CN111464103B - 一种无电解电容网侧电流谐波抑制方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制方法与系统，属于变频驱动领域。本发明基于无电解电容空调压缩机驱动系统的功率耦合特性，首先生成与网侧电压波动一致的理想q轴电流指令，再通过电压前馈的方式修正逆变器输出功率来改善网侧功率因数并降低谐波，然后构建虚拟母线电压来有效补偿网侧电压本身所具有的畸变，从而降低了网侧电流谐波并提高了网侧功率因数；而且，本发明对于原系统的影响极小，且增加的计算量很小，容易在工程上得到实现。

Description

一种无电解电容网侧电流谐波抑制方法与系统
技术领域
本发明属于变频驱动领域，更具体地，涉及一种无电解电容网侧电流谐波抑制方法与系统。
背景技术
如今以永磁压缩机为核心的空调变频调速系统得到快速的发展，高功率密度电机以及高效率功率变换器的使用使得空调驱动系统取得了较高的能效标准，然而负载侧的运行效率不足以进一步提高空调驱动的能量效率，因而提高交流进线侧的效率开始进入人们的视野。传统变频空调驱动方案中，直流母线处采用大容量的电解电容来解耦前后级能量和维持母线电压稳定，这样会导致网侧电流畸变，难以满足IEC 61000-3-2谐波发射标准；同时，电解电容本身存在成本高、体积大、容易失效等缺点。
此时，采用小容量的薄膜电容取代传统母线侧大容量的电解电容成了新的研究热点。采用小容量的薄膜电容为改善网侧功率因数创造了条件，能够省去功率因数校正电路，降低了驱动系统成本。同时，使用小容量的薄膜电容替换母线处大容量的电解电容使得无电解电容空调压缩机驱动系统具有功率耦合的特性，因此，在忽略电容功率的情况下，可以简化模型，将逆变器的输出功率近似为电机的消耗功率，进而通过控制电机转矩电流来实现网侧高功率因数的控制目标。间接功率控制采用双闭环结构，通过控制转矩电流与电网输入功率同步来实现网侧高功率因数。
但是，转矩电流和输入功率之间的关系是一种近似关系，使得即便转矩电流得到了控制，实际的输入功率与理想的输入功率仍然存在差距，进而加重网侧电流的畸变；其次由于电流环带宽的限制，母线电压在波谷时，电流调节器容易饱和，导致网侧电流谐波含量加高；同时，由于网侧电压本身不是以理想的正弦波动，存在一定的谐波，使得最终的网侧输入电流，难以符合IEC 61000-3-2谐波发射标准。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无电解电容网侧电流谐波抑制方法和系统，旨在解决网侧电流谐波含量高、网侧功率因数不高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种无电解电容网侧电流谐波抑制方法，包括以下步骤：
S1、基于逆变器输出功率与电机消耗功率之间的关系，根据当前转矩指令
Figure GDA0003290293280000021
与网侧电压相位θg，获取q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000022
同时给定d轴电流指令
Figure GDA0003290293280000023
S2、对所述d、q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000024
与d、q轴实时电流id，iq之间的误差进行比例积分运算，得到d、q轴电压指令ud,uq；
S3、将所述d、q轴电压指令ud,uq和电机交叉解耦电压udff,uqff相加得到电机运行所需电压
Figure GDA0003290293280000025
根据理想输出功率和当前输出功率的关系对电压
Figure GDA0003290293280000026
进行电压前馈计算，再经坐标变换得到静止坐标系电压；
S4、构建虚拟母线电压，根据所述静止坐标系电压和所述虚拟母线电压Fudc获取空间矢量脉宽调制的占空比，从而对电机进行控制。
所述步骤S1中，所述转矩指令
Figure GDA0003290293280000031
通过对电机给定转速
Figure GDA0003290293280000032
与实时转速ωr之间的误差进行比例积分处理得到，网侧电压相位θg通过对电网实时电压ug进行锁相得到。
所述步骤S1中，通过以下公式获取q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000033
Figure GDA0003290293280000034
其中，系数
Figure GDA0003290293280000035
P为电机极对数，
Figure GDA0003290293280000036
为电机永磁磁链。
所述步骤S2中，所述d、q轴实时电流id，iq通过以下步骤获取：
对采集的实时电流ia,ib进行Clark变换得到α、β轴电流iα,iβ，再对α、β轴电流iα、iβ进行Park变换得到d、q轴实时电流id、iq。
所述步骤S3中，所述电机交叉解耦电压的计算公式为：
udff＝-Lqiqωe
Figure GDA0003290293280000037
其中，Ld、Lq分别表示电机d、q轴电感，
Figure GDA0003290293280000038
表示永磁磁链，ωe表示电机的电角速度。
所述步骤S3中，根据理想输出功率和当前输出功率的关系对
Figure GDA0003290293280000039
Figure GDA00032902932800000310
进行电压前馈计算，包括如下步骤：
S31、计算理想逆变器输出功率
Figure GDA00032902932800000311
和当前逆变器输出功率Pout；
S32、根据所述理想逆变器输出功率
Figure GDA00032902932800000312
和当前逆变器输出功率Pout获取电压修正系数
Figure GDA00032902932800000313
同时将AFF限制于区间[0.9,1,1]内；
S33、根据所述电压修正系数AFF计算旋转坐标系d、q轴电压
Figure GDA0003290293280000041
Figure GDA0003290293280000042
所述步骤S4中，虚拟母线电压Fudc采用以下公式构建：
Figure GDA0003290293280000043
其中，Ug为电网实时电压ug的幅值，Udcmin为理想的母线电压最小值。
本发明还提供了一种无电解电容网侧电流谐波抑制系统，包括
电流指令获取模块，其基于逆变器输出功率和电机消耗功率之间的关系，根据当前转矩指令
Figure GDA0003290293280000044
与网侧电压相位θg，获取q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000045
同时给定d轴电流指令
Figure GDA0003290293280000046
电压指令获取模块，用于对所述d、q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000047
与d、q轴实时电流id，iq之间的误差进行比例积分运算，得到d、q轴电压指令ud,uq；
电压前馈模块，用于将所述d、q轴电压指令ud,uq和电机交叉解耦电压udff,uqff相加得到电机运行所需电压
Figure GDA0003290293280000048
根据理想输出功率和当前输出功率的关系对电压
Figure GDA0003290293280000049
进行电压前馈计算，再经坐标变换得到静止坐标系电压；
控制模块，用于根据所述静止坐标系电压和所述虚拟母线电压Fudc获取空间矢量脉宽调制的占空比，从而对电机进行控制。
本发明基于无电解电容空调压缩机驱动系统的功率耦合特性，利用对逆变器输出功率的修正来抑制网侧电流谐波，与现有技术相比具有下列有益效果：
(1)通过生成与网侧电压波动一致的理想q轴电流指令结合电压前馈，来使得逆变器输出功率与理想的功率输出大致保持同步，从而对网侧电流进行控制；同时利用构建的虚拟母线电压，有效地补偿了网侧电压本身含有的谐波，降低了网侧电流谐波。
(2)本发明对于原系统的影响极小，且增加的计算量很小，容易在工程上得到实现。
附图说明
图1为本发明单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统的拓扑结构；
图2为本发明电机整体控制框图；
图3为采用电压前馈与虚拟母线电压的理想逆变器输出功率指令和实际输出波形；
图4为d、q轴电流给定与反馈实验波形；
图5为采用本发明方法的网侧电流和网侧电压实验波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统包括：单相电源ug、整流器、薄膜电容Cdc、电机M、逆变器；其中，单相电源用于为整流器提供单相交流电；整流器为单相不控整流器，包括二极管D1～D4，用于将单相交流电整流成直流电，并为逆变器供电；薄膜电容的两端分别连接整流器的输出端的两端，薄膜电容用于吸收因逆变器开关管的开关产生的高次谐波；逆变器为三相电压型逆变器，包括T1～T6，用于接收单相输入无电解电容空调压缩机驱动系统发送的桥臂导通脉冲信号，并根据脉冲信号控制电机；电机为空调永磁压缩机。
针对上述无电解电容空调压缩机驱动系统，本发明提供了一种能够改善网侧功率因数，同时降低网侧电流谐波的方法。基于无电解电容空调压缩机驱动系统的功率耦合特性，首先生成与网侧电压波动一致的理想q轴电流指令，再通过电压前馈修正逆变器输出功率来改善网侧功率因数并降低谐波，然后构建虚拟母线电压来有效补偿网侧电压本身所具有的畸变，从而，降低网侧电流谐波并提高网侧功率因数且增加的计算量很小。
如图2所示，本发明提出的一种无电解电容空调压缩机网侧谐波抑制方法，具体包括以下步骤：
(1)将逆变器输出功率近似为电机消耗功率，从而根据转矩与网侧电压相位，得到q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000061
具体地，先采集电机三相中任两相的实时电流ia,ib、电网实时电压ug和实时转速ωr，再根据当前转矩指令
Figure GDA0003290293280000062
以及网侧电压的相位，获取q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000063
q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000064
的具体计算过程如下：不考虑开关损耗和死区效应，从电网侧到逆变器侧的功率关系为：
Pg＝Pc+Pinv
Pc表示电容功率，Pinv表示逆变器输出功率，Pg表示电网侧瞬时功率Pg＝igug，其中ug、ig分别为电网实时电压和实时电流，假设网侧输入单位功率因数，即电网电流为与电网电压同频同相的正弦波，其表达式为：
Figure GDA0003290293280000071
其中，Ig、Ug分别为电网侧电流、电压的峰值，θg为网侧电压相位。
对于图1的电路结构，有
Figure GDA0003290293280000079
忽略较小的电容功率
Figure GDA00032902932800000710
有
Pg≈Pinv (3)
Pinv≈Pm＝τmωr (4)
其中Pm为电机消耗功率，τm为电机转矩。
由式(1)-(4)可构造q轴电流指令:
Figure GDA0003290293280000072
以上，考虑电机参数的不同而乘以的系数
Figure GDA0003290293280000073
P为电机极对数，
Figure GDA0003290293280000074
为电机永磁磁链；网侧电压相位θg通过对电网实时电压ug进行锁相得到；
Figure GDA0003290293280000075
为转矩指令的幅值，通过对电机给定转速
Figure GDA0003290293280000076
与实时转速ωr之间的误差进行比例积分处理得到。
(2)对采集的实时电流ia,ib进行Clark变换得到α、β轴电流iα,iβ，接下来对α、β轴电流iα、iβ进行Park变换得到实时d、q轴电流id、iq；然后给定d轴电流指令
Figure GDA0003290293280000077
分别对d、q轴电流指令
Figure GDA0003290293280000078
与对应的实时d、q轴电流id，iq之间误差进行比例积分运算，得到d、q轴电压指令ud,uq；
其中，d轴电流指令
Figure GDA0003290293280000081
跟电机有关，取值为电机的最大弱磁电流2/3～1/2；
(3)将所述d、q轴电压指令ud,uq和电机交叉解耦电压udff,uqff相加后得到电机运行所需电压
Figure GDA0003290293280000082
再根据理想输出功率和当前输出功率的关系对
Figure GDA0003290293280000083
进行电压前馈计算，将前馈计算后的电压udqref进行坐标变换，得到静止坐标系电压uαβref；构建虚拟母线电压，根据静止坐标系电压uαβref和所述虚拟母线电压Fudc计算空间矢量脉宽调制的占空比，从而计算出逆变器桥臂导通的时间，并利用逆变器输出电压uα、uβ对电机进行控制。
所述电机交叉解耦电压udqff的计算公式为：
udff＝-Lqiqωe
Figure GDA0003290293280000084
其中，Ld、Lq分别表示电机d、q轴电感，
Figure GDA0003290293280000085
表示永磁磁链，ωe表示电机的电角速度。
根据理想输出功率和当前输出功率的关系对
Figure GDA0003290293280000086
进行电压前馈计算，包括如下步骤：
1、计算理想逆变器输出功率
Figure GDA0003290293280000087
和当前逆变器输出功率
Figure GDA0003290293280000088
2、计算电压修正系数
Figure GDA0003290293280000089
并限制AFF的大小位于区间[0.9,1,1]范围内；
3、计算实际输出电压
Figure GDA00032902932800000810
Figure GDA0003290293280000091
其中，σ为功率耗散系数，一般取0.8；id、iq分别表示实时d、q轴电流，udref、uqref分别表示旋转坐标系d、q轴电压。
虚拟母线电压Fudc的计算公式为：
Figure GDA0003290293280000092
其中，Ug为电网实时电压ug的幅值，Udcmin为理想的母线电压最小值，优选的取值为50V。
最后，通过实验对本发明所提出的方法进行验证。图3为采用本发明方法的逆变器理想输出功率和实际输出功率实验波形，可见逆变器输出功率较好地符合理想状态；图4为d，q轴电流指令和反馈波形，可见d，q轴电流跟踪性能较好；图5为网侧电压、电流波形，可见网侧电流跟随网侧电压波动，且呈现很好的正弦波形。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于逆变器输出功率与电机消耗功率之间的关系，根据当前转矩指令
Figure FDA0003290293270000011
与网侧电压相位θg，获取q轴电流指令
Figure FDA0003290293270000012
同时给定d轴电流指令
Figure FDA0003290293270000013
S2、对所述d、q轴电流指令
Figure FDA0003290293270000014
与d、q轴实时电流id，iq之间的误差进行比例积分运算，得到d、q轴电压指令ud，uq；
S3、将所述d、q轴电压指令ud，uq和电机交叉解耦电压udff，uqff相加得到电机运行所需电压
Figure FDA0003290293270000015
根据理想输出功率和当前输出功率的关系对电压
Figure FDA0003290293270000016
进行电压前馈计算，再经坐标变换得到静止坐标系电压；
S4、构建虚拟母线电压，根据所述静止坐标系电压和所述虚拟母线电压Fudc获取空间矢量脉宽调制的占空比，从而对电机进行控制；
所述步骤S1中，所述转矩指令
Figure FDA0003290293270000017
通过对电机给定转速
Figure FDA0003290293270000018
与实时转速ωr之间的误差进行比例积分处理得到，网侧电压相位θg通过对电网实时电压ug进行锁相得到；
所述步骤S4中，虚拟母线电压Fudc采用以下公式构建：
Figure FDA0003290293270000019
其中，Ug为电网实时电压ug的幅值，Udcmin为理想的母线电压最小值。
2.如权利要求1所述的无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过以下公式获取q轴电流指令
Figure FDA0003290293270000021
Figure FDA0003290293270000022
其中，系数
Figure FDA0003290293270000023
P为电机极对数，
Figure FDA0003290293270000024
为电机永磁磁链。
3.如权利要求1所述的无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述d、q轴实时电流id，iq通过以下步骤获取：
对采集的实时电流ia，ib进行Clark变换得到α、β轴电流iα，iβ，再对α、β轴电流iα、iβ进行Park变换得到d、q轴实时电流id、iq。
4.如权利要求1所述的无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述电机交叉解耦电压的计算公式为：
udff＝-Lqiqωe
Figure FDA0003290293270000025
其中，Ld、Lq分别表示电机d、q轴电感，
Figure FDA0003290293270000026
表示永磁磁链，ωe表示电机的电角速度。
5.如权利要求4所述的无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据理想输出功率和当前输出功率的关系对
Figure FDA0003290293270000027
进行电压前馈计算，包括如下步骤：
S31、计算理想逆变器输出功率
Figure FDA0003290293270000028
和当前逆变器输出功率Pout；
S32、根据所述理想逆变器输出功率
Figure FDA0003290293270000029
和当前逆变器输出功率Pout获取电压修正系数
Figure FDA00032902932700000210
同时将AFF限制于区间[0.9，1，1]内；
S33、根据所述电压修正系数AFF计算旋转坐标系d、q轴电压
Figure FDA0003290293270000031
Figure FDA0003290293270000032
6.一种无电解电容空调压缩机网侧电流谐波抑制系统，其特征在于，包括
电流指令获取模块，其基于逆变器输出功率和电机消耗功率之间的关系，根据当前转矩指令
Figure FDA0003290293270000033
与网侧电压相位θg，获取q轴电流指令
Figure FDA0003290293270000034
同时给定d轴电流指令
Figure FDA0003290293270000035
电压指令获取模块，用于对所述d、q轴电流指令
Figure FDA0003290293270000036
与d、q轴实时电流id，iq之间的误差进行比例积分运算，得到d、q轴电压指令ud，uq；
电压前馈模块，用于将所述d、q轴电压指令ud，uq和电机交叉解耦电压udff，uqff相加得到电机运行所需电压
Figure FDA0003290293270000037
根据理想输出功率和当前输出功率的关系对电压
Figure FDA0003290293270000038
进行电压前馈计算，再经坐标变换得到静止坐标系电压；
控制模块，用于根据所述静止坐标系电压和所述虚拟母线电压Fudc获取空间矢量脉宽调制的占空比，从而对电机进行控制；
所述虚拟母线电压Fudc采用以下公式构建：
Figure FDA0003290293270000039
其中，Ug为电网实时电压ug的幅值，Udcmin为理想的母线电压最小值。
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