CN110620497A - 抑制三相pwm整流器启动冲击电流的控制方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法及电路，由非线性fal函数设计启动冲击电流抑制器；对信号进行采样；将直流母线电压阶跃给定指令进行平滑处理，计算偏差信号ΔuDC，计算d轴网侧电流；获取实时相位θ，对三相电感电流进行abc‑dq的坐标转换，得到同步旋转坐标系下的电感电流d轴分量和q轴分量；计算d轴电流误差Δid，获得d轴控制电压；由实时相位θ对控制电压进行dq‑αβ坐标转换获得控制电压α轴分量、β轴分量；将控制电压输入到SVPWM调制器，获得脉冲信号。本发明不影响原系统的稳态性能和动态性能；未增加采样量，未增加硬件成本，控制步骤简单，实现容易；可以有效减小启动过程中的冲击电流大小，延长系统使用寿命，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法及电路
技术领域
本发明属于三相电压型PWM整流器启动控制领域，具体涉及抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法及电路。
背景技术
三相PWM整流器因为输出直流电压可调，波动范围小，单位功率因数，谐波含量低，能量双向传递等优点成已为电力电子技术领域的研究热门。然而，在PWM整流器启动过程中，由于直流侧电压较低且直流母线电压给定值是阶跃信号，经过直流母线电压控制器会产生一个较大的d轴电流给定，进而会在交流测滤波电感上产生较大的冲击电流，直到直流侧电压上升到设定值。若没有合适的抑制策略，会使开关器件承受很大的电流应力，增加了开关器件的选型难度和滤波电感的大小，在增加设备成本的同时也会减少设备使用寿命。另外，过大的冲击电流也会引起系统的过流保护动作，影响正常工作。
fal函数是一种特殊的非线性结构，它是对“大误差，小增益；小误差，大增益”这一控制工程界经验的数学拟合。因此，本发明利用fal函数的优点，通过设计启动冲击电流抑制器，合理调整直流母线电压给定信号的过渡过程，提出了一种可以有效抑制三相电压型PWM整流器启动冲击电流的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法及电路，有效抑制三相电压型PWM整流器启动冲击电流。
本发明的目的是这样实现的：
一种抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法，具体的实现步骤为：
步骤1.根据非线性fal函数的特点选择控制参数，设计启动冲击电流抑制器；
步骤2.采样三相PWM整流器的直流母线输出电压uDC、三相电网相电压uA、uB、uC,和三相网侧电流iA、iB、iC；
步骤3.将直流母线电压阶跃给定指令uDCref经过启动冲击电流抑制器进行平滑处理，得到处理后的直流母线电压指令uDCref’；
步骤4.将处理后的直流母线电压指令uDCref’与采样得到的实际直流母线电压值uDC比较，将偏差信号ΔuDC输入至直流母线电压控制器进行闭环处理，并对控制器输出进行限幅，进而得到d轴网侧电流给定idref；
步骤5.通过锁相环获得电网电压的实时相位θ，根据所获相位对采样得到的三相电感电流iA、iB、iC进行abc-dq的坐标转换，得到同步旋转坐标系下的电感电流d轴分量id和电感电流q轴分量iq；
步骤6.将步骤4得到的电感电流d轴给定指令idref与电感电流d轴分量id比较，得到d轴电流误差Δid，并将此误差信号输入到电感电流控制器进行闭环处理，获得d轴控制电压Uctrl_d；同理，可得到q轴控制电压Uctrl_q；
步骤7.由电网电压的实时相位θ对d轴控制电压Uctrl_d和q轴控制电压Uctrl_q进行dq-αβ坐标转换获得两相静止坐标系下的控制电压α轴分量Uctrl_α和控制电压β轴分量Uctrl_β；
步骤8.将控制电压α轴分量Uctrl_α和控制电压β轴分量Uctrl_β输入到SVPWM调制器，获得用于三相PWM整流器开关管驱动的脉冲信号；
步骤9.在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤2至步骤8，否则退出运行状态。
步骤1所述的非线性fal函数的表达式为
其中e为输入误差，a为非线性fal函数的非线性度，是0～1之间的常数，δ为线性段区间长度。
步骤3所述的直流母线电压阶跃给定指令uDCref计算公式为
e＝uDCref-uDCref'
其中uDCref是直流母线电压阶跃给定指令，uDCref’是通过启动冲击电流抑制器处理后的直流母线电压指令，k为调节响应速度的比例系数。
基于一种抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法的控制电路，控制电路包括直流母线电压控制器、电感电流控制器、SVPWM调制器、启动冲击电流抑制器；直流母线电压的阶跃给定指令uDCref输入到启动冲击电流抑制器，启动冲击电流抑制器的输出端与直流母线电压控制器的第一输入端相连，直流母线电压控制器的第二输入端接至主电路直流母线电压输出端，直流母线电压控制器的输出端与电感电流控制器第一输入端相连，电感电流控制器第二输入端接至主电路电感电流输出端，电感电流控制器的输出端与SVPWM调制器的输入端相连，SVPWM调制器的输出端接至主电路的反馈控制端并提供PWM驱动脉冲信号。
本发明的有益效果在于：本发明不影响原系统的稳态性能和动态性能；本发明在传统三相电压源型PWM整流器控制方法的基础上，未增加采样量，未增加硬件成本，控制步骤简单，实现容易；本发明可以有效减小启动过程中的冲击电流大小，延长系统使用寿命，提高系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为具有启动冲击电流抑制器的三相电压源型PWM整流器控制结构框图。
图2为启动冲击电流抑制器控制原理结构框图。
图3为直流母线电压阶跃给定指令与本专利所述控制方法给定指令仿真对比图。
图4为三相PWM整流器采用阶跃给定时启动电流仿真波形。
图5为三相PWM整流器采用专利所述控制方法时启动电流仿真波形。
图6为执行流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
针对上述问题，本发明结合非线性fal函数特点，提供了一种用于抑制三相电压型PWM整流器启动冲击电流的控制方法。具体技术方案如下：
fal函数是一种特殊的非线性结构，具有大误差，小增益，小误差，大增益的特性。因此，当输入为误差信号时，可以通过调节fal函数的参数，使得反馈环节在误差较大时，产生较小的反馈增益，在误差较小时，产生较大的反馈增益，且fal函数具有快速收敛特性，在保证系统稳定性的同时，可使系统快速地达到稳定。fal函数具体表达式如下：
式中：e为输入误差；a决定非线性fal函数的非线性度，是0～1之间的常数，影响跟踪效果；δ为线性段区间长度，影响滤波效果。
本专利基于fal函数特性构造一种三相电压型PWM整流器启动冲击电流抑制器，其控制原理结构如附图2所示。具体实现过程为：将处理前后的直流母线电压给定指令误差e输入到fal函数；根据fal函数特性，若e较大，则输出输出较小，进而积分输出值uDCref’缓慢增加；同理，若e较小，则输出输出较大，积分输出值uDCref’增加到稳态值。具体表达式如下：
e＝uDCref-uDCref'
其中：uDCref是直流母线电压的阶跃给定指令；uDCref’是通过启动冲击电流抑制器处理后的直流母线电压指令；k为调节响应速度的比例系数，k越大跟踪效果越好，但是启动冲击电流抑制效果变差；a在0～1之间取值，越小跟踪越快，但冲击电流抑制效果会变差；δ为fal函数滤波器的滤波因子，增大可使启动冲击电流抑制效果变好，但同时会增加跟踪延迟。
本发明提供了一种带启动冲击电流抑制器的三相电压型PWM整流器系统，包括主电路和控制电路。所述控制电路包括：直流母线电压控制器、电感电流控制器、SVPWM调制器和启动冲击电流抑制器；其中，所述启动冲击电流抑制器的输入接直流母线电压的阶跃给定指令uDCref；所述直流母线电压控制器的第一输入端接启动冲击电流抑制器的输出，第二输入端接至主电路直流母线电压输出端。所述电感电流控制器第一输入端接直流母线电压控制器的输出端，第二输入端接主电路电感电流输出端；所述SVPWM调制器的输入端接电感电流控制器的输出端，SVPWM调制器的输出端接主电路的反馈控制端并提供PWM驱动脉冲信号。
本专利所提供的三相电压型PWM整流器启动冲击电流抑制方法原理框图如附图1所示。整个系统包括：直流母线电压控制器1、整流器及电感滤波器2、隔离公共电网3、SVPWM调制器4、电感电流控制器5和启动冲击电流抑制器6。其中，直流母线电压控制器1和电感电流控制器5均采用传统比例积分(PI)控制器。
结合附图1和附图2，对专利所述抑制三相PWM启动冲击电流控制方法的执行流程说明如下：
步骤1.首先进行系统的初始化设置，将直流母线电压控制器1、电感电流控制器5、SVPWM调制器4的输入输出均设置为零，并且根据非线性fal函数特点在之间k、a和δ之间做综合考虑，确定启动冲击电流抑制器的控制参数；
步骤2.采集电压传感器VSA、VSB、VSC，VSDC可得到PWM整流器的输入侧三相电网相电压uA、uB、uC和输出侧的直流母线电压uDC；同理，通过电流传感器CSA、CSB、CSC测量得到三相电感电流iA、iB、iC；
步骤3.将直流母线电压的阶跃给定指令uDCref经过启动冲击电流抑制器6进行平滑处理，处理后的直流母线电压指令记为uDCref’；
步骤4.将步骤3处理后的直流母线电压指令与采样得到的直流母线电压uDC进行比较，将偏差信号ΔuDC输入至直流母线电压控制器1进行闭环处理，并对控制器输出进行限幅，得到d轴网侧电流给定idref；
步骤5.通过锁相环获得电网电压的实时相位θ；根据所得相位对采样得到的三相网侧电流iA、iB、iC进行abc-dq的坐标转换，得到同步旋转坐标系下的d轴网侧电流id和q轴网侧电流iq；
步骤6.将步骤4得到的d轴网侧电流给定值idref与步骤5得到的网侧电流实际值id比较得到d轴电流误差ΔiD，并将此误差信号输入到电感电流控制器5进行闭环处理，获得d轴控制电压Uctrl_d；同理，可得到q轴控制电压Uctrl_q；
步骤7.根据步骤5得到的电网电压相位θ对d轴控制电压Uctrl_d和q轴控制电压Uctrl_q进行dq-αβ坐标转换获得两相静止坐标系下的α轴控制电压和β轴控制电压，分别为Uctrl_α和Uctrl_β；
步骤8.对所述α轴控制电压Uctrl_α和β轴控制电压Uctrl_β输入到SVPWM调制器4进行调制，获得用于三相PWM整流器开关管驱动的脉冲信号。
步骤9.在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤2至步骤8，否则退出运行状态。
对专利所述方法进行仿真验证，结果如下：
在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真验证，经隔离变压器降压后电网相电压有效值为30V，正常工作时直流母线电压为100V。并且，经过综合考虑后，最终确定启动冲击电流抑制器的控制参数a＝0.9，k＝45，δ＝2.5。
观察图3可知，相比于处理前的直流母线阶跃给定指令，经过启动冲击电流抑制器处理后的电压给定指令会经过一个合理地过渡过程后达到稳态值，从而避免了直接阶跃给定时，导致直流母线电压控制器启动瞬间输出很大，进而导致启动冲击电流过大的问题。
观察图4可知,当不采用任何启动冲击电流抑制策略时，由于直流母线电压较低，直流母线电压控制器的输出，即idref很大，故在启动瞬间滤波电感上产生较大的冲击电流，电流峰值接近27A，是稳态电流峰值的9倍左右。显然，过大的冲击电流会引起设备过流保护动作，导致设备不能正常工作。而且，由于启动电流过大，系统达到稳定的时间近0.1s，调节时间较长。
观察图5可知，当加入启动冲击电流抑制策略时，启动瞬间电感上产生的电流峰值为8A左右，此时电流峰值仅为稳态值的2倍左右，电流超调明显减小，并且因为冲击电流较小，系统达到稳态的调节时间也较短，仅需0.05s左右即可，调节时间相比无启动冲击电流的情况下缩短近一倍。由此可得：在本专利发明的控制方法下，电流尖峰得到了有效抑制，系统的稳定性和可靠性得到提升。
实施例2
本发明公开一种抑制三相电压型PWM整流器启动冲击电流的控制方法，涉及三相电压型PWM整流器启动控制领域。该控制方法解决了现有三相PWM整流器由不可控整流向PWM整流启动瞬间产生启动冲击电流造成滤波电感饱和、开关器件损坏等问题，或设备使用寿命减短等现象。本发明所述控制方法利用非线性fal函数“大误差，小增益；小误差，大增益”的特性，设计启动冲击电流抑制器，并通过合理设置控制参数实现对给定信号的平滑处理，实现三相电压型PWM整流器启动过程中的冲击电流抑制，进而提高系统的稳定性和可靠性。本发明相比较其他抑制方法，具有实现简单、未增加采样量、未增加硬件成本且实现效果好的特点。

Claims (4)

1.一种抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法，其特征在于，具体的实现步骤为：
步骤1.根据非线性fal函数的特点选择控制参数，设计启动冲击电流抑制器；
步骤2.采样三相PWM整流器的直流母线输出电压uDC、三相电网相电压uA、uB、uC,和三相网侧电流iA、iB、iC；
步骤3.将直流母线电压阶跃给定指令uDCref经过启动冲击电流抑制器进行平滑处理，得到处理后的直流母线电压指令uDCref’；
步骤4.将处理后的直流母线电压指令uDCref’与采样得到的实际直流母线电压值uDC比较，将偏差信号ΔuDC输入至直流母线电压控制器进行闭环处理，并对控制器输出进行限幅，进而得到d轴网侧电流给定idref；
步骤5.通过锁相环获得电网电压的实时相位θ，根据所获相位对采样得到的三相电感电流iA、iB、iC进行abc-dq的坐标转换，得到同步旋转坐标系下的电感电流d轴分量id和电感电流q轴分量iq；
步骤6.将步骤4得到的电感电流d轴给定指令idref与电感电流d轴分量id比较，得到d轴电流误差Δid，并将此误差信号输入到电感电流控制器进行闭环处理，获得d轴控制电压Uctrl_d；同理，可得到q轴控制电压Uctrl_q；
步骤7.由电网电压的实时相位θ对d轴控制电压Uctrl_d和q轴控制电压Uctrl_q进行dq-αβ坐标转换获得两相静止坐标系下的控制电压α轴分量Uctrl_α和控制电压β轴分量Uctrl_β；
步骤8.将控制电压α轴分量Uctrl_α和控制电压β轴分量Uctrl_β输入到SVPWM调制器，获得用于三相PWM整流器开关管驱动的脉冲信号；
步骤9.在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤2至步骤8，否则退出运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法，其特征在于：步骤1所述的非线性fal函数的表达式为
其中e为输入误差，a为非线性fal函数的非线性度，是0～1之间的常数，δ为线性段区间长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法，其特征在于：步骤3所述的直流母线电压阶跃给定指令uDCref计算公式为
e＝uDCref-uDCref'
其中uDCref是直流母线电压阶跃给定指令，uDCref’是通过启动冲击电流抑制器处理后的直流母线电压指令，k为调节响应速度的比例系数。
4.基于权利要求1所述的一种抑制三相PWM整流器启动冲击电流的控制方法的控制电路，其特征在于：控制电路包括直流母线电压控制器、电感电流控制器、SVPWM调制器、启动冲击电流抑制器；直流母线电压的阶跃给定指令uDCref输入到启动冲击电流抑制器，启动冲击电流抑制器的输出端与直流母线电压控制器的第一输入端相连，直流母线电压控制器的第二输入端接至主电路直流母线电压输出端，直流母线电压控制器的输出端与电感电流控制器第一输入端相连，电感电流控制器第二输入端接至主电路电感电流输出端，电感电流控制器的输出端与SVPWM调制器的输入端相连，SVPWM调制器的输出端接至主电路的反馈控制端并提供PWM驱动脉冲信号。
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