CN112311216B - 一种变流器过流抑制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变流器过流抑制方法及装置，通过电流预测算法、电压的矫正算法、电压补偿得出PWM调制电压进行输出，以抑制过流问题，本发明的方法在一个开关周期内，通过计算出改变变流器输出的瞬时PWM电压，最大限度利用变流器的剩余容量，迅速抑制可能发生的过流故障，该方法通用性高，且实用性强，不需要额外增加硬件设备，纯粹通过软件算法即可完成变流器的过流抑制。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变流器控制领域，具体涉及到与变流器的过流抑制方法，以及采用这种方法的装置。
背景技术
功率变流器是能源变换、交通装置的核心设备，可以说而大功率变流器是许多高端装备诸如风机、电动汽车、轨道机车的“心脏”，其性能的好坏除了与变流器的自身设计有关外，还与变流器的控制策略密切相关，大功率的变流器一般用于交-直变换或者直-交变换，需要面对交流电网、直流电网、交流负载、直流负载的剧烈波动及不断变化，这些来自外部的复杂多变的应用环境，给变流器的控制来带很多挑战。变流器在实际运营过程中，不论是哪种故障，最终常常会反映到电流的异常上，最恶劣的情况是导致过流保护，如果因过流故障导致经常性的跳闸，会严重影响功率变换装置的运行可靠性，而一般的方法是采用硬件装置对过流故障进行保护，这类方法并不能解决过流故障本身，而只是故障发生后的一种保护措施，另外有一些方法就是对电流的变化趋势进行预估，即使调整控制算法中的给定值或者参考电压，对电流进行抑制，但这类方法响应速度太慢，使得在系统中出现突发性故障时，往往响应不够及时，或者是由于判据中存在微分项而引入干扰，影响判断的准确性，无法工程实际运用。
如现有技术1“CN2018115539677-一种电动助力转向系统过流抑制方法及装置”所用方法是实时采集电机的三相电流，对电流及实时角度进行分析，预估当前转动周期内最大相电流，当预估电流大于过流阈值时，减小目标电流，从而对过流进行抑制，然而其方法判断精度和响应速度不够高。此外，现有技术2“无网侧电压传感器PWM整流器控制技术的研究-史经丛-中国矿业大学硕士研究学位论文”中公开了一种通识性的描述，在变流器软启动过程中，通过调整不同的参考电压来调整电流矢量的幅值与相位，从而实现过流抑制，然而该方法只是适应于整流器的软启动过程，不能够直接抑制系统可能产生的瞬态电流。
总之，变流器的过流故障十分常见而且另人头痛，因为变流器在各种不同的工况下，需要面对各种复杂多变的外部环境，诸如电网电压的波动、负载的突变等，这些来自外部的变化，对控制系统来说就是扰动，这些扰动常常引起变流器的过流故障。因此，亟需设计一种精度高，响应速度快的变流器的过流抑制方法，以能够工程实现且尽可能通用。
发明内容
基于此，本发明提出了一种变流器过流抑制方法及装置，该方法属于一种脉冲级瞬态电流抑制方法，精度高，响应速度快，而且能够工程实现，是一种行之有效的通用性较强的过流抑制方法，可以大大提升实际装置的可靠性且能够通过软件计算实现，无需增加过多硬件。
为解决上述问题，本发明提供了一种变流器过流抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：数据采集
通过AD采集获得变流器的交流电压Ug和PWM调制电压Up；
步骤2：电流预测算法
计算t1时刻电流的瞬时值ig1的预测值为：
ig1_esti为t1时刻电流ig的预测值，
为一个开关周期Tc内交流电压Ug的均值，
为一个开关周期内PWM调制电压Up的均值，在t0时刻，交流电流的瞬时值为ig0，Ug和Up两个电压之间的电阻为R，电感为L，电流为ig；
步骤3：矫正算法
假设电流的过流门槛为igmax，当步骤2中计算得到的ig1_esti＞igmax时，这表明所选用的一个开关周期内PWM调制电压的均值
选取的是有一定问题的，此时则对
进行修正，得到
的修正值
其中，
为能根据
的值和公式3解算出的补偿量。
步骤4：电压补偿
在考虑变流器交流侧最大能够产生的交流电压值Upmax限制的情况下，对修正值
进行补偿，以作为变流器的PWM调制电压。
进一步的，步骤1中的变流器为DC/AC逆变器或者AC/DC整流器，变流器的Ug和Up两个电压之间满足：
进一步的，步骤3中还包括：
补偿量
的选取依据为：当对
进行修正而得到
后，ig1_esti的绝对值能够刚好达到igmax，或者比igmax略小一点，取一个根据实际的调试或者运用工况进行调整的系数K，以使得：
根据公式5，可以直接解算出补偿量
的大小，则这个电压的补偿量可以求出，进而根据公式4求出修正后的电压值
进一步的，步骤4中还包括：
考虑变流器最大输出电压的能力，假设变流器直流侧电压为Ud，对不同变流器拓扑时，其最大直流电压利用系数为Dmax，则存在如下数学关系：
Upmax＝Dmax*Ud(公式6)
得到的
与Upmax进行比较，当
超过Upmax时，限制性的取
即：
此外，本发明还公开了一种变流器过流抑制装置，包括：
至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项的变流器过流抑制方法。
此外，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的变流器过流抑制方法。
本发明提出了一种变流器过流抑制方法及装置，其相对于现有技术，具备以下优点：
1)相对于现有技术1，本发明采用的方法是当预估电流大于过流阈值时，通过调节变流器的输出电压，从而对电流进行抑制，与其专利的响应速度及控制效果有较大提升。相对于现有技术2，本发明采用的方法不仅可在软启动过程中实现，也可适应于变流器正常工作及各种恶劣的工况中，另外本发明也不是对参考电压进行调整来间接抑制电流，而是直接对调制电压进行控制，直接抑制系统可能产生的瞬态电流。
2)本发明的变流器过流抑制方法属于一种行之有效的通用性较强的工程方法，变流器唯一的控制手段就是其发出的PWM脉冲，本发明的思路是在一个开关周期内，通过改变变流器输出的瞬时PWM电压，最大限度利用变流器的剩余容量，迅速抑制可能发生的过流故障。
3)本发明的变流器过流抑制方法大大提升了实际装置的可靠性且能够通过软件计算实现，无需增加过多硬件，可通过软件直接实现。
附图说明
图1为网侧变流器拓扑结构图；
图2为逆变侧变流器拓扑结构图；
图3为本发明中变流器PWM电压相关原理示意图；
图4为本发明变流器过流抑制方法的流程图。。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明分别以变流器中的整流器和逆变器得简化模型为例，分析变流器的输入输出特性：
图1为适用于单相的变流器或者三相的变流器的网侧变流器的拓扑结构图，U0为交流输入侧交流电压，可以为单相的交流电或者三相的交流电，R1和L1分别为供电网与AC/DC变流器之间的等效电阻与等效电感，Uab1为网侧变流器的交流输入电压，Cd1为支撑电容，i1为网侧变流器的输入电流。
图2为适用于单相的变流器或者三相的变流器的逆变侧变流器的拓扑结构图，Us为电机反电势或者是交流并网处电压，可以为单相的交流电或者三相的交流电，R2和L2分别为反电势或交流并网处电压与DC/AC变流器之间的等效电阻与等效电感，Uab2为逆变侧变流器的交流输出电压，Cd2为支撑电容，i2为网侧变流器的输入电流。
图1和图2实际上存在共性，在变流器交流侧，都是输出PWM电压(Uab1或者Uab2)，经过阻感后与另一交流电压(U0或者Us)相连，以图1为例，对本专利的基本思路进行介绍，通过图1所示的拓扑结构图，可知系统存在如下固定的关系表达式：
在一个控制周期中，PWM电压与交流电压的关系可见图3，如图3所示，设PWM电压(Uab1或者Uab2)为Up，交流电压(U0或者Us)为Ug，这两个电压之间的电阻为R，电感为L，电流为ig，则根据公
式1，可以得到：
参见图4所示，该变流器的交流电压Ug和PWM调制电压Up能通过AD采集模块获得。
进一步的，假设一个开关的长度为Tc，图3中画出了两个连续的开关周期，Tc＝Tc1＝Tc2，这两个开关周期中脉宽分别为Mc1和Mc2，在t0时刻，交流电流的瞬时值ig＝ig0，在脉宽Mc1与交流电压Ug的共同作用下，在t1时刻时，交流电流的瞬时值ig＝ig1，通过公式2的计算，这个t1时刻电流的瞬时值ig1是可以预测出来的，其预测值公式为；
其中，ig1_esti为t1时刻电流ig的预测值，
为一个开关周期内交流电压Ug的均值，
为一个开关周期内PWM调制电压Up的均值。
计算获得ig1_esti后，需要根据ig1_esti来逆向分析用于产生该预测值的PWM调制电压的均值
是否有问题，从而执行矫正算法，以有效的抑制过流问题。
矫正算法如下：假设电流的过流门槛为igmax，这个值一般根据系统功率及运用情况而设定，igmax作为一个已知的固定值，当ig1_esti＞igmax时，这表明所选用的一个开关周期内PWM调制电压的均值
选取的是有一定问题的，此时则对
进行修正，得到
的修正值
其中，补偿量
的选取依据为：当对
进行修正而得到
后，ig1_esti能够刚好达到igmax，或者比igmax略小一点，这里取一个系数K，根据实际的调试或者运用工况进行调整，使得：
根据公式5，可以直接解算出补偿量
的大小，则这个电压的补偿量可以求出，进而根据公式4求出修正后的电压值
然而，需要注意的是，申请人经过实际调试和理论分析还发现，补偿量
的取值范围是有界的，运用补偿量
的过程中还有一限制条件，即考虑变流器最大输出电压的能力，假设变流器直流侧电压为Ud，对不同变流器拓扑时，其最大直流电压利用系数为Dmax(直流电压利用率这是一个可以实时计算出来的基础变量)，则存在如下数学关系：
Upmax＝Dmax*Ud(公式6)
其中，Upmax为变流器交流侧最大能够产生的交流电压值。
得到的
必须与Upmax进行比较，当
超过Upmax时，只能取
即：
从而在一个开关周期内，通过改变变流器输出的瞬时PWM电压，最大限度利用变流器的剩余容量Upmax，迅速抑制可能发生的过流故障。
上述图4的实施例描述的思路中包含的各个环节，比如电流预测算法及矫正算法，以及电压补偿，这几个环节对本领域技术人员来说有可能对提及的公式1～公式5进行常规变形处理，或者采取类似不同的参数，然而其大体构思都并不算脱离与本发明的方法的设计思路。
另外需要说明的是，本发明的变流器过流抑制方法可以转换为软件程序指令，既可以使用包括处理器和存储器的控制系统来运行实现，也可以通过非暂态计算机可读存储介质中存储的计算机指令来实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
由上可知，本发明的变流器过流抑制方法及装置具备如下优点：
(1)适应于有功率变流器控制参与的应用领域；
(2)适应于整流型变流器或者逆变型变流器；
(3)通用性强，除了这两种变流器外，其他类似的复合型变流器均应涵盖在该方法的应用范围内，只要其最终能够等效于公式2的关系即可；
(4)实用性强，不需要额外增加硬件设备，纯粹通过算法即可完成变流器的过流抑制。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种变流器过流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：数据采集
通过AD采集获得变流器的交流电压Ug和PWM调制电压Up；
步骤2：电流预测算法
计算t1时刻电流的瞬时值ig1的预测值为：
ig1_esti为t1时刻电流ig的预测值，
为一个开关周期Tc内交流电压Ug的均值，
为一个开关周期内PWM调制电压Up的均值，在t0时刻，交流电流的瞬时值为ig0，Ug和Up两个电压之间的电阻为R，电感为L，流过串联的电感L和电阻R的电流为ig；
步骤3：矫正算法
假设电流的过流门槛为igmax，当步骤2中计算得到的|ig1_esti|＞igmax时，这表明所选用的一个开关周期内PWM调制电压的均值
选取的是有一定问题的，此时则对
进行修正，得到
的修正值
其中，
为能根据
的值和公式3解算出的补偿量；
步骤4：电压补偿
在考虑变流器交流侧最大能够产生的交流电压值Upmax限制的情况下，对修正值
进行补偿，以作为变流器的PWM调制电压。
2.根据权利要求1所述的变流器过流抑制方法，其特征在于，步骤1中的变流器为DC/AC逆变器或者AC/DC整流器，变流器的Ug和Up两个电压之间满足：
3.根据权利要求1所述的变流器过流抑制方法，其特征在于，步骤3中还包括：
补偿量
的选取依据为：当对
进行修正而得到
后，ig1_esti的绝对值能够刚好达到igmax，或者比igmax略小一点，取一个根据实际的调试或者运用工况进行调整的系数K，以使得：
根据公式5，可以直接解算出补偿量
的大小，则这个电压的补偿量可以求出，进而根据公式4求出修正后的电压值
4.根据权利要求1～3之一所述的变流器过流抑制方法，其特征在于，步骤4中还包括：
考虑变流器最大输出电压的能力，假设变流器直流侧电压为Ud，对不同变流器拓扑时，其最大直流电压利用系数为Dmax，则存在如下数学关系：
Upmax＝Dmax*Ud (公式6)
得到的
与Upmax进行比较，当
超过Upmax时，限制性的取
即：
5.一种变流器过流抑制装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至4任一项所述的变流器过流抑制方法。
6.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至4任一项所述的变流器过流抑制方法。
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