制参数的计算系统，用于单相整流器双环控制参数的计算，其特征在于，包括数据采集系统和控制器，所述数据采集系统采集单相整流器交流输入电流、交流输入电压和直流输出电压，所述控制器包括：用于电压外环控制参数的计算的电压外环参数计算单元和用于电流内环参数计算的电流内环参数计算单元；

所述电压外环参数计算单元包括：直流侧储能电容计算模块，用于获取直流侧输出电压，计算储能电容储存能量，同时基于输入和输出的功率计算；传递函数计算单元，基于电容储能计算电压外环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电压外环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数；

所述电流内环参数计算单元包括：传递函数计算单元，基于电流内环控制模型计算电流内环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电流内环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供的单相整流器双环控制参数计算方法能够在给定系统参数后，快速、准确的计算出电压外环控制和电流内环控制的控制参数，进而在负载变动时，迅速调整控制参数，实现中间直流母线电压的稳定控制，具有较高的负载动态响应性能。

附图说明

图1为现有技术中单相PWM整流器主电路拓扑图；

图2为单相PWM整流器双环控制原理图；

图3为单相整流器控制流程图；

图4为电压外环控制框图；

图5为电流内环控制框图；

图6为单相整流器单极性调制原理图；

图7为采用本发明控制参数计算方法用于单相整流器控制的空载启动电压、电流波形图；

图8为采用本发明控制参数计算方法用于单相整流器控制的满载运行电压、电流波形图。

其中，1-调制波，2-载波，3-反相调制波，4-交流输入电压，5-直流母线电压，6-交流输入电流。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种单相整流器双环控制参数的计算方法，该方法可以用于单相整流器的控制，在给定系统参数后，可准确计算有效控制参数，实现直流母线电压的稳定控制，具有较好的负载变动动态响应性能。

单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流主电路拓扑结构如图1所示，包括单相全桥IGBT整流单元，包括交流输入部分和直流输出部分，其交流输入部分设置有电感和电阻，直流输出部分设置有储能电容。此部分为现有技术，此处不再赘述。

单相整流器的控制流程如图3所示。

1.单相整流器采用单相全桥PWM变换器实现电压变换，输入交流电压，输出稳定可调的直流电压。

2.单相整流器正常运行流程：首先进行故障检测，满足启动条件后，通过电阻对直流母线进行预充电，结束时切除电阻，进入启动状态，开始PWM 整流，待直流母线电压满足条件后，进入运行阶段，满足不同的负载工况控制，实现交流侧单位功率因数运行。

3.传感器采集单相整流器输入交流电压、输入交流电流、输出直流电压作为反馈，用于单相整流器启动运行流程判断、锁相控制和PI控制。

4.单相整流器正常启动流程：

1-等待，进行锁相控制，对输入电压、输入电流、输出电压以及设备器件状态等进行检测，达到启动条件进入下阶段；

2-预充电，预充电接触器闭合，通过电阻对直流母线电压进行充电，过一段时间(预充电时间)，并且直流母线电压达到一定数值，闭合主接触器，切除预充电电阻，进入下一阶段；

3-启动，开启PWM整流，控制直流母线电压至参考值，并进入下一阶段；

4-运行，控制交流侧单位功率因数运行，并对输入电流谐波进行控制，满足不同负载工况需求，维持直流母线电压稳定。

对交流侧基波电压控制的PWM调制方式有两种，即单极性调制和双极性调制。在同等情况下，单极性调制比双极性调制的谐波分量小一些，控制相对复杂，本发明采用单极性调制。当采用单极性调制时，交流侧电压在U_d、0和0、-U_d间变换，具体调制波1、载波2、反相调制波3的波形如图6所示。设载波频率为f_z，则U_a和U_b基波频率为f_z，得到U_ab基波实现倍频效果，频率变为2f_z。

双环控制输出经过坐标变换后，得到U_ab参考波形，作为PWM 调制波，采用单极性调制产生四路PWM波作为单相全桥整流器驱动信号。当U_a为高时，控制IGBT1导通，IGBT2与之互补导通，当U_b为高时，控制IGBT3导通，IGBT4与之互补导通。

单相整流器的双环控制包括电压外环控制和电流内环控制。

本发明首先提供一种单相整流器双环控制参数的计算系统，用于单相整流器双环控制参数的计算，包括数据采集系统和控制器，所述数据采集系统采集单相整流器交流输入电流、交流输入电压和直流输出电压，所述控制器包括：用于电压外环控制参数的计算的电压外环参数计算单元和用于电流内环参数计算的电流内环参数计算单元；

电压外环参数计算单元包括：直流侧储能电容计算模块，用于获取直流侧输出电压，计算储能电容储存能量，同时基于输入和输出的功率计算；传递函数计算单元，基于电容储能计算电压外环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电压外环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数；

电流内环参数计算单元包括：传递函数计算单元，基于电流内环控制模型计算电流内环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电流内环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数。

基于上述计算系统进一步提供一种双环控制参数的计算方法。相应的参数计算方法包括电压外环控制参数计算方法和电流内环控制参数计算方法。

在d-q坐标系下，单相整流器交流侧数学模型(忽略了交流侧电阻)：

其中，u_abd、u_abq为模块输入电压的d-q分量，u_ind、u_inq为交流侧输入电压的d-q分量，i_ind、i_inq为交流侧输入电流的d-q分量，ω为交流侧输入电压角速度，L为交流输入侧电感。

由上式，将微分环节设计为PI控制器，实现d-q分量解耦，并加入电压外环实现直流电压稳定控制，得电压外环和电流内环双环控制框图如图2 所示。电压外环的输出作为电流内环的d轴参考，q轴参考根据功率因数设定，单位功率因数时， 为电流q轴参考，取值与功率因数有关。

电压外环控制原理图参考图4。电压外环控制的主要作用是维持直流母线电压的稳定。电压外环控制参数计算方法包括以下步骤：

PWM整流电路直流侧的输出电压作为电压外环控制的输入，为期望输出电压，即给定值，根据能量守恒，直流输出侧电容上存储的能量为：

其中，E_C为直流侧电容存储的能量，C为直流侧电容的大小，U_out为直流侧输出的电压；

令则有：

其中P_in表示输入直流母线的功率，P_out表示输出直流母线的功率，直流母线输入功率和输出功率的差即为直流侧电容存储的能量。由于P_in一般为未知量，在短时间内，可以认为P_in为定值，与负载大小有关，这里只要认为它短时间大小不变即可。

对于单相系统：

其中U_m为输入电压峰值，I_m为输入电流峰值；

对其进行线性化处理，可得：

进一步可得：

其中，表示直流侧电压变化值；表示输入电流峰值变化值； s表示拉普拉斯算子。

其中U_out表示稳态值，可取为给定值，即直流输出侧期望输出值。电压外环控制的主要作用是维持直流母线电压的稳定，忽略PWM 延迟，可得系统开环传递函数为:

进而得到闭环传递函数为：

其中，K_p表示电压外环控制的比例参数，K_I表示电压外环控制的积分参数，ω_n表示系统自然振荡频率，ξ表示系统阻尼。

基于以上方法，可以获得电压外环PI控制的比例控制参数和积分控制参数。

电流内环控制原理框图如图5所示，电压外环控制的输出作为电流内环控制的输入，即期望电流值电流内环控制的目的是期稳态电流无静差，同时期望从冬天性能上考虑，必须一致电流调节超调，以防止IGBT的损坏。所以电流内环通常要校正成典型的1 形系统。

电流内环控制参数的计算方法包括以下步骤：

图5中的电流内环PI调节器，可以写成如下形式：

其中，

电流内环的开环传递函数为：

其中，K'_P为电流内环控制的比例控制参数，R为PWM整流电路的输入端线路阻抗，L为PWM整流电路的输入端电感，T_s为PWM 控制的开关周期，τ_i为电路时间常数；

要得到典型的1型系统，必须使使电流内环控制PI调节器的零点与控制对象传递函数极点相抵消，可得：

同时得到零极点相消后的系统开环传递函数为：

进而得到系统的闭环传递函数：

根据典型1型系统整定法：

其中，为中间变量，无实际意义；

结合电流内环控制调节其的控制函数:

可得：

进而可求解得：

其中，K'_P为电流内环控制的比例控制参数，K'_I为电流内环控制的积分控制参数。

基于以上方法，可以计算获得电流内环PI控制的控制参数。

根据表1所示参数，搭建实验平台，控制器选用TMS320F28335 芯片，IGBT参数为1200A/1700V。控制器搭载单相整流器双环控制参数计算系统。

表1系统参数

采用以上试验参数计算获得的电压外环控制参数和电流内环控制参数如表1所示，实验结果如图7～8。图7中，交流输入电压4为 470V、交流输入电流为500A的交流电，直流母线电压5由0V升至额定850V；图9中，对直流母线电压5稳态波形进行放大，以展示电压波动。有以下结果：

1-中间直流母线电压5启动平顺，运行稳定，如图7；

2-满载时交流侧单位功率因数运行，中间直流电压波动在±3.5％左右，均值稳定，如图8。

通过以上实验可见，本实验方法确定的控制参数用于单相变流器的双环控制，具有较好的动态跟踪性和稳定控制性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种单相整流器双环控制参数的计算方法，所述单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流电路的交流输入侧设置有电阻和电感，直流输出侧设置有储能电容，所述双环控制包括电压外环控制和电流内环控制，其特征在于，参数计算方法包括电压外环控制参数计算方法和电流内环控制参数计算方法，

所述电压外环控制参数计算方法包括以下步骤：

PWM整流电路直流侧的输出电压作为电压外环控制的输入，则：

其中，E_C为直流侧电容存储的能量，C为直流侧电容的大小，U_out为直流侧输出的电压；

令则有：

其中P_in表示输入直流母线的功率，P_out表示输出直流母线的功率；

其中U_m为输入电压峰值，I_m为输入电流峰值；

对其进行线性化处理，可得：

进一步可得：

其中，表示直流侧电压变化值；表示输入电流峰值变化值；

则，系统开环传递函数为:

进而得到闭环传递函数为：

其中，K_p表示电压外环控制的比例参数，K_I表示电压外环控制的积分参数，ω_n表示系统自然振荡频率，ξ表示系统阻尼；

所述电流内环控制参数的计算方法包括以下步骤：

电流内环的开环传递函数为：

其中，K'_P为电流内环控制的比例控制参数，R为PWM整流电路的输入端线路阻抗，L为PWM整流电路的输入端电感，T_s为PWM控制的开关周期，τ_i为电路时间常数；

使电流内环控制调节的零点与控制对象传递函数极点相抵消，可得：

同时得到零极点相消后的系统开环传递函数为：

进而得到系统的闭环传递函数：

根据典型1型系统整定法：

其中，为中间变量，无实际意义；

结合电流内环控制调节其的控制函数:

可得：

进而可求解得：

其中，K′_I为电流内环控制的积分控制参数。

2.如权利要求1所述的单相整流器双环控制参数的计算方法，其特征在于

3.单相整流器双环控制参数的计算系统，用于单相整流器双环控制参数的计算，其特征在于，包括数据采集系统和控制器，所述数据采集系统采集单相整流器交流输入电流、交流输入电压和直流输出电压，所述控制器包括：用于电压外环控制参数的计算的电压外环参数计算单元和用于电流内环参数计算的电流内环参数计算单元；

所述电压外环参数计算单元包括：直流侧储能电容计算模块，用于获取直流侧输出电压，计算储能电容储存能量，同时基于输入和输出的功率计算；传递函数计算单元，基于电容储能计算电压外环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电压外环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数；

所述电流内环参数计算单元包括：传递函数计算单元，基于电流内环控制模型计算电流内环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电流内环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数。