CN110707909A - 一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法，包括以下步骤：在abc三相坐标下，对变频空压机驱动电路输出三相电压进行数学模型表示；对输出三相电压数学模型进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型；将输出电流应用于驱动电流控制系统中，得到其电流闭环控制模型；将传递函数单独列出，得出其数学表达式；将此传递函数进行改进，得到新的传递函数表达式；对输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数，并应用于变频空压机驱动电流PI控制中，进行有效抑制；本发明同现有技术相比，能够在不改动变频空压机驱动电路拓扑结构的基础上，尽可能地抑制变频装置产生的谐波。

Description

一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法

[技术领域]

本发明涉及变频空压机控制技术领域，具体地说是一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法。

[背景技术]

随着工业使用环境日趋多元，不管是在工业、农业、国防或者民用领域，都需要一定高压气体来协助生产或者提高效率。空压机是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械，具有高压气体稳定，使用寿命长等优点。传统的空压机设备大多采用工频控制方案，开、关进气阀控制还是以储气罐的压力作为衡量目标，频繁的阀门开断会造成空压机设备效率低下，运行电流大，设备能耗大等影响。当供气压力偏低时，不能满足后续用气要求；当供气压力偏高时，相应会增加电耗。且由于压缩空气的电机运行转速高，空压机进气阀门启闭频繁，会造成机房噪音过高等缺点。

因此，为了改进传统空压机在工频运行时的种种缺点，目前广泛采用的方案是对空压机进行变频改造，实现变频调速功能，变频空压机具有控制方法多样、调速精度高、气压稳定、技能效果良好、启动无冲击、噪音低以及对储气罐容量要求小等优点。但由于变频空压机驱动电路拓扑中含有大量非线性的电力电子开关元器件，在变频空压机运行过程中，在驱动电路输出侧产生大量开关频率整数倍的高次谐波，有时候可能会因为这些高次谐波的干扰造成空压机的停机。

目前，在变频空压机谐波抑制方面，大多采用无源滤波改造方案，即通过增加滤波电路，这无疑增加了系统体积，在应用中具有局限性。所以，如何在不改变电路拓扑的前提下又尽可能抑制变频装置产生的谐波，是当今行业内研究的重点。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法，能够在不改动变频空压机驱动电路拓扑结构的基础上，尽可能地抑制变频装置产生的谐波。

为实现上述目的设计一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法，包括以下步骤：1)对变频空压机驱动电路输出三相电流信号进行采样处理；2)在abc三相坐标下，对变频空压机驱动电路输出三相电压进行数学模型表示；3)对abc三相坐标下的输出三相电压数学模型进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型；4)将dq旋转坐标系下的输出电流应用于变频空压机驱动电流控制系统中，得到其电流闭环控制模型；5)将步骤4)所得的电流闭环控制模型中的传递函数单独列出，得出其数学表达式；6)将步骤5)所得的传递函数按照扩大特定次频率增益进行改进，得到新的传递函数表达式；7)对变频空压机驱动电路输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数；8)将多重比例谐振控制应用于变频空压机驱动电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行抑制。

进一步地，步骤1)中，变频空压机驱动电路拓扑由整流器和PWM逆变器组成，该驱动电路的整流侧采用不控整流的二极管整流桥，平波采用母线支撑的电解电容，该驱动电路的逆变侧采用IGBT进行逆变电流输出。

进一步地，步骤2)中，变频空压机驱动电路输出电压表示为：

式中，L为变频空压机驱动电路滤波电感，R为压缩空气电动机等效电阻，e为电动机内电压。

进一步地，步骤3)中，对输出三相电压进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型为：

进一步地，步骤5)中，电流闭环控制模型中的传递函数公式为：

式中，K_P是比例系数，K_R是谐振系数，ω_c是截止频率。

进一步地，步骤6)中，改进后的传递函数表达式为：

式中，K_P是比例系数，K_R是谐振系数，ω_c是截止频率，ω₀是谐振频率。

进一步地，步骤7)中，对变频空压机驱动电路输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数表达式为：

式中，ω_i为特定次谐振频率。

进一步地，步骤8)中，PI控制的传递函数为G_PI(s)，

正弦三相交流信号的误差在αβ两相静止坐标系下可以写成e_α(t)、e_β(t)，经过Park变换后得到dq两相旋转坐标系下的输出信号，之后通过PI控制器，再经过Park逆变换，最后变换到αβ两相静止坐标系下的输出信号u_α(t)、u_β(t)。

本发明同现有技术相比，能够在不改动变频空压机驱动电路拓扑结构的基础上，可以通过控制算法改进达到谐波抑制，具体是在PI控制的基础上采用改进多重比例谐振控制，从而尽可能地抑制变频装置产生的谐波，避免了传统采用无源滤波即通过增加滤波电路，所带来的增加系统体积以及应用中具有局限性的问题。

[附图说明]

图1是本发明变频空压机驱动电路拓扑结构示意图；

图2是本发明变频空压机电流反馈闭环控制原理图；

图3a和图3b是本发明所述的改进型比例谐振控制的幅频特性曲线与传统比例谐振控制幅频特性曲线对比图；

图4是本发明所述的改进多重比例谐振控制算法结构框图；

图5是本发明所述的改进多重比例谐振控制与PI控制相结合的变频空压机电流反馈闭环控制原理图。

[具体实施方式]

本发明提供了一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，对变频空压机驱动电路输出三相电流信号进行采样处理；

步骤2，在abc三相坐标下，对变频空压机驱动电路输出三相电压进行数学模型表示；

步骤3，对abc三相坐标下的输出三相电压数学模型进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型；

步骤4，将dq旋转坐标系下的输出电流应用于变频空压机驱动电流控制系统中，得到其电流闭环控制模型；

步骤5，将电流闭环控制模型中的传递函数单独列出，得出其数学表达式；

步骤6，将此传递函数按照扩大特定次频率增益进行改进，得到新的传递函数表达式；

步骤7，对变频空压机驱动电路输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数；

步骤8，将多重比例谐振控制应用于变频空压机驱动电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行有效抑制。

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1所示，变频空压机驱动电路拓扑由整流器和PWM逆变器组成，整流侧主要器件为不控整流的二极管整流桥，平波采用母线支撑的电解电容，逆变侧主要器件为大功率的IGBT进行逆变电流输出，整个电路拓扑中除了滤波电感和母线支撑电容外几乎在没有谐波的抑制器件，这将导致变变频空压机驱动电路输出电流谐波含量往往会非常高。

变频空压机驱动电路输出为三相交流电，其输出电压可表示为：u(t)＝Usin(ωt+θ)。

上式中，U为输出电压幅值；ω为角频率；θ为初相角。对于负载侧，输出电压又可表示为：

上述变频空压机驱动电路输出电压表达式中：L为变频空压机驱动电路滤波电感；R为压缩空气电动机等效电阻；e为电动机内电压。

对输出电压进行Park变换，可以得到dq旋转坐标系下的数学模型为：

如附图2所示，G_c(s)为变频空压机驱动电路电流闭环控制的传递函数；K_PWM为驱动电路中逆变侧放大倍数；H为电流反馈系数。PI控制作为一种较常采用的方法，具有快速跟踪给定电流的能力，但对低次谐波的抑制能力确较弱。

如附图3所示，传统比例-谐振控制(Proportional Resonance，PR)，能够引起特定次频率的谐振，增大该频率处的增益幅值，适合控制交流信号，在变频空压机驱动电路控制系统中具有良好的谐波抑制能力。

传统PR控制器的传递函数公式可以写成：

该传统PR控制器的传递函数中：K_P是比例系数；K_R是谐振系数；ω_c是截止频率。传统比例-谐振控制在谐振频率ω_c处的幅值增益最大，该频率处的相位为0，但在特定次频率处的幅值增益并不是很大。本发明对传统比例-谐振控制进行改进，得到一种改进型比例谐振控制器，其传递函数可以写成：

该改进型比例谐振控制传递函数中：参数K_P、K_R、ω_c与所述传统比例-谐振控制参数定义一致，ω₀是谐振频率。当参数K_P、K_R、ω_c和ω₀完全相同时，相比于传递函数G_PR1，传递函数G_PR2在谐振频率处的幅值增益较大，相角范围更宽，能够对特定次频率信号的准确跟踪。

如附图4所示，对变频空压机驱动电路输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数：

该多重比例谐振传递函数中：ω_i为特定次谐振频率。

如附图5所示，G_PI(s)为PI控制的传递函数，

正弦三相交流信号的误差在αβ两相静止坐标系下可以写成e_α(t)、e_β(t)，经过Park变换后可以得到dq两相旋转坐标系下的输出信号，之后通过PI控制器，最后经过Park逆变换，最后变换到αβ两相静止坐标系下的输出信号u_α(t)、u_β(t)。

将改进多重比例谐振控制与PI控制相结合应用到变频空压机驱动电路电流环控制系统中，在保证了系统动态特性的同时，且抑制了特定低次谐波(5次、7次)的影响。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于改进多重比例谐振控制的变频空压机谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对变频空压机驱动电路输出三相电流信号进行采样处理；

2)在abc三相坐标下，对变频空压机驱动电路输出三相电压进行数学模型表示；

3)对abc三相坐标下的输出三相电压数学模型进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型；

4)将dq旋转坐标系下的输出电流应用于变频空压机驱动电流控制系统中，得到其电流闭环控制模型；

5)将步骤4)所得的电流闭环控制模型中的传递函数单独列出，得出其数学表达式；

6)将步骤5)所得的传递函数按照扩大特定次频率增益进行改进，得到新的传递函数表达式；

7)对变频空压机驱动电路输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数；

8)将多重比例谐振控制应用于变频空压机驱动电流PI控制中，在保证对参考电流的无误差跟踪前提下，实现对输出电流中存在的5次、7次等低次谐波进行抑制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，变频空压机驱动电路拓扑由整流器和PWM逆变器组成，该驱动电路的整流侧采用不控整流的二极管整流桥，平波采用母线支撑的电解电容，该驱动电路的逆变侧采用IGBT进行逆变电流输出。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2)中，变频空压机驱动电路输出电压表示为：

式中，L为变频空压机驱动电路滤波电感，R为压缩空气电动机等效电阻，e为电动机内电压。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3)中，对输出三相电压进行Park变换，得到dq旋转坐标系下的数学模型为：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5)中，电流闭环控制模型中的传递函数公式为：

式中，K_P是比例系数，K_R是谐振系数，ω_c是截止频率。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤6)中，改进后的传递函数表达式为：

式中，K_P是比例系数，K_R是谐振系数，ω_c是截止频率，ω₀是谐振频率。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于,步骤7)中，对变频空压机驱动电路输出电流含量最多的5次、7次特定次谐波进行抑制，得到多重比例谐振传递函数表达式为：

式中，ω_i为特定次谐振频率。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤8)中，PI控制的传递函数为G_PI(s)，

正弦三相交流信号的误差在αβ两相静止坐标系下可以写成e_α(t)、e_β(t)，经过Park变换后得到dq两相旋转坐标系下的输出信号，之后通过PI控制器，再经过Park逆变换，最后变换到αβ两相静止坐标系下的输出信号u_α(t)、u_β(t)。

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