CN113630023B - 一种非线性电感下的三相四线制vienna整流器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，分段控制方法包括以下步骤：三相四线制VIENNA整流器中电感与电流之间关系的构建；确定三相四线制VIENNA整流器中电感在满载工作状况下的最大值和最小值；根据三相四线制VIENNA整流器电感值的最大变化范围设计分段控制器；根据三相四线制VIENNA整流器输入电流瞬时值的大小确定各段控制器切换的原则。本发明分段控制方法可以有效的解决因电感的非线性所导致的功率因数校正电路输入电流畸变增大的问题；可靠性高，适用性广，可以用于绝大部分功率因数校正电路；控制方法简单，易于使用DSP或单片机实现数字化控制；成本低，不需要增加额外的器件或设备。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种非线性电感下的三相四线制 VIENNA整流器的控制方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，工业界对电力电子设备的要求越来越高，越来越多的电感的材料从原来的铁氧体、硅钢片向磁粉芯转变。磁粉芯由于其不用开气隙、散磁少、电磁兼容性好、饱和磁通密度高、体积小等众多优点被广泛应用，但是带来各种优点的同时也带来了缺点，保证电力电子设备安全性、可靠性成为了电力电子设计的重中之重。
由于磁粉芯的气隙不同于传统的集中气隙留空，它的气隙均匀分布在材料各处，因此本身具有非线性，这就给电感和控制系统的设计带来一定的困难。在磁芯型号选择时，相关厂商也只给出相应的变化曲线公式。缺少相关的设计思路，这可能也会对人们设计电感产生一定的影响。此外，电感的非线性也会带来不同电流下电感值的变化，对电感滤波能力也会产生一定影响。针对上述问题，文献“严开沁，李竹筠，陈乾宏.基于PFC变换器的非线性电感的设计研究[J].电工电能新技术，2013，32(03)：1-6+115.”从纹波角度给出了非线性电感的设计过程，文献“李浩，周宇飞，凌倩倩.基于非线性电感的Boost 变换器建模及动力学研究[J].电测与仪表，2019，56(16)：39-44.”针对PFC 电路非线性电感的模型进行了建模。但少有文献对非线性电感下电力电子电路的控制环路进行分析并设计的。
针对上述提出的问题，本发明中对电流变化对磁粉芯电感的影响加以深入研究，设计出了一种可以有效降低由于磁粉芯电感的非线性导致的电流畸变率增大的问题，适用性广泛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，设计合理，成本低的基于电力电子电路的分段控制策略，有效降低非线性电感带来的谐波增大问题，从而从整体上提升电力电子设备的适应性、经济性和竞争性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，分段控制方法包括以下步骤：
S1：三相四线制VIENNA整流器中电感与电流之间关系的构建；
S2：确定三相四线制VIENNA整流器中电感在满载工作状况下的最大值和最小值；
S3：根据三相四线制VIENNA整流器电感值的最大变化范围设计分段控制器；
S4：根据三相四线制VIENNA整流器输入电流瞬时值的大小确定各段控制器切换的原则。
进一步的，所述S1具体包括：
S11：电感系数AL为纳亨每匝数的平方，实质是磁导G，即磁阻Rm的倒数：
式中：Ae为有效截面积；Ie为磁路长度；μc为磁导率；
S12：根据电感的计算公式得到：
L＝N2×AL＝μ％×N2×AL_max (2)
其中N为电感线圈的匝数，AL_max为无直流偏置下最大电感系数；电感值的大小与相对磁导率成正比；
S13：由安培环路定律在环形线圈中的应用得：
在磁路长度确定时，安匝乘积数实质表示的就是磁场，在磁路长度与匝数确定的条件下，磁场强度与电流大小成正比；
S14：根据磁粉芯的直流磁化特性曲线及其计算公式
其中H代表磁场强度，a、b、c、d是直流偏置特性曲线的常系数，当磁场强度H增大时，相对磁导率降低；当磁场强度H减小时，相对磁导率增大；
S15：根据S11-S14得，电感值的大小与流经电感的电流大小成正相关，电感值的大小与电流大小之间的公式为：
当电路工作状况被确定时，电感的无直流偏置下最大电感系数、匝数、磁粉芯选型都被确定，当电感电流I增大时，电感值L会随之减小；当电感电流I减小时，电感值L会随之增大。
进一步的，所述S2具体包括：
当电路运行接近满载时，电流有效值最大，此时电流变化对电感值影响最大，通过以下公式对输入电流峰值进行计算以确定电感值变化的范围：
其中P0为输出功率，Uimin为输入电压最小值，η为整流器效率,当电流位于零点时电感值最大，当电流位于峰值时电感值最小；由此确定出电感值变化范围Lmin～Lmax。
进一步的，所述S3具体包括：
所述三相四线制VIENNA整流器控制为非线性控制，建立相应电路的数学模型，得出电压环与电流环的传递函数；对电流环构建一个分段的PI控制器，其中第一个PI控制器是以电流值为0时的最大电感值为设计原则，通过设定相角裕度θ和截止频率fc，然后将Lmax代入传递函数，通过下列式子求解出第一个 PI控制器的比例系数和积分系数：
第二个PI控制器是以满载情况下电流最大值时的最小电感值为设计原则，通过设定相应的相角裕度和截止频率，然后将Lmin代入传递函数，求解出第二个 PI控制器的比例系数和积分系数；电压环控制器设计与经典双闭环中电压环设计相同，采用PI控制器。
进一步的，所述S4具体包括：
电流环的分段原则是按照输入电流瞬时值的大小进行划分，首先经过采样电阻测量交流侧三相电流大小，将电流以满载情况下电流峰值的一半作为设定值；当电流瞬时值小于设定值时，电流环选择电感值最小时设计的PI控制器；当电流瞬时值大于设定值时，电流环选择电感值最大时设计的PI控制器。
进一步的，当电流环分为两段以上时，将Lmin～Lmax分为多段，获得包括端点在内的多个电感值，再将各个电感值代入传递函数，求解出各段PI控制器的比例系数和积分系数；
进一步的，当电流环分为两段以上时，同上述方法，通过划分电流大小对电流环进行分段，通过将满载情况下电流峰值进行划分，获得多个电流设定值，通过这些电流设定值将电流大小划分为多个区间，且区间数与电流环段数相同，每一个电流值的区间对应一个电流环PI控制器。
本发明的有益效果：
1、本发明分段控制方法可以有效的解决因电感的非线性所导致的功率因数校正电路输入电流畸变增大的问题；
2、本发明分段控制方法可靠性高，适用性广，可以用于绝大部分功率因数校正电路；
3、本发明分段控制方法控制方法简单，易于使用DSP或单片机实现数字化控制；
4、本发明分段控制方法成本低，不需要增加额外的器件或设备。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明三相四线制VIENNA整流器拓扑结构示意图；
图2是本发明三相四线制VIENNA整流器控制系统结构示意图；
图3是本发明电流环分段PI控制系统结构示意图；
图4是本发明三相四线制VIENNA整流器A相的输入电压和输入电流波形图。
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、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，分段控制步骤如下：
S1:根据物理学知识可知，电感系数AL即纳亨每匝数的平方，实质是磁导G，即磁阻Rm的倒数：
式中：Ae为有效截面积；Ie为磁路长度；μc为磁导率；
根据电感的计算公式可得到：
L＝N2×AL＝μ％×N2×AL_max (2)
其中N为电感线圈的匝数，AL_max为无直流偏置下最大电感系数。可以看出电感值的大小与相对磁导率成正比。由安培环路定律在环形线圈中的应用可知：
根据所选择的磁粉芯手册中所给的直流磁化特性曲线及其计算公式确定磁场强度与相对磁导率之间的关系，即
其中H代表磁场强度，a、b、c、d是直流偏置特性曲线的常系数，具体如
表1所示。
| μ | a | b | c | d |
| 26 | 97.829 | 196.0123 | 1.5569 | 1.9443 |
| 60 | 97.0229 | 94.3823 | 1.8642 | 2.0669 |
| 75 | 96.6659 | 69.3524 | 1.8719 | 2.2184 |
| 90 | 97.4565 | 54.9189 | 1.6134 | 1.4754 |
| 125 | 98.1404 | 39.6938 | 1.6875 | 1.391 |
最终根据上述公式确定电流与电感之间的关系，即：
当电路工作状况被确定时，电感的感值、选型、设计都被确定，因此式中除了电感电流I以外其他所有的参数均为定值，当电感电流I增大时，电感值L会随之减小；当电感电流I减小时，电感值L会随之增大。通过电流与电感之间的关系式和满载工作情况下电流峰值的大小，可以确定电感值的实际变化范围。
S2:图1为一种三相四线制VIENNA整流器拓扑结构，其中μa，μb，μc和ia， ib，ic为电网侧三相交流电源和输入电流；La，Lb，Lc为三组输入滤波电感，其设定值为660μH，实际变化范围为500μH～800μH；D1～D2为六个快速恢复二极管，C1，C2为直流侧两个容值相等的输出电容，电容中点与三相电压源中点相连构成四线制，两端电压分别为μp和μn，可减小输出电压的纹波和稳定直流侧输出电压。
S3:RL为线路负载，输出电压为μ0。VT1～VT6为三组MOSFET功率开关管，每组功率开关管由两个反向串联的开关管组成，Sa，Sb，Sc为这三组开关管的公用驱动信号，动作时开关状态相同，相当于一个双向开关，可实现能量的双向流动。系统通过控制三组功率开关管的通断，达到调节交流侧电感电流和稳定直流侧输出电压的目的。
S4:三相四线制VIENNA整流器整流器参数设置如表2所示：
表2三相四线制VIENNA整流器参数
首先计算满载情况下输入电流的峰值：
然后将电流值为0和电流值为60A分别代入电流与电感之间的关系式，可以确定电感值的实际变化范围为500μH～800μH之间。
S5:图2为一种三相四线制VIENNA整流器控制系统结构，检测直流侧两个输出电容C1，C2两端的电压值
和
输出总电压为V0，一路通过输出电压设定值与输出电压作差后输出，一路通过两个输出电容两端的电压值作差后输出，再相互作差后计算得到一个周期内正负半周电压环的输出值。
S6:通过锁相环(PLL)检测输入交流电压的相位，如果相位大于零，则选择正半周电压环的输出值；如果相位小于零，则选择负半周电压环的输出值，以此来合成总的电压环输出，再将电压环输出值与交流输入电压的绝对值相乘，获得电流环的输入参考值。
S7:通过电流传感器检测三相输入电流，将电流环的输入参考值与三相输入电流相减后得到未经前馈补偿的载波，将载波通过三角波调制后产生对应相的双向开关管的驱动信号，由此来进行控制。
S8:图3为一种电流环分段PI控制系统结构示意图，分别对A，B，C三相电流的瞬时值进行判断，当电流瞬时值小于30A时，电流环选择电感值最小时设计的PI控制器1；当电流瞬时值大于30A时，电流环选择电感值最大时设计的PI控制器2。
S9:PI控制器1根据下面公式可以计算得：比例系数P＝0.023，积分系数 I＝206.64；
同上述方法，可以求得PI控制器2：比例系数P＝0.027，积分系数I＝246.74。
S10:图4是分段控制下三相四线制VIENNA整流器A相的输入电压和输入电流的波形图，仿真测取了电路稳态运行下的功率因数为1，实现了单位功率因数下的整流运行，表3是不同负载率下不同控制方法之间电流THD值，主要包括①不考虑电感变化且使用传统单段PI控制；②考虑电感变化且使用传统单段 PI控制，并分别以500μH，660μH和800μH计算PI控制器；③考虑电感变化且使用电流环分段控制。仿真结果表明，分段控制相比于传统PI控制能对系统性能加以改善，一定程度上减小电流畸变率，降低THD。
表3不同负载率下不同控制方法之间电流THD值
S11:该三相四线制VIENNA整流器的分段控制方法具有较好的动态响应性能和系统鲁棒性，该控制方法是针对磁粉芯电感导致电感非线性，从而使电流畸变率增大而设计的，使VIENNA整流器提高功率因素，降低电流总谐波。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，分段控制方法包括以下步骤：
S1：三相四线制VIENNA整流器中电感与电流之间关系的构建；
其中，电感值的大小与流经电感的电流大小成正相关，电感值的大小与电流大小之间的公式为：
式中Ae为有效截面积，μc为磁导率，le为磁路长度，a、b、c、d是直流偏置特性曲线的常系数，N为电感线圈的匝数；
当电路工作状况被确定时，电感的无直流偏置下最大电感系数、匝数、磁粉芯选型都被确定，当电感电流I增大时，电感值L会随之减小；当电感电流I减小时，电感值L会随之增大；
S2：确定三相四线制VIENNA整流器中电感在满载工作状况下的最大值和最小值；
当电路运行接近满载时，电流有效值最大，此时电流变化对电感值影响最大，通过以下公式对输入电流峰值进行计算以确定电感值变化的范围：
其中P0为输出功率，Uimin为输入电压最小值，η为整流器效率,当电流位于零点时电感值最大，当电流位于峰值时电感值最小；由此确定出电感值变化范围Lmin～Lmax；
S3：根据三相四线制VIENNA整流器电感值的最大变化范围设计分段控制器；
S4：根据三相四线制VIENNA整流器输入电流瞬时值的大小确定各段控制器切换的原则。
2.根据权利要求1所述的一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，所述S1具体包括：
S11：电感系数AL为纳亨每匝数的平方，实质是磁导G，即磁阻Rm的倒数：
S12：根据电感的计算公式得到：
L＝N2×AL＝μ％×N2×AL_max (4)
其中AL_max为无直流偏置下最大电感系数；电感值的大小与相对磁导率成正比；
S13：由安培环路定律在环形线圈中的应用得：
在磁路长度确定时，安匝乘积数实质表示的就是磁场，在磁路长度与匝数确定的条件下，磁场强度与电流大小成正比；
S14：根据磁粉芯的直流磁化特性曲线及其计算公式
其中H代表磁场强度，当磁场强度H增大时，相对磁导率降低；当磁场强度H减小时，相对磁导率增大。
3.根据权利要求1所述的一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，所述S3具体包括：
所述三相四线制VIENNA整流器控制为非线性控制，建立相应电路的数学模型，得出电压环与电流环的传递函数；对电流环构建一个分段的PI控制器，其中第一个PI控制器是以电流值为0时的最大电感值为设计原则，通过设定相角裕度θ和截止频率fc，然后将Lmax代入传递函数，通过下列式子求解出第一个PI控制器的比例系数和积分系数：
第二个PI控制器是以满载情况下电流最大值时的最小电感值为设计原则，通过设定相应的相角裕度和截止频率，然后将Lmin代入传递函数，求解出第二个PI控制器的比例系数和积分系数；电压环控制器设计与经典双闭环中电压环设计相同，采用PI控制器。
4.根据权利要求1所述的一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，所述S4具体包括：
电流环的分段原则是按照输入电流瞬时值的大小进行划分，首先经过采样电阻测量交流侧三相电流大小，将电流以满载情况下电流峰值的一半作为设定值；当电流瞬时值小于设定值时，电流环选择电感值最小时设计的PI控制器；当电流瞬时值大于设定值时，电流环选择电感值最大时设计的PI控制器。
5.根据权利要求1所述的一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，当电流环分为两段以上时，将Lmin～Lmax分为多段，获得包括端点在内的多个电感值，再将各个电感值代入传递函数，求解出各段PI控制器的比例系数和积分系数。
6.根据权利要求3所述的一种非线性电感下的三相四线制VIENNA整流器的控制方法，其特征在于，当电流环分为两段以上时，将满载时的电流变化值划分为多段，通过划分电流大小对电流环进行分段，通过将满载情况下电流峰值进行划分，获得多个电流设定值，通过这些电流设定值将电流大小划分为多个区间，且区间数与电流环段数相同，每一个电流值的区间对应一个电流环PI控制器。
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