CN112583293A - 一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统 - Google Patents

一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统，属于逆变电源的技术领域，包括根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；根据预设的各相参考电压及U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量；根据各相的电压调节量计算各相的调制度；根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。本发明具有三相之间是分别独立控制的，无需复杂的解耦算法，控制简单，实施成本低，且三相电流不参与闭环控制，对电流波形正弦度没有要求，可以适用于非线负载的优点。

Description

一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及逆变电源的技术领域，具体涉及一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统。
背景技术
随着近几年新能源产业的快速发展和市场规模的不断扩大，引发了电力电子器件以及储能介质的阶跃式发展，储能介质能量体积比性能的提升，储能式应急电源车的发展提供了基础条件。储能式应急电源车是未来发展的一个方向，可克服传统燃油电源车无法做到不间断供电、噪音大、废气污染严重等缺点。储能式应急电源车搭载大容量锂电池系统和逆变电源系统，平时充好电备用，需要使用时移动至相应场所，然后开启逆变系统将电池的直流电进行逆变放电给交流用电设备使用。
现有技术中，逆变电源的控制方法分为两类。一类是使用SVPWM调制的开环控制，依靠母线电压和调制比，来控制输出电压。该方法在负载比较重时，流过输出滤波器上的电流大，滤波器上产生较大的压降，输出电压降低。另一类采用SVPWM调制的双闭环控制(电压环，电流环)，该方法提取输出电压中正序分量，负序分量和零序分量，分别加以控制，从而抑制了三相不平衡负载时的电压畸变。但该方法比较复杂，对电源处理器要求较高，增加了成本。另外，该方法是建立在以负载为线性负载，输出电流为较好正弦波的基础之上，对于非线性载，比如不控整流的负载，难以取得较好控制效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统，三相之间是分别独立控制的，无需复杂的解耦算法，控制简单，实施成本低，且三相电流不参与闭环控制，对电流波形正弦度没有要求，可以适用于非线负载。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法及系统，包括，
根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；
根据预设的各相参考电压及所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；
根据所述各相电压偏差值得到各相的电压调节量；
根据所述各相的电压调节量计算各相的调制度；
根据所述各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。
本发明的有益效果是，本方法根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值，根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值，根据预设的各相参考电压及U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值，根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量，再根据各相的电压调节量计算各相的调制度，再根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作，三相之间是分别独立控制的，无需复杂的解耦算法，控制简单，实施成本低，且三相电流不参与闭环控制，对电流波形正弦度没有要求，可以适用于非线负载。
进一步，所述根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值具体包括，
获取逆变电源输出的U相电压采样值U0、V相电压采样值V0及W相电压采样值W0；
使用数字带通滤波器，提取U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01；
根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
采用上述进一步方案的有益效果是，对于非线性负载，输出电压中会包含高次谐波分量。通过数字带通滤波器提取基波分量的操作，可以排除高次谐波分量对闭环控制的影响。
进一步，所述根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms具体包括，
分别计算U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
采用上述进一步方案的有益效果是，以U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms，延迟小，实时性好。
进一步，所述根据预设的各相参考电压及所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值具体包括，
各相参考电压与所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值的差值为所述各相电压偏差值。
进一步，所述根据所述各相电压偏差值得到各相的电压调节量具体包括，
将所述各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到所述各相的电压调节量。
进一步，所述根据所述各相的电压调节量计算各相的调制度具体包括，根据所述预设的各相参考电压计算各相的电压控制前馈分量；
根据所述各相的电压控制前馈分量及所述各相的电压调节量计算各相的调制度。
采用上述进一步方案的有益效果是，提高输出电压的响应速度。
进一步，所述根据所述各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形具体包括，
将所述各相的调制度与载波进行比较，生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形。
采用上述进一步方案的有益效果是，将各相的调制度与载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形用于分别控制U桥臂、V桥臂、U桥臂的开关管。
进一步，还包括控制所述N桥臂的工作模式，所述N桥臂的工作模式为N桥臂的开关管按照固定占空比50％的占空比开环工作。
采用上述进一步方案的有益效果是，固定N桥臂的开关管占空比50％，则N相电势固定为母线电压的中位值，N相的电势作为输出的三相电压的参考零电位。
一种适用于三相四线制逆变电源的控制系统，包括，
输出电压采集模块，用于采集逆变电源的输出电压；
处理模块，用于根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；
所述处理模块还用于根据预设的各相参考电压及所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；
各相PID控制器，用于将所述各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到所述各相的电压调节量；
所述处理模块还用于根据所述各相的电压调节量计算各相的调制度；
PWM波形生成模块，用于根据所述各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形并分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。
本方法根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值，根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值，根据预设的各相参考电压及U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值，根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量，再根据各相的电压调节量计算各相的调制度，再根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作，三相之间是分别独立控制的，无需复杂的解耦算法，控制简单，实施成本低，且三相电流不参与闭环控制，对电流波形正弦度没有要求，可以适用于非线负载。
进一步，还包括数字带通滤波器，所述数字带通滤波器用于提取U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01；
所述处理模块用于根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
采用上述进一步方案的有益效果是，对于非线性负载，输出电压中会包含高次谐波分量。通过数字带通滤波器提取基波分量的操作，可以排除高次谐波分量对闭环控制的影响。
附图说明
图1为本发明的一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法的流程示意图；
图2为本发明的一种适用于三相四线制逆变电源的电路示意图；
图3为本发明的一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法的示意图；
图4为本发明的一种适用于三相四线制逆变电源的控制系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下。
实施例1
参照图1、2，一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法，包括，
结合图3，根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；
根据预设的各相参考电压及U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；
根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量；
根据各相的电压调节量计算各相的调制度；
根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。
具体的，根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值，根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值，根据预设的各相参考电压及U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值，根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量，再根据各相的电压调节量计算各相的调制度，再根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂的开关管工作，三相之间是分别独立控制的，无需复杂的解耦算法，控制简单，实施成本低，且三相电流不参与闭环控制，对电流波形正弦度没有要求，可以适用于非线负载。
下面依次对各个步骤进行详细说明。
根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值具体包括，
获取逆变电源输出的U相电压采样值U0、V相电压采样值V0及W相电压采样值W0；
使用数字带通滤波器，提取U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01；
根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
值得说明的是，数字带通滤波器的数字带通滤波传递函数为
Figure BDA0002837845660000071
其中，数字带通滤波传递函数的中心频率ω0＝100*π/s。
根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms具体包括，
分别计算U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
具体的，以U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms，延迟小，实时性好。
根据预设的各相参考电压及U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms计算各相电压偏差值具体包括，
各相参考电压(U0ref、V0ref、W0ref)与U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms的差值为各相电压偏差值，即各相电压偏差值为各相参考电压(U0ref、V0ref、W0ref)分别减去对应的U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量具体包括，
将各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到各相的电压调节量，值得说明的是，调节量限幅为0.15。
根据各相的电压调节量计算各相的调制度具体包括，
根据预设的各相参考电压计算各相的电压控制前馈分量；
根据各相的电压控制前馈分量及各相的电压调节量计算各相的调制度，提高输出电压的响应速度。
值得说明的是，计算各相的电压控制前馈分量的公式为：
Uofeedforward＝U0ref*1.44*1.732/0.866/Vbus。
其中，Uofeedforward为U相的电压控制前馈分量，Vbus为直流母线电压。
Vofeedforward＝V0ref*1.44*1.732/0.866/Vbus。
其中，Vofeedforward为V相的电压控制前馈分量，Vbus为直流母线电压。
Wofeedforward＝W0ref*1.44*1.732/0.866/Vbus。
其中，Wofeedforward为W相的电压控制前馈分量，Vbus为直流母线电压。
根据各相的电压控制前馈分量及各相的电压调节量计算各相的调制度的公式为：
Umodu＝(Uoadj+Uo_feedforward)*sin(ω0t)
Figure BDA0002837845660000081
Figure BDA0002837845660000082
其中，Umodu为U相的调制度，Vmodu为V相的调制度，Wmodu为W相的调制度，t表示时间。
根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形具体包括，
将各相的调制度与载波进行比较，生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形。值得说明的是，本实施例中，载波为三角载波。
本方法还包括控制N桥臂的工作模式，N桥臂的工作模式为N桥臂的开关管按照固定占空比50％的占空比开环工作，则N相电势固定为母线电压的中位值，N相的电势作为输出的三相电压的参考零电位。
实施例2
参照图3、4，一种适用于三相四线制逆变电源的控制系统，可以用于控制如图2所示的一种逆变电源，包括，
输出电压采集模块，用于采集逆变电源的输出电压；
处理模块，用于根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；
处理模块还用于根据预设的各相参考电压及U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；
各相PID控制器，用于将各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到各相的电压调节量；
处理模块还用于根据各相的电压调节量计算各相的调制度；
PWM波形生成模块，用于根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形并分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。
下面依次对各个部分进行详细说明。
处理模块根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值具体包括，
获取逆变电源输出的U相电压采样值U0、V相电压采样值V0及W相电压采样值W0；
数字带通滤波器，提取U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01；
根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
值得说明的是，数字带通滤波器的数字带通滤波传递函数为
Figure BDA0002837845660000091
其中，数字带通滤波传递函数的中心频率ω0＝100*π/s。
处理模块根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms具体包括，
分别计算U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
具体的，以U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms，延迟小，实时性好。
处理模块根据预设的各相参考电压及U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms计算各相电压偏差值具体包括，
各相参考电压(U0ref、V0ref、W0ref)与U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms的差值为各相电压偏差值，即各相电压偏差值为各相参考电压(U0ref、V0ref、W0ref)分别减去对应的U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
根据各相电压偏差值得到各相的电压调节量具体包括，
将各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到各相的电压调节量，值得说明的是，调节量限幅为0.15。
处理模块根据各相的电压调节量计算各相的调制度具体包括，
处理模块根据预设的各相参考电压计算各相的电压控制前馈分量；
处理模块根据各相的电压控制前馈分量及各相的电压调节量计算各相的调制度。
值得说明的是，计算各相的电压控制前馈分量的公式为：
Uofeedforward＝U0ref*1.44*1.732/0.866/Vbus。
其中，Uofeedforward为U相的电压控制前馈分量，Vbus为直流母线电压。
Vofeedforward＝V0ref*1.44*1.732/0.866/Vbus。
其中，Vofeedforward为V相的电压控制前馈分量，Vbus为直流母线电压。
Wofeedforward＝W0ref*1.44*1.732/0.866/Vbus。
其中，Wofeedforward为W相的电压控制前馈分量，Vbus为直流母线电压。
根据各相的电压控制前馈分量及各相的电压调节量计算各相的调制度的公式为：
Umodu＝(Uoadj+Uo_feedforward)*sin(ω0t)
Figure BDA0002837845660000111
Figure BDA0002837845660000112
其中，Umodu为U相的调制度，Vmodu为V相的调制度，Wmodu为W相的调制度，t表示时间。
根据各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形具体包括，
将各相的调制度与载波进行比较，生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形。值得说明的是，本实施例中，载波为三角载波。
处理模块用于控制N桥臂的工作模式，N桥臂的工作模式为N桥臂的开关管按照固定占空比50％的占空比开环工作，则N相电势固定为母线电压的中位值，N相的电势作为输出的三相电压的参考零电位。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护。

Claims (10)

1.一种适用于三相四线制逆变电源的控制方法，其特征在于，包括，
根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；
根据预设的各相参考电压及所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；
根据所述各相电压偏差值得到各相的电压调节量；
根据所述各相的电压调节量计算各相的调制度；
根据所述各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值具体包括，
获取逆变电源输出的U相电压采样值U0、V相电压采样值V0及W相电压采样值W0；
使用数字带通滤波器，提取U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01；
根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms具体包括，
分别计算U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01在半个周期内滑动窗口的均方根值为U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的各相参考电压及所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值具体包括，
各相参考电压与所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值的差值为所述各相电压偏差值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述各相电压偏差值得到各相的电压调节量具体包括，
将所述各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到所述各相的电压调节量。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述各相的电压调节量计算各相的调制度具体包括，
根据所述预设的各相参考电压计算各相的电压控制前馈分量；
根据所述各相的电压控制前馈分量及所述各相的电压调节量计算各相的调制度。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的电路，其特征在于，所述根据所述各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形具体包括，
将所述各相的调制度与载波进行比较，生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，还包括控制N桥臂的工作模式，所述N桥臂的工作模式为N桥臂的开关管按照固定占空比50％的占空比开环工作。
9.一种适用于三相四线制逆变电源的控制系统，其特征在于，包括，
输出电压采集模块，用于采集逆变电源的输出电压；
处理模块，用于根据逆变电源的输出电压计算U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值；
所述处理模块还用于根据预设的各相参考电压及所述U相电压有效值、V相电压有效值及W相电压有效值计算各相电压偏差值；
各相PID控制器，用于将所述各相电压偏差值输入至各相的PID控制器，得到所述各相的电压调节量；
所述处理模块还用于根据所述各相的电压调节量计算各相的调制度；
PWM波形生成模块，用于根据所述各相的调制度生成U桥臂PWM波形、V桥臂PWM波形及U桥臂WPWM波形并分别控制U桥臂、V桥臂及U桥臂工作。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括数字带通滤波器，所述数字带通滤波器用于提取U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01；
所述处理模块用于根据U相电压采样值U0的基波值U01，V相电压采样值V0的基波值V01，W相电压采样值W0的基波值W01计算U相电压有效值U0rms、V相电压有效值V0rms及W相电压有效值W0rms。
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