CN112448604A - 一种整流器控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整流器控制电路，所述控制电路包括：主功率电路模块、锁相环模块、坐标变换模块、预测模块以及价值优化模块；所述预测模块、所述价值优化模块以及所述主功率电路模块顺次连接；所述主功率电路模块、电感以及所述锁相环模块顺次连接；所述坐标变换模块的第一端连接在所述锁相环模块与所述电感之间的通路上，所述坐标变换模块的第二端连接所述预测模块，所述坐标变换模块的第三端连接在所述主功率电路模块与所述电感的通路上。本发明公开的整流器控制电路，能够有效解决空间交流母线架构中交流频率波动与交流侧电流谐波分量较多的问题。

Description

一种整流器控制电路

技术领域

本发明属于空间交直流变换技术领域，尤其涉及一种整流器控制电路。

背景技术

随着航天技术与空间科学的飞速发展，人类认识宇宙的手段越来越丰富，开展地月日大系统研究，进行太阳系边际探测，已成为人类航天活动的重要方向。随着深空探测任务需求的难度不断加大，对于航天器电源系统的设计要求更为苛刻。在保证电源系统实现高可靠、高功率密度的前提下，为减小电源系统母线电流及线缆功率损耗，基于交流母线架构的分布式电源系统逐渐引起人们的关注。高压的交流母线电源系统中不可避免的存在较大的谐波干扰，大量的谐波电流不仅会对电源系统的设计带来很大的难度，还会影响降低电源系统的转换效率和电源品质。与此同时，高压交流母线的频率也在一定程度上有所波动，对后级的功率变换装置造成极大的损伤，从而大大减低的航天器电源系统的可靠性。VIENNA(维也纳)整流器是通过控制电路实现输入电流波形严格跟踪输入电压波形，从而达到抑制谐波电流、提高功率因数的目的。

考虑到基于交流母线架构的分布式电源系统输出频率的波动，会给航天器电源系统安全运行带来严重影响。当系统频率波动时，交流侧角频率存在一定的不确定性，这会使三相交流电压输入存在着相位差，导致三相电压不平衡；发电机和变压器的励磁电流变化，消耗的无功功率增大，会导致输出电压波动严重。另一方面，频率越不稳定，畸变越严重，从而降低了系统的功率因数；同时，输入电流纹波严重，进而导致损耗的增加。而随着电源系统功率的增大，升压PFC变换器的开关器件必然要承受过高的电压和电流应力。

相比于传统桥式PWM整流器，三项VIENNA整流器属于Boost型功率因数校正，正常工作模式下电感电流连续，输入电流正弦化，畸变率低，因此能够实现整流器单位功率因数运行；开关管电压应力仅为直流母线电压的一半，在相同功率下开关损耗更小，效率可以得到一定程度的提升，更适合大功率场合；其拓扑中不含有源桥臂，无桥臂直通风险，无需额外设置死区。维也纳整流器为三电平结构，控制更加灵活，大大减小了总谐波失真度，因此，可以减小无源器件的数值和体积，提高系统功率密度；电压的跳变较小，在相同的开关频率下电感的电流纹波降低，因而减小了电感的体积，提高了整流器的功率密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：空间交流母线架构中交流频率波动与交流侧电流谐波分量较多的问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种整流器控制电路，其中，所述控制电路包括：主功率电路模块、锁相环模块、坐标变换模块、预测模块以及价值优化模块；

所述预测模块、所述价值优化模块以及所述主功率电路模块顺次连接；

所述主功率电路模块、电感以及所述锁相环模块顺次连接；

所述坐标变换模块的第一端连接在所述锁相环模块与所述电感之间的通路上，所述坐标变换模块的第二端连接所述预测模块，所述坐标变换模块的第三端连接在所述主功率电路模块于所述电感的通路上。

可选的，所述主功率电路模块包括：第一桥式电路分支、第二桥式电路分支、第三桥式电路分支、第一开关、第二开关、第三开关、第一滤波电容、第二滤波电容以及负载和电源，其中，每个桥式电路包括两个二极管和一个电感。

可选的，所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关均为双向功率开关管。

可选的，所述第一滤波电容、第二滤波电容为容量相同的输出分压电容，所述第一滤波电容与所述第二滤波电容的电压均为输出电压的一半。

可选的，所述锁相环模块用于：依据采集的到电压确定交流侧电压角度。

可选的，所述坐标变换模块用于：

通过对三相电压进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电压信号；

通过对三相电流进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电流信号。

可选的，所述预测模块用于：

对下一时刻不同电压矢量作用下的电流动态行为进行预测。

可选的，所述价值优化模块用于：

通过价值函数对所述预测模块的预测结果进行评估和优化；

选择最优开关状态，依据所述最优开关状态确定下一时刻功率开关的控制信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本申请实施例提供的整流器控制电路，包括主功率电路模块、锁相环模块、坐标变换模块、预测模块以及价值优化模块；该控制电路所依据的模型自校正预测控制算法简单、运算量小，保证了控制系统的响应速度。在控制对象模型参数不匹配时，该控制算法具有较强的鲁棒性，可大大提高空间整流模块的功率因数，进而提高了电源系统的效率。对于空间大功率的交流母线系统，该控制算法有利于自适应交流侧的参数变化，不仅可提高电源系统的动态响应能力，符合空间飞行器对于电源控制模块的智能化的迫切需求，还可以有效解决空间交流母线架构中交流频率波动与交流侧电流谐波分量较多的问题。

附图说明

图1为本发明提供的整流器控制电路的简易电路图；

图2是本发明提供的三相VIENNA整流器简化拓扑电路图；

图3是本发明提供的整流器控制电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的整流器控制电路的简易电路示意图。

本申请实施例提供的整流器控制电路适用于任意适当类型的整流器，例如：空间大功率三相三电平VIENNA整流器。如图1所示，整流器控制电路，主功率电路模块101、锁相环(Phase Locked Loop，PLL)模块、坐标变换模块即abc→αβ模块、预测模块以及价值优化模块。

预测模块、价值优化模块以及所述主功率电路模块顺次连接；主功率电路模块、电感以及锁相环模块顺次连接；坐标变换模块的第一端连接在锁相环模块与电感之间的通路上，坐标变换模块的第二端连接预测模块，坐标变换模块的第三端连接在主功率电路模块与电感的通路上。

锁相环模块用于：依据采集的到电压确定交流侧电压角度。

坐标变换模块用于：通过对三相电压进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电压信号；通过对三相电流进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电流信号。

预测模块用于：对下一时刻不同电压矢量作用下的电流动态行为进行预测。

价值优化模块用于：通过价值函数对所述预测模块的预测结果进行评估和优化；选择最优开关状态，依据最优开关状态确定下一时刻功率开关的控制信号。

在一种可选地实施例中，主功率电路模块包括：第一桥式电路分支、第二桥式电路分支、第三桥式电路分支、第一开关、第二开关、第三开关、第一滤波电容、第二滤波电容以及负载和电源，其中，每个桥式电路包括两个二极管和一个电感。此外，主功率电路模块还包括在系统运行过程中采集交流侧电压和输入电流。

其中，第一开关、第二开关以及第三开关均为双向功率开关管。第一滤波电容、第二滤波电容为容量相同的输出分压电容，第一滤波电容与第二滤波电容的电压均为输出电压的一半。

下面参照图2至图3，以将本发明实施例提供的整理器控制电路，应用到三相VIENNA整流器为例进行说明。

图2为三相VIENNA整流器简化拓扑电路图。三相VIENNA整流器相当于图1中所示的主功率电路模块。

图2所示，三相VIENNA整流器简化拓扑电路包括：La、Lb、Lc为感值相等的输入滤波电感；D1、D2、D3、D4、D5、D6为大功率快速恢复二极管，上下两只快速恢复二极管构成了一只桥臂；Sa、Sb、Sc为双向功率开关管，每个双向功率开关管是由两个开关功率器件组成的；C1和C2为输出分压电容，其容量相等，电压均为输出电压的一半。有功功率单方向从交流侧流到直流侧，无功功率在交流侧流动。在三相VIENNA电路中，交流电经过输入滤波电感流入VIENNA电路的功率部分，整流器直流侧采用的输出电容进行分压，达到三电平的输出效果，同时可以降低输出电压纹波。

其中，图2中一只桥臂和一个输入滤波电感组成一个桥式电路分支。

图3为基于对三相VIENNA整流器的控制需求，进行变形的整流器控制电路的电路图。该整流器控制电路又可称为模型自校正预测控制电路。该控制电路采用PI控制器进行直流母线电压控制，并给出d轴电流参考值。为实现系统单位功率因数运行，q轴电流参考值设置为0。将d、q轴电流参考值经过坐标变换得到两相静止坐标系中的电流参考值。将观测器测到的电感参数L0补偿到电流预测模型中得到修正的电流预测模型。根据模型预测控制原理，将采集到的实时电压、电流信号通过修正后的电流预测模型，利用价值函数得到最优的开关状态作为下一时刻功率开关的控制信号。

其中，图3中虚线所圈定的区域相当于图2中的主动率电路模块的电路部分，且基于具体地应用场景对主动率电路模块的电路部分做适应性调整。例如：将三个桥式电路分支中的双向功率开关管和桥臂整合至图3中的S_k模块部分。

本申请实施例提供的整流器控制电路，所依据的模型自校正预测控制算法简单、运算量小，保证了控制系统的响应速度。在控制对象模型参数不匹配时，该控制算法具有较强的鲁棒性，可大大提高空间整流模块的功率因数，进而提高了电源系统的效率。对于空间大功率的交流母线系统，该控制算法有利于自适应交流侧的参数变化，不仅可提高电源系统的动态响应能力，符合空间飞行器对于电源控制模块的智能化的迫切需求，还可以有效解决空间交流母线架构中交流频率波动与交流侧电流谐波分量较多的问题。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种整流器控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：主功率电路模块、锁相环模块、坐标变换模块、预测模块以及价值优化模块；

所述预测模块、所述价值优化模块以及所述主功率电路模块顺次连接；

所述主功率电路模块、电感以及所述锁相环模块顺次连接；

所述坐标变换模块的第一端连接在所述锁相环模块与所述电感之间的通路上，所述坐标变换模块的第二端连接所述预测模块，所述坐标变换模块的第三端连接在所述主功率电路模块与所述电感的通路上。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述主功率电路模块包括：第一桥式电路分支、第二桥式电路分支、第三桥式电路分支、第一开关、第二开关、第三开关、第一滤波电容、第二滤波电容以及负载和电源，其中，每个桥式电路分支包括两个二极管和一个电感。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关均为双向功率开关管。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一滤波电容、第二滤波电容为容量相同的输出分压电容，所述第一滤波电容与所述第二滤波电容的电压均为输出电压的一半。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述锁相环模块用于：依据采集的到电压确定交流侧电压角度。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述坐标变换模块用于：

通过对三相电压进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电压信号；

通过对三相电流进行3/2变换，得到两相静止坐标系下的电流信号。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述预测模块用于：

对下一时刻不同电压矢量作用下的电流动态行为进行预测。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述价值优化模块用于：

通过价值函数对所述预测模块的预测结果进行评估和优化；

选择最优开关状态，依据所述最优开关状态确定下一时刻功率开关的控制信号。

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