CN113437855B - 一种广义Clarke坐标变换和三相控制电路 - Google Patents

一种广义Clarke坐标变换和三相控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相广义Clarke坐标变换和控制电路。所述广义Clarke坐标变换能够将幅值、相位均不平衡的三相电量变换为两相幅值相等的正交正弦量。所述控制电路包括电网电压采样电路、电感电流采样电路、直流母线电压采样电路、功率开关管驱动电路和数字控制单元；数字控制单元包括广义Clarke变换器、αβ/dq变换器、锁相器、幅值检测、电流幅值控制器、dq/αβ变换器、广义Clarke逆变换器、SPWM控制器、母线电压PI调节器、有功电流PI调节器和无功电流PI调节器。本发明可以使三相PWM整流器在电网幅值、相位均不平衡条件下实现低THD运行。

Description

一种广义Clarke坐标变换和三相控制电路
技术领域
本发明属于电力电子变换器控制技术领域，特别涉及了广义Clarke坐标变换和三相控制电路。
背景技术
三相PWM整流器作为交流电网与直流用电设备之间的接口变流器，广泛应用于航空电源、电动汽车充电等领域。高渗透率分布式发电装置及单相负载的接入极易引起三相交流电网的幅值不平衡和相位不对称。因此，为了保证可靠供电，三相PWM整流器必须具备在不平衡电网条件下运行的能力。传统双环控制由于Clarke变换仅能够将平衡三相电流变换为两相幅值相等的正交正弦量。故当电网不平衡时，传统双环控制将引起严重的输入电流畸变。现有技术文献“Hong-Seok Song and Kwanghee Nam，Dual current controlscheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions，IEEETransactions on Industrial Electronics，vol.46，no.5，pp.953-959，Oct.1999.”提出了三相PWM整流器的双电流环控制策略，将对称分量法与同步旋转坐标系(Synchronousrotating frame，SRF)相结合，将幅值、相位均不平衡的三相电流变换为正序SRF和负序SRF下的四个直流量，并用四个PI调节器分别控制。该策略有效消除了电网不平衡引起的交流电流畸变，但是由于使用了4个电流调节器及对称分量法，其控制环路十分复杂。现有技术文献“程杰，一种新型三相不平衡坐标变换体系及其应用[D].燕山大学，2017.”和“G.Tan，J.Cheng and X.Sun，Tan-Sun Coordinate Transformation System Theory andApplications for Three-Phase Unbalanced Power Systems，IEEE Transactions onPower Electronics，vol.32，no.9，pp.7352-7380，Sept.2017.”提出Tan-Sun坐标变换，将三相不对称交流电流变换为两相直流电流，然后用两个PI调节器分别控制。该策略简化了电网不对称工况下的控制环路，但是由于Tan-Sun坐标变换中自然坐标轴A轴与两相静止坐标系下的α轴方向不同，且针对三相电之和不为0的情况时需要根据零序分量对三相电流进行预处理，故该Tan-Sun坐标变换的表达式十分复杂，不利于数字控制实现。因此，有必要研究一种适用于电网不平衡条件下的低运算的坐标变换方法及控制电路。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了基于三相广义Clarke坐标变换的三相控制电路。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种三相PWM整流器的控制电路，所述三相PWM整流器包括三相交流电源、三相输入滤波电感、PWM整流器主电路、直流母线滤波电容，所述PWM整流器主电路采用三相两电平AC/DC变流器、三相三电平T型AC/DC变流器、三相三电平维也纳整流器或三相中点箝位型AC/DC变流器，三相PWM整流器的半导体器件采用MOSFET；
所述控制电路包括电网电压采样电路、电感电流采样电路、母线电压采样电路、功率开关管驱动电路和数字控制单元；数字控制单元包括广义Clarke变换器、αβ/dq变换器、锁相器、幅值检测、电流幅值控制器、dq/αβ变换器、广义Clarke逆变换器、SPWM控制器、母线电压PI调节器、有功电流PI调节器和无功电流PI调节器；电网电压采样电路的三个输入端对应接至三相输入滤波电感与三相交流电源的连接处，电网电压采样电路的输出连接锁相器及幅值检测的输入端；电感电流采样电路的三个输入端对应接至三相输入滤波电感的三个输出端，电感电流采样电路的输出端连接广义Clarke变换器的第一输入端；幅值检测的输出端连接至广义Clarke逆变换的第二输入端；锁相器的第一输出端输出电网电压的相位信息，连接至αβ/dq变换器和dq/αβ变换器的输入端；锁相器的第二输入端输出B相电网电压、C相电网电压与A相电网电压的相位差，连接至电流幅值控制器的输入端和广义Clarke变换器、广义Clarke逆变换器的第三输入端；电流幅值控制器的输出端连接至广义Clarke变换器的第二输入端；母线电压采样电路采集直流母线电压并输出，与母线电压参考值做差，差值输入母线电压PI调节器；母线电压PI调节器的输出信号与αβ/dq变换器输出的d轴信号做差，差值输入有功电流PI调节器；αβ/dq变换器输出的q轴信号与参考值0做差，差值输入无功电流PI调节器；dq/αβ变换器的两个输入端分别连接有功电流PI调节器的输出端和无功电流PI调节器的输出端；dq/αβ变换器的输出端连接广义Clarke逆变换器的第一输入端；广义Clarke逆变换器的输出端连接至SPWM控制器的输入端；SPWM控制器的输出端连接至功率开关管驱动电路的输入端；功率开关管驱动电路的输出端连接至PWM整流器各个开关管的门极。
进一步的，所述电流幅值控制器根据B相电网电压与C相电网电压与A相电网电压的相位差计算稳态下B相电感电流幅值、C相电感电流幅值与A相电感电流幅值的比值。
进一步地，所述三相交流电源按星型接法连接。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明可以有效消除电网不平衡工况下PWM整流器的输入电流畸变。因此本发明设计的坐标变换及控制电路适用于三相电网存在不平衡的弱电网中，尤其在大量分布式发电及单相负载接入的电网中有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的控制电路图；
图2为PWM整流器使用本发明的控制电路时，电网由平衡突变为幅值不平衡的动态波形；
图3为PWM整流器使用本发明的控制电路时，电网由幅值不平衡突变为幅值、相位均不平衡的动态波形。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
一种三相PWM整流器的控制电路，控制电路图如图1所示，三相PWM整流系统10包括三相交流电源101(ua、ub、uc)；三相输入滤波电感102(La、Lb、Lc)；三相PWM整流器103；直流母线滤波电容104(Cdc1、Cdc2)；所述三相PWM整流器可以是任意电平、任意拓扑的PWM整流器电路，图中的RL表示负载，在本实施例中，三相交流电源按星型接法连接，功率开关管采用MOSFET；
如图1所示，控制电路20包括电网电压采样电路201、电感电流采样电路202、母线电压采样电路204、功率开关管驱动电路203和数字控制单元205；数字控制单元205包括广义Clarke变换器209、αβ/dq变换器210、锁相器207、幅值检测206、电流幅值控制器208、dq/αβ变换器214、广义Clarke逆变换器215、SPWM控制器216、母线电压PI调节器212、有功电流PI调节器213和无功电流PI调节器211；电网电压采样电路的三个输入端对应接至三相输入滤波电感与三相交流电源的连接处，电网电压采样电路的输出连接锁相器及幅值检测的输入端；电感电流采样电路的三个输入端对应接至三相输入滤波电感的三个输出端，电感电流采样电路的输出端连接广义Clarke变换器的第一输入端；幅值检测的输出端连接至广义Clarke逆变换的第二输入端；锁相器的第一输出端输出电网电压的相位信息，连接至αβ/dq变换器和dq/αβ变换器的输入端；锁相器的第二输入端输出B相电网电压、C相电网电压与A相电网电压的相位差，连接至电流幅值控制器的输入端和广义Clarke变换器、广义Clarke逆变换器的第三输入端；电流幅值控制器的输出端连接至广义Clarke变换器的第二输入端；母线电压采样电路采集直流母线电压并输出，与母线电压参考值做差，差值输入母线电压PI调节器；母线电压PI调节器的输出信号与αβ/dq变换器输出的d轴信号做差，差值输入有功电流PI调节器；αβ/dq变换器输出的q轴信号与参考值0做差，差值输入无功电流PI调节器；dq/αβ变换器的两个输入端分别连接有功电流PI调节器的输出端和无功电流PI调节器的输出端；dq/αβ变换器的输出端连接广义Clarke逆变换器的第一输入端；广义Clarke逆变换器的输出端连接至SPWM控制器的输入端；SPWM控制器的输出端连接至功率开关管驱动电路的输入端；功率开关管驱动电路的输出端连接至PWM整流器各个开关管的门极。
如图1所示，电网电压采样电路采样得到的三相电网电压ua、ub、uc，经过锁相器后得到电网电压的相位信息ωt，B相电网电压ub与A相电网电压ua的相位差
Figure GSB0000198605660000054
以及C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差
Figure GSB0000198605660000055
其中相位信息ωt给到αβ/dq变换器和dq/αβ变换器，B相电网电压ub与A相电网电压ua的相位差
Figure GSB0000198605660000056
以及C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差
Figure GSB0000198605660000057
给到广义Clarke变换器、广义Clarke逆变换器及电流幅值控制器。通过三相电网电压ua、ub、uc得到B相电网电压幅值与A相电网电压幅值的比值kbu以及C相电网电压幅值与A相电网电压幅值的比值kcu，并给到广义Clarke逆变换器；电感电流采样电路采样得到的三相电感电流ia、ib、ic，经过广义Clarke变换得到三相电感电流的α轴分量iα和β轴分量iβ，其中广义Clarke变换表达式如下：
Figure GSB0000198605660000051
其中ia、ib、ic为三相电感电流；iα、iβ分别为两相静止坐标系，即αβ坐标系，下三相电感电流的α轴分量和β轴分量；
Figure GSB0000198605660000052
和
Figure GSB0000198605660000053
分别表示B相电网电压ub和C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差；kbi和kci分别表示B相电感电流幅值和C相电感电流幅值与A相电感电流幅值的比例；三相电感电流的α轴分量iα和β轴分量mβ经αβ/dq变换后，得到三相电感电流的有功分量id和无功分量iq；母线电压采样电路采样得到直流母线的电压Udc，直流母线的电压Udc与母线电压基准值Uref与做差，差值送入母线电压PI调节器，母线电压PI调节器根据输入的信号产生有功电流的参考值id_ref，有功电流的参考值id_ref与三相电感电流的有功分量id做差，差值送入有功电流PI调节器，有功电流PI调节器根据输入的信号产生d轴控制分量md；无功电流的参考值0与三相电感电流的无功分量iq做差，差值送入无功电流PI调节器，无功电流PI调节器根据输入的信号产生q轴控制分量mq；dq/αβ变换器将d轴控制分量md和q轴控制分量mq变换为αβ坐标系下的控制分量mα和mβ；广义Clarke逆变换器通过式II所示的广义Clarke逆变换将αβ坐标系下的控制分量mα和mβ变换为自然坐标系下的控制分量ma、mb、mc，并送入SPWM控制器；式II中
Figure GSB0000198605660000063
和
Figure GSB0000198605660000064
分别表示B相电网电压ub和C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差；kbu和kcu分别表示B相电网电压幅值和C相电网电压幅值与A相电网电压幅值的比例；
Figure GSB0000198605660000061
SPWM控制器输出的开关信号经过功率开关管驱动电路形成开关管的驱动信号。
本发明还包括了交流侧电流幅值控制方法，在电流幅值控制器208中通过B相电网电压和C相电网电压与A相电网电压的相位差来计算B相电感电流幅值与C相电感电流幅值与A相电感电流幅值的比例，如下式：
Figure GSB0000198605660000062
其中kbi和kci分别表示B相电感电流幅值和C相电感电流幅值与A相电感电流幅值的比例；
Figure GSB0000198605660000071
和
Figure GSB0000198605660000072
分别表示B相电网电压ub和C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差。
实验验证：三相PWM整流器的输入电压为航空电网标准：115V/400Hz，输出电压为400V。图2和图3为三相PWM整流器使用本发明的控制电路时的实验波形，其中Udc为直流母线电压，UAO为A相桥臂电压，ua、ub、uc为三相电网电压，ia、ib、ic为三相电感电流。图2为三相PWM整流器使用本发明的控制电路时，电网由平衡突变为幅值不平衡的动态波形，可见在电网平衡时，本发明的控制电路可以实现高输入电流质量，且当幅值不平衡时，输入电流的THD性能几乎不受影响。图3为三相PWM整流器使用本发明的控制电路时，电网由幅值不平衡突变为幅值、相位均不平衡的动态波形，可见尽管幅值、相位均不平衡，在本发明控制电路的作用下，三相PWM整流器输入电流的质量仍几乎不受影响，实现了三相PWM整流器在不平衡电网下低THD运行。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三相PWM整流器的控制电路，所述三相PWM整流器包括三相交流电源、三相输入滤波电感、PWM整流器主电路、直流母线滤波电容，所述PWM整流器主电路采用三相两电平AC/DC变流器、三相三电平T型AC/DC变流器、三相三电平维也纳整流器或三相中点箝位型AC/DC变流器，三相PWM整流器的半导体器件采用MOSFET；
所述控制电路包括电网电压采样电路、电感电流采样电路、母线电压采样电路、功率开关管驱动电路和数字控制单元；数字控制单元包括广义Clarke变换器、αβ/dq变换器、锁相器、幅值检测、电流幅值控制器、dq/αβ变换器、广义Clarke逆变换器、SPWM控制器、母线电压PI调节器、有功电流PI调节器和无功电流PI调节器；电网电压采样电路的三个输入端对应接至三相输入滤波电感与三相交流电源的连接处，电网电压采样电路的输出连接锁相器及幅值检测的输入端；电感电流采样电路的三个输入端对应接至三相输入滤波电感的三个输出端，电感电流采样电路的输出端连接广义Clarke变换器的第一输入端；幅值检测的输出端连接至广义Clarke逆变换的第二输入端；锁相器的第一输出端输出电网电压的相位信息，连接至αβ/dq变换器和dq/αβ变换器的输入端；锁相器的第二输出 端输出B相电网电压、C相电网电压与A相电网电压的相位差，连接至电流幅值控制器的输入端和广义Clarke变换器、广义Clarke逆变换器的第三输入端；电流幅值控制器的输出端连接至广义Clarke变换器的第二输入端；母线电压采样电路采集直流母线电压并输出，与母线电压参考值做差，差值输入母线电压PI调节器；母线电压PI调节器的输出信号与αβ/dq变换器输出的d轴信号做差，差值输入有功电流PI调节器；αβ/dq变换器输出的q轴信号与参考值0做差，差值输入无功电流PI调节器；dq/αβ变换器的两个输入端分别连接有功电流PI调节器的输出端和无功电流PI调节器的输出端；dq/αβ变换器的输出端连接广义Clarke逆变换器的第一输入端；广义Clarke逆变换器的输出端连接至SPWM控制器的输入端；SPWM控制器的输出端连接至功率开关管驱动电路的输入端；功率开关管驱动电路的输出端连接至PWM整流器各个开关管的门极；
其特征在于：电网电压采样电路采样得到的三相电网电压ua、ub、uc，经过锁相器后得到电网电压的相位信息ωt，B相电网电压ub与A相电网电压ua的相位差
Figure FSB0000198605650000021
以及C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差
Figure FSB0000198605650000022
其中相位信息ωt给到αβ/dq变换器和dq/αβ变换器，B相电网电压ub与A相电网电压ua的相位差
Figure FSB0000198605650000023
以及C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差
Figure FSB0000198605650000024
给到广义Clarke变换器、广义Clarke逆变换器及电流幅值控制器；通过三相电网电压ua、ub、uc得到B相电网电压幅值与A相电网电压幅值的比值kbu以及C相电网电压幅值与A相电网电压幅值的比值kcu，并给到广义Clarke逆变换器；电感电流采样电路采样得到的三相电感电流ia、ib、ic，经过广义Clarke变换得到三相电感电流的α轴分量id和β轴分量iβ，其中广义Clarke变换表达式如下：
Figure FSB0000198605650000025
其中ia、ib、ic为三相电感电流；id、iβ分别为两相静止坐标系，即αβ坐标系，下三相电感电流的α轴分量和β轴分量；
Figure FSB0000198605650000026
和
Figure FSB0000198605650000027
分别表示B相电网电压ub和C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差；kbi和kci分别表示B相电感电流幅值和C相电感电流幅值与A相电感电流幅值的比例；三相电感电流的α轴分量id和β轴分量mβ经dβ/dq变换后，得到三相电感电流的有功分量id和无功分量iq；母线电压采样电路采样得到直流母线的电压Udc，直流母线的电压Udc与母线电压基准值Uref与做差，差值送入母线电压PI调节器，母线电压PI调节器根据输入的信号产生有功电流的参考值id_ref，有功电流的参考值id_ref与三相电感电流的有功分量id做差，差值送入有功电流PI调节器，有功电流PI调节器根据输入的信号产生d轴控制分量md；无功电流的参考值0与三相电感电流的无功分量iq做差，差值送入无功电流PI调节器，无功电流PI调节器根据输入的信号产生q轴控制分量mq；dq/αβ变换器将d轴控制分量md和q轴控制分量mq变换为αβ坐标系下的控制分量mα和mβ；广义Clarke逆变换器通过式II所示的广义Clarke逆变换将αβ坐标系下的控制分量mα和mβ变换为自然坐标系下的控制分量ma、mb、mc，并送入SPWM控制器；式II中
Figure FSB0000198605650000031
和
Figure FSB0000198605650000032
分别表示B相电网电压ub和C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差；kbu和kcu分别表示B相电网电压幅值和C相电网电压幅值与A相电网电压幅值的比例；
Figure FSB0000198605650000033
SPWM控制器输出的开关信号经过功率开关管驱动电路形成开关管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述三相PWM整流器的控制电路，其特征在于：电流幅值控制器用下式计算kbi和kci，
Figure FSB0000198605650000034
其中，kbi和kci分别表示B相电感电流幅值和C相电感电流幅值与A相电感电流幅值的比例；
Figure FSB0000198605650000035
和
Figure FSB0000198605650000036
分别表示B相电网电压ub和C相电网电压uc与A相电网电压ua的相位差。
3.根据权利要求1所述三相PWM整流器的控制电路，其特征在于：所述三相交流电源按星型接法连接。
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