CN109660116A - 三相变流器及其控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相变流器及其控制方法、装置，所述方法包括以下步骤：获取dq轴电流和电压矢量的相位角；根据dq轴给定电流、dq轴电流和上一周期的第一dq轴限幅电压获得当前周期的dq轴电压；根据dq轴给定电流、dq轴电流和上一周期的第二dq轴限幅电压获得当前周期的dq轴谐波电压；根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流获得当前周期的dq轴死区补偿电压，并将当前周期的dq轴电压、dq轴谐波电压和dq轴死区补偿电压进行累加以获得dq轴期望电压，并对dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得dq轴实际输出电压，以对三相变流器进行控制，同时获取当前周期的第一、第二dq轴限幅电压。该方法不仅能有效抑制谐波电流，而且谐波控制响应速度快，退饱和速度快。

Description

三相变流器及其控制方法、装置

技术领域

本发明涉及谐波电流控制技术领域，特别涉及一种三相变流器的控制方法、一种三相变流器的控制装置以及一种三相变流器。

背景技术

变流器的电流控制环节一般需要将电流控制为正弦波电流，使得谐波电流达到最小，但是由于系统的非理想因素，造成谐波电流控制较难实现，其中，非理想因素主要包括变流器功率器件死区时间造成的电压谐波和电压源本身所含有的电压谐波(如电网电压谐波或者电机反电动势中含有的谐波)。

发明内容

本申请是发明人基于对以下问题的思考和研究所做出的：

在变流器中，由于功率器件的开通和关断存在延时，所以存在同一桥臂的上下两个开关管中的一个还未完全关断，另一个已经开通，导致桥臂直通，开关管损坏，如图1所示。因此，必须在同一桥臂的上下两个开关管的驱动信号上插入死区时间T_d，如图2所示，其中S1、S3为理想输出信号，S1＇和S3＇为实际输出信号，这样可以有效避免同一桥臂的上下两个开关管同时导通。但是，死区时间的加入会导致实际输出的电压波形发生畸变，从而影响入网电流谐波，使得实际输出电压能力降低。

通过对开关管的换流特性分析可知，死区时间对输出电压的影响与电流极性相关。根据下述公式(1)可知，由死区时间带来的误差电压的大小只与开关周期T_pwm、死区时间T_d以及直流母线电压U_dc有关，与调制电压的大小和频率均无关。因此，在输出基波一定时，如果开关频率不变，则死区时间越大，死区所产生的影响(偏差电压)就越大；如果死区时间不变，则开关频率越大，死区所产生的影响就越大。

其中，U_real为实际输出电压，U_ideal为理想输出电压。

以上就是死区电压产生的原因，在死区电压的影响下，将产生电压谐波。

对于电压源本身所含有的电压谐波，如电网电压谐波或者电机反电动势中含有的谐波，主要包括5次、7次、11次和13次谐波，有时也包含其它次谐波，还有三相不对称的情况发生。而电压源含有的电压谐波在电流控制环节中作为扰动分量起作用，基波电压分量在dq轴旋转坐标系下是直流量，而谐波电压分量在dq轴坐标系下为交流量。因此，单纯的依靠电流调节器进行控制，由于受限于电流环的调节速度，通常无法保证较好的跟踪能力。为了在这些情况下仍能保证三相电流对称、正弦度高，通常需要增加谐波电流控制环节。由于死区电压所产生的谐波电压以5次和7次为主，因此在增加了谐波电流控制环节后，对死区电压也有补偿作用，可以达到较好的稳态效果。

相关技术中，主要通过重复控制器来实现谐波电流的控制，例如，将电流调节器与重复控制器进行并联以实现电流的控制，或者将电流调节器与重复控制器进行串联以实现电流的控制。虽然基于重复控制器的谐波控制方法可以补偿死区电压对谐波的影响，但是由于电压源的谐波电压是不会经常发生变化的，可以认为谐波电压与电源的基波电压具有固定的相位关系，而死区电压是与电流的相位相关的，即谐波主要分为两类，一类是与电压相位相关量，一类是与电流相位相关量，所以当仅采用谐波电流控制来补偿死区影响的话，在电压和电流的相位发生突变时，谐波电流调节器需要一个响应时间才能调节到稳定状态，而一般情况下谐波电流调节器的带宽较低，使得需要较长的时间才能达到谐波控制的效果，即谐波电流控制环节的响应速度是较慢的。

另外，电流调节器的输出电压存在调制饱和问题，尤其是在同时存在电流调节器和谐波电流调节器的情况下，如何进行电压协同限幅也是一个问题，如处理不当，会造成电流调节器退饱和慢，降低电流控制的响应速度。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种三相变流器的控制方法，针对电压源的谐波电压引入谐波电流控制，同时针对死区电压的谐波电压引入死区补偿，从而不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，同时由于对电流环和谐波电流环做了自适应限幅，因而可以加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

本发明的第二个目的在于提出一种三相变流器的控制装置。

本发明的第三个目的在于提出一种三相变流器。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种三相变流器的控制方法，包括以下步骤：采样三相电流和三相电压；对所述三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，并根据所述三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角；根据dq轴给定电流、所述dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压；根据所述dq轴给定电流、所述dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压；根据所述电压矢量的相位角、所述dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压，并将所述当前周期的dq轴电压、所述当前周期的dq轴谐波电压和所述当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，以及对所述当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压；根据所述当前周期的dq轴实际输出电压、所述当前周期的dq轴死区补偿电压和所述当前周期的dq轴电压获得当前周期的第一dq轴限幅电压和当前周期的第二dq轴限幅电压，并根据所述当前周期的dq轴实际输出电压对所述三相变流器进行控制。

根据本发明实施例的三相变流器的控制方法，首先采样三相电流和三相电压，并对三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，以及根据三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角。然后，根据dq轴给定电流、dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压，同时根据dq轴给定电流、dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压，同时还根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压。最后，将当前周期的dq轴电压、当前周期的dq轴谐波电压和当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，并对当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，以对三相变流器进行控制。从而不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，以及加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

另外，根据本发明上述实施例提出的三相变流器的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，根据所述电压矢量的相位角、所述dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压，包括：根据所述dq轴给定电流进行电流相位计算以获得电流相位角，并将所述电流相位角与所述电压矢量的相位角进行累加以获得电流矢量角度；根据所述电流矢量角度计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压：

其中，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，U_dc为当前直流母线电压幅值，θ_u为所述电压矢量的相位角，k为角度系数，并且，θ_{i_0}为电流矢量过零点的相位角。

根据本发明的一个实施例，采用重复控制器进行谐波电流调节计算。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算当前周期的第一dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算当前周期的第二dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max2}为第二d轴限幅电压，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_d为d轴电压，u_{q_max2}为第二q轴限幅电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_q为d轴电压。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种三相变流器的控制装置，包括：采样模块，用于采样三相电流和三相电压；电流获取模块，用于对所述三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流；电压矢量相位角获取模块，用于根据所述三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角；电流调节模块，用于根据dq轴给定电流、所述dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压；谐波电流调节模块，用于根据所述dq轴给定电流、所述dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压；死区补偿模块，用于根据所述电压矢量的相位角、所述dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压；第一计算模块，用于将所述当前周期的dq轴电压、所述当前周期的dq轴谐波电压和所述当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压；以及电压限幅模块，用于对所述当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，并根据所述当前周期的dq轴实际输出电压、所述当前周期的dq轴死区补偿电压和所述当前周期的dq轴电压获得当前周期的第一dq轴限幅电压和当前周期的第二dq轴限幅电压；控制模块，用于根据所述当前周期的dq轴实际输出电压对所述三相变流器进行控制。

根据本发明实施例的三相变流器的控制装置，首先采样三相电流和三相电压，并对三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，以及根据三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角。然后，根据dq轴给定电流、dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压，同时根据dq轴给定电流、dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压，同时还根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压。最后，将当前周期的dq轴电压、当前周期的dq轴谐波电压和当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，并对当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，以对三相变流器进行控制。从而不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，以及加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

另外，根据本发明上述实施例提出的三相变流器的控制装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述死区补偿模块，包括：电流矢量角度获取模块，用于根据所述dq轴给定电流进行电流相位计算以获得电流相位角；第二计算模块，用于将所述电流相位角与所述电压矢量的相位角进行累加以获得电流矢量角度；死区补偿电压计算模块，用于根据所述电流矢量角度计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，所述死区补偿电压计算模块根据以下公式计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压：

其中，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，U_dc为当前直流母线电压幅值，θ_u为所述电压矢量的相位角，k为角度系数，并且，θ_{i_0}为电流矢量过零点的相位角。

根据本发明的一个实施例，所述谐波电流调节模块采用重复控制器进行谐波电流调节计算。

根据本发明的一个实施例，所述电压限幅模块根据以下公式计算当前周期的第一dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，所述电压限幅模块根据以下公式计算当前周期的第二dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max2}为第二d轴限幅电压，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_d为d轴电压，u_{q_max2}为第二q轴限幅电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_q为d轴电压。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种三相变流器，其包括上述的控制装置。

本发明实施例的三相变流器，通过上述的控制装置，不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，以及加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

附图说明

图1是同一桥臂上下两个开关管的连接示意图；

图2是相关技术中死区时间补偿示意图；

图3是根据本发明实施例的三相变流器的控制方法的流程图；

图4是根据本发明实施例的三相变流器的控制装置的方框示意图；

图5是根据本发明一个实施例的重复控制器的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的死区补偿模块的结构示意图；

图7是根据本发明一个实施例的电流相位角Δθ＝45°时的死区补偿电压的波形图；

图8是根据本发明一个实施例的电压限幅模块的结构示意图；

图9是根据本发明一个实施例三相变流器的响应波形图；

图10是无死区电压补偿的响应波形图；

图11是无谐波电流调节的响应波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的三相变流器的控制方法、三相变流器的控制装置以及具有该控制装置的变流器。

图3是根据本发明实施例的三相变流器的控制方法的流程图。如图3所示，本发明实施例的三相变流器的控制方法可包括以下步骤：

S1，采样三相电流和三相电压。

具体而言，如图4所示，可通过设置在三相变流器的输出端处的电压电流采样电路采样获得三相变流器的三相电流i_a、i_b和i_c，以及三相电压u_a、u_b和u_c。

S2，对三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，并根据三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角。

具体地，可通过对三相电流i_a、i_b和i_c进行3s/2r变换以获得d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中变换所需的夹角为电压矢量的相位角θ_u，而电压矢量的相位角θ_u可根据三相电压u_a、u_b和u_c通过锁相环获取，例如，可采用基于低通滤波器的锁相环获得，具体可采用现有技术实现，这里不再详述。

S3，根据dq轴给定电流、dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压。

具体地，在进行电流调节时，可先获取d轴给定电流i_dref与d轴电流i_d之间的电流差值，并对该电流差值进行PI调节以获得初始d轴电压u_d0，然后根据上一周期的第一d轴限幅电压u_{d_max1-1}对该初始d轴电压u_d0进行电压限幅处理，以获得当前周期的d轴电压u_d；同时，获取q轴给定电流i_qref与q轴电流i_q之间的电流差值，并对该电流差值进行PI调节以获得初始q轴电压u_q0，然后根据上一周期的第一q轴限幅电压u_{q_max1-1}对该初始q轴电压u_q0进行电压限幅处理，以获得当前周期的q轴电压u_q。

S4，根据dq轴给定电流、dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压。

根据本发明的一个实施例，可采用重复控制器进行谐波电流调节计算。

具体而言，步骤S3中的电流调节环节采用的是常规的PI调节器，由于其受电流控制带宽的限制，对高频信号的控制能力有限，而步骤S4中的谐波电流调节环节主要用于对高频的谐波电流进行控制。

在对谐波电流调节计算时，可以采用单次谐波控制方式如PR控制器对谐波电流进行调节计算，但在计算时，需要针对每一个谐波信号设置一个控制器，如需对n个谐波信号进行控制，那么就需要n路控制器并联，计算量较大。而重复控制器可以对基波频率的倍频信号进行控制，与其它类型的控制器相比较，可以减小各次谐波控制的计算量，因此，在本发明的实施例中优选采用重复控制器来对谐波电流进行调节计算。例如，可以采用图5所示的重复控制器，其中，N为一个基波周期的采样点数，k为相位补偿系数，S(z)为低通滤波器，Q(z)为累加系数。

具体地，在进行谐波电流调节计算时，可先获取d轴给定电流i_dref与d轴电流i_d之间的电流差值，然后将该电流差值作为图5所示的重复控制器的输入信号输入至重复控制器中，通过该重复控制器可以计算获得一个初始d轴谐波电压u_{d_h0}，然后根据上一周期的第二d轴限幅电压u_{d_max2-1}对该初始d轴谐波电压u_{d_h0}进行电压限幅处理，以获得当前周期的d轴谐波电压u_{d_h}；同时，获取q轴给定电流i_qref与q轴电流i_q之间的电流差值，然后将该电流差值作为图5所示的重复控制器的输入信号输入至重复控制器中，通过该重复控制器可以计算获得一个初始q轴谐波电压u_{q_h0}，然后根据上一周期的第二q轴限幅电压u_{q_max2-1}对该初始q轴谐波电压u_{q_h0}进行电压限幅处理，以获得当前周期的q轴谐波电压u_{q_h}。

S5，根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压，并将当前周期的dq轴电压、当前周期的dq轴谐波电压和当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，以及对当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压。

根据本发明的一个实施例，根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压，包括：根据dq轴给定电流进行电流相位计算以获得电流相位角，并将电流相位角与电压矢量的相位角进行累加以获得电流矢量角度；根据电流矢量角度计算当前周期的dq轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，根据下述公式(2)计算当前周期的dq轴死区补偿电压：

其中，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，U_dc为当前直流母线电压幅值，θ_u为电压矢量的相位角，k为角度系数，具体可根据电流矢量的相位角所在扇区的位置定义，例如，θ_{i_0}为电流矢量过零点的相位角，角度系数k的取值范围一般为0～5。

具体而言，如图6所示，在获取死区补偿电压时，可先根据d轴给定电流i_dref和q轴给定电流i_qref获取电流相位角Δθ，(需要说明的是，当给定为功率因数的情况下，可以利用功率因数计算得到电流相位角Δθ)，然后将该电流相位角Δθ与电压矢量的相位角θ_u进行求和计算，以获得电流矢量角度θ_i，最后再根据该电流矢量角度θ_i计算当前周期的d轴死区补偿电压u_{dtc_d}和q轴死区补偿电压u_{dtc_q}，例如，可通过上述公式(2)计算获得。由于采用dq轴坐标系下的给定电流进行死区电压补偿计算，因而减少了反坐标变换的计算，进而可以有效降低控制芯片的计算量。而且，针对电压源的谐波电压采用谐波电流调节，同时针对死区电压的谐波电压采用死区补偿，两者分别在dq轴旋转坐标系下同时进行，因而能够达到较好的稳态效果和较快的响应速度，特别是在电流相位变化(即功率因数变化)时，谐波电流的响应速度较快。

另外，当d轴给定电流i_dref和q轴给定电流i_qref的给定不同时，即电流相位角Δθ不同时，死区补偿电压也随之变化，图7给出了电流相位角Δθ＝45°时的死区补偿电压，其中，Ua表示A相电压，Theta i0表示电流矢量过零点的相位角，Udtc d表示d轴死区补偿电压，Udtc q表示q轴死区补偿电压。

在获取到当前周期的dq轴电压、dq轴谐波电压和dq轴死区补偿电压后，根据获取的当前周期的dq轴电压、dq轴谐波电压和dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，并对dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压。

具体而言，可先将获得的当前周期的d轴电压u_d、d轴谐波电压u_{d_h}和d轴死区补偿电压u_{dtc_d}进行求和以获得当前周期的d轴期望电压u_d1，然后对该d轴期望电压u_d1进行限幅处理，如果该d轴期望电压u_d1未超过实际输出能力，则按照该d轴期望电压u_d1输出给后续硬件电路，即当前周期的d轴实际输出电压u_d2＝u_d1；如果该d轴期望电压u_d1超过实际输出能力，则按照限幅后的数值输出，即当前周期的d轴实际输出电压u_d2＝u_{d2_max}，其中，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压。同时，将获得的当前周期的q轴电压u_q、q轴谐波电压u_{q_h}和q轴死区补偿电压u_{dtc_q}进行求和以获得当前周期的q轴期望电压u_q1，然后对该q轴期望电压u_q1进行限幅处理，如果该q轴期望电压u_q1未超过实际输出能力，则按照该q轴期望电压u_q1输出给后续硬件电路，即当前周期的q轴实际输出电压u_q2＝u_q1；如果该q轴期望电压u_q1超过实际输出能力，则按照限幅后的数值输出，即当前周期的q轴实际输出电压u_q2＝u_{q2_max}，其中，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压。

S6，根据当前周期的dq轴实际输出电压、当前周期的dq轴死区补偿电压和当前周期的dq轴电压获得当前周期的第一dq轴限幅电压和当前周期的第二dq轴限幅电压，并根据当前周期的dq轴实际输出电压对三相变流器进行控制。

根据本发明的一个实施例，根据下述公式(3)计算当前周期的第一dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压。

进一步地，根据本发明的一个实施例，根据下述公式(4)计算当前周期的第二dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max2}为第二d轴限幅电压，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_d为d轴电压，u_{q_max2}为第二q轴限幅电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_q为d轴电压。

具体而言，电流调节和谐波电流调节的电压反向限幅是根据实际电压的输出能力和死区补偿电压计算获得的。

众所周知，三相变流器的实际输出电压范围在α-β坐标系下呈六边形结构，所以可判断d轴期望电压u_d1和q轴期望电压u_q1是否超出了六边形范围，如未超出，则输出电压与输入电压保持一致；如果超出，则按照电压矢量与六边形交点计算得到d轴实际输出电压u_d2和q轴实际输出电压u_q2。

电压的总限幅值u_{d2_max}和u_{q2_max}为电压矢量与六边形交点处的数值(需要说明的是，电压的总限幅值也可以为六边形区域内的某一值，或者六边形内切圆上的值，以降低实现难度)，再考虑到死区电压u_{dtc_d}和u_{dtc_q}，那么电流调节的电压限幅值，即第一d轴限幅电压u_{d_max1}和第一q轴限幅电压u_{q_max1}就可以通过图8中的公式计算获得。进一步地，考虑到电流调节为系统的主调节，因此按照先满足电流调节再满足电流谐波调节的原则进行电压限幅，所以总电流限幅值减去电流调节的输出电压才是谐波电流调节的限幅电压值，即根据图8中的公式可以计算获得谐波电流调节的限幅电压值，即第二d轴限幅电压u_{d_max2}和第二q轴限幅电压u_{q_max2}。由于电流调节和谐波电流调节的电压限幅考虑到了死区补偿电压的因素，即在dq轴旋转坐标系下可以做统一的输出电压限幅，使得输出电压总和不会超过实际输出能力，因而有利于各调节器饱和后的退饱和速度加快，提高了电流控制的响应速度(收敛速度)。

因此，根据本发明实施例的三相变流器的控制方法，针对电压源的谐波电压采用谐波电流调节，同时针对死区电压的谐波电压采用死区补偿，两者分别在dq轴旋转坐标系下同时进行，因而能够达到较好的稳态效果和较快的响应速度，特别是在电流相位变化(即功率因数变化)时，谐波电流的响应速度较快。同时，由于电流调节和谐波电流调节的电压限幅考虑到了死区补偿电压的因素，即在dq轴旋转坐标系下可以做统一的输出电压限幅，使得输出电压总和不会超过实际输出能力，因而有利于各调节器饱和后的退饱和速度加快，提高了电流控制的响应速度(收敛速度)。

进一步地，图9是根据本发明一个实施例的响应波形图，图10是无死区电压补偿的响应波形图，图11是无谐波电流调节的响应波形图。如图9和图10所示，当q轴电流Iq突变后，图9中的单相电流在突变后正弦度仍然较好，而图10中的三相电流谐波变大，q轴电流反馈波动也较大，直到大约200ms～300ms以后才逐步收敛，由此证明了死区补偿的作用。同时，从图9中可以看出，在电压源的电压谐波较大的情况下，由于谐波电流调节的作用，三相电流的谐波含量很小，正弦度好，而在图11中，由于电压源的电压谐波的原因，造成三相电流谐波稍大，由此证明了谐波电流调节的作用。

综上所述，根据本发明实施例的三相变流器的控制方法，首先采样三相电流和三相电压，并对三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，以及根据三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角。然后，根据dq轴给定电流、dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压，同时根据dq轴给定电流、dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压，同时还根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压。最后，将当前周期的dq轴电压、当前周期的dq轴谐波电压和当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，并对当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，以对三相变流器进行控制。从而不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，以及加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

下面来描述本发明实施例的三相变流器的控制装置。

参考图4，本发明实施例的三相变流器的控制装置可包括：采样模块10、电流获取模块20、电压矢量相位角获取模块30、电流调节模块40、谐波电流调节模块50、死区补偿模块60、第一计算模块70、电压限幅模块80和控制模块90。

其中，采样模块10用于采样三相电流和三相电压；电流获取模块20用于对三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流；电压矢量相位角获取模块30用于根据三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角；电流调节模块40用于根据dq轴给定电流、dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压；谐波电流调节模块50用于根据dq轴给定电流、dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压；死区补偿模块60用于根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压；第一计算模块70用于将当前周期的dq轴电压、当前周期的dq轴谐波电压和当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压；电压限幅模块80用于对当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，并根据当前周期的dq轴实际输出电压、当前周期的dq轴死区补偿电压和当前周期的dq轴电压获得当前周期的第一dq轴限幅电压和当前周期的第二dq轴限幅电压；控制模块90用于根据当前周期的dq轴实际输出电压对三相变流器进行控制。

根据本发明的一个实施例，如图6所示，死区补偿模块60包括：电流矢量角度获取模块61、第二计算模块62和死区补偿电压计算模块30，其中，电流矢量角度获取模块61用于根据dq轴给定电流进行电流相位计算以获得电流相位角；第二计算模块62用于将电流相位角与电压矢量的相位角进行累加以获得电流矢量角度；死区补偿电压计算模块63用于根据电流矢量角度计算当前周期的dq轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，死区补偿电压计算模块60根据以下公式计算当前周期的dq轴死区补偿电压：

其中，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，U_dc为当前直流母线电压幅值，θ_u为所述电压矢量的相位角，k为角度系数，并且，θ_{i_0}为电流矢量过零点的相位角。

根据本发明的一个实施例，谐波电流调节模块50采用图5所示的重复控制器进行谐波电流调节计算。

根据本发明的一个实施例，电压限幅模块80根据以下公式计算当前周期的第一dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压。

根据本发明的一个实施例，电压限幅模块80根据以下公式计算当前周期的第二dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max2}为第二d轴限幅电压，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_d为d轴电压，u_{q_max2}为第二q轴限幅电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_q为d轴电压。

需要说明的是，本发明实施例的三相变流器的控制装置中未披露的细节请参考本发明实施例的三相变流器的控制方法中所披露的细节，具体这里不再赘述。

根据本发明实施例的三相变流器的控制装置，首先采样三相电流和三相电压，并对三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，以及根据三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角。然后，根据dq轴给定电流、dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压，同时根据dq轴给定电流、dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压，同时还根据电压矢量的相位角、dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压。最后，将当前周期的dq轴电压、当前周期的dq轴谐波电压和当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，并对当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，以对三相变流器进行控制。从而不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，以及加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

另外，本发明的实施例还提出了一种三相变流器，其包括上述的控制装置。

本发明实施例的三相变流器，通过上述的控制装置，不仅可以有效抑制由电压源和死区电压造成的谐波电流，而且可以加快谐波电流控制的响应速度，以及加快相应调节器的退饱和速度，加快电流控制的收敛速度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种三相变流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采样三相电流和三相电压；

对所述三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流，并根据所述三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角；

根据dq轴给定电流、所述dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压；

根据所述dq轴给定电流、所述dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压；

根据所述电压矢量的相位角、所述dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压，并将所述当前周期的dq轴电压、所述当前周期的dq轴谐波电压和所述当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压，以及对所述当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压；

根据所述当前周期的dq轴实际输出电压、所述当前周期的dq轴死区补偿电压和所述当前周期的dq轴电压获得当前周期的第一dq轴限幅电压和当前周期的第二dq轴限幅电压，并根据所述当前周期的dq轴实际输出电压对所述三相变流器进行控制。

2.如权利要求1所述的三相变流器的控制方法，其特征在于，根据所述电压矢量的相位角、所述dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压，包括：

根据所述dq轴给定电流进行电流相位计算以获得电流相位角，并将所述电流相位角与所述电压矢量的相位角进行累加以获得电流矢量角度；

根据所述电流矢量角度计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压。

3.根据权利要求2所述的三相变流器的控制方法，其特征在于，根据以下公式计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压：

其中，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，U_dc为当前直流母线电压幅值，θ_u为所述电压矢量的相位角，k为角度系数，并且，θ_{i_0}为电流矢量过零点的相位角。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的三相变流器的控制方法，其特征在于，采用重复控制器进行谐波电流调节计算。

5.根据权利要求1所述的三相变流器的控制方法，其特征在于，根据以下公式计算当前周期的第一dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压。

6.根据权利要求5所述的三相变流器的控制方法，其特征在于，根据以下公式计算当前周期的第二dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max2}为第二d轴限幅电压，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_d为d轴电压，u_{q_max2}为第二q轴限幅电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_q为d轴电压。

7.一种三相变流器的控制装置，其特征在于，包括：

采样模块，用于采样三相电流和三相电压；

电流获取模块，用于对所述三相电流进行坐标转换以获得dq轴电流；

电压矢量相位角获取模块，用于根据所述三相电压进行电压矢量相位计算以获得电压矢量的相位角；

电流调节模块，用于根据dq轴给定电流、所述dq轴电流进行电流调节计算，并根据上一周期的第一dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴电压；

谐波电流调节模块，用于根据所述dq轴给定电流、所述dq轴电流进行谐波电流调节计算，并根据上一周期的第二dq轴限幅电压进行电压限幅处理，以获得当前周期的dq轴谐波电压；

死区补偿模块，用于根据所述电压矢量的相位角、所述dq轴给定电流进行死区补偿计算以获得当前周期的dq轴死区补偿电压；

第一计算模块，用于将所述当前周期的dq轴电压、所述当前周期的dq轴谐波电压和所述当前周期的dq轴死区补偿电压进行累加以获得当期周期的dq轴期望电压；

电压限幅模块，用于对所述当期周期的dq轴期望电压进行电压限幅处理以获得当前周期的dq轴实际输出电压，并根据所述当前周期的dq轴实际输出电压、所述当前周期的dq轴死区补偿电压和所述当前周期的dq轴电压获得当前周期的第一dq轴限幅电压和当前周期的第二dq轴限幅电压；

控制模块，用于根据所述当前周期的dq轴实际输出电压对所述三相变流器进行控制。

8.如权利要求7所述的三相变流器的控制装置，其特征在于，所述死区补偿模块，包括：

电流矢量角度获取模块，用于根据所述dq轴给定电流进行电流相位计算以获得电流相位角；

第二计算模块，用于将所述电流相位角与所述电压矢量的相位角进行累加以获得电流矢量角度；

死区补偿电压计算模块，用于根据所述电流矢量角度计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压。

9.根据权利要求8所述的三相变流器的控制装置，其特征在于，所述死区补偿电压计算模块根据以下公式计算所述当前周期的dq轴死区补偿电压：

其中，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压，T_d为死区时间，T_pwm为开关周期，U_dc为当前直流母线电压幅值，θ_u为所述电压矢量的相位角，k为角度系数，并且，θ_{i_0}为电流矢量过零点的相位角。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的三相变流器的控制装置，其特征在于，所述谐波电流调节模块采用重复控制器进行谐波电流调节计算。

11.根据权利要求7所述的三相变流器的控制装置，其特征在于，所述电压限幅模块根据以下公式计算当前周期的第一dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_{d2_max}为d轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_d}为d轴死区补偿电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_{q2_max}为q轴实际输出电压对应的限幅电压，u_{dtc_q}为q轴死区补偿电压。

12.根据权利要求11所述的三相变流器的控制装置，其特征在于，所述电压限幅模块根据以下公式计算当前周期的第二dq轴限幅电压：

其中，u_{d_max2}为第二d轴限幅电压，u_{d_max1}为第一d轴限幅电压，u_d为d轴电压，u_{q_max2}为第二q轴限幅电压，u_{q_max1}为第一q轴限幅电压，u_q为d轴电压。

13.一种三相变流器，其特征在于，包括如权利要求7-12中任一项所述的控制装置。