CN113746359B - 一种四线制vienna整流器的控制系统、控制器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种四线制VIENNA整流器的控制系统、控制器及设计方法，所述控制系统包括电压差环计算模块、电压和环计算模块、正负半周判断模块、电流环、前馈控制模块和脉冲信号产生模块，正负半周判断模块的输入端接电压差环计算模块和电压和环计算模块的输出端，正负半周判断模块的输出端接电流环的输入端，电流环的输出端与前馈控制模块的输入端相加后，接脉冲信号产生模块的输入端。本发明控制系统，有效降低非线性电感带来的谐波增大问题，控制灵活，设计合理，基于本发明控制系统的控制器，控制成本低，控制效果好。

Description

一种四线制VIENNA整流器的控制系统、控制器及设计方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种四线制VIENNA整流器的控制系统、控制器及设计方法。
背景技术
与传统的两电平拓扑相比，VIENNA整流器具有功率密度高、无需考虑死区、开关应力低等特点，被广泛应用于电池储能、微电网、航空电源、风力发电等领域。对于VIENNA整流器研究大多局限于三相三线制，三相四线制VIENNA整流器在原有的基础上增加了一条中线来进行三相的物理解耦，由于零序通路的存在，三相四线制VIENNA整流器在建模分析时无法忽略零序电流，系统会引入3次谐波电流，使得电流畸变率增大。磁粉芯电感也会对电流波形产生一定的影响。为了建模的方便，大部分工作均假设电感为线性电感，在实际工作中并非如此。因此，在建立变换器系统模型时需要考虑电感的非线性特性。
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，具有非线性。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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四线制VIENNA整流器的控制系统、控制器及设计方法，增加了电压差环计算模块、电压和环计算模块、正负半周判断模块、电流环、前馈控制模块和脉冲信号产生模块，对整流器进行控制，控制灵活，设计合理，控制成本低，有效降低非线性电感带来的谐波增大问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种四线制VIENNA整流器的控制系统，所述控制系统包括电压差环计算模块、电压和环计算模块、正负半周判断模块、电流环、前馈控制模块和脉冲信号产生模块。
所述电流环内设有控制器，控制器为变参数PI控制器，脉冲信号产生模块内设有SPWM模块，前馈控制模块内设有占空比前馈。
所述电压差环计算模块与电压和环计算模块并联连接合成总电压环模块，总电压环模块、正负半周判断模块、电流环依次顺序连接后，与前馈控制模块相加，再和脉冲信号产生模块相连。
所述正负半周判断模块的输入端接电压差环计算模块和电压和环计算模块的输出端，正负半周判断模块的输出端接电流环的输入端，电流环的输出端与前馈控制模块的输入端相加后接脉冲信号产生模块的输入端。
进一步的，所述控制系统包括采集输入侧的相电压和相电流ua、ub、uc、ia、ib、ic，输出侧上下电容上的电压up、un，计算输出侧的总电压uo＝up+un。
进一步的，所述控制系统包括根据三相四线制VIENNA整流器存在自动物理解耦的功能，对三相四线制VIENNA整流器的控制，即分别对A、B、C三相的控制，且A、B、C三相的控制策略完全相同。
进一步的，所述控制系统包括通过输出电压设定值和输出侧的总电压作差后，经过PI控制器运算得到电压和环的输出值。
将输出侧上下两个电容上的电压up、un通过作差后，经过PI控制器运算得到电压差环的输出值。
进一步的，所述控制系统包括分别判断输入电压ua、ub、uc的值的正负，如果是对应相的输入电压大于零，则选择正半周的总电压环输出值；如果是对应相的输入电压小于零，则选择负半周的总电压环输出值，将电压和环与电压差环的相加减后，得到一个周期内正负半周的总电压环输出值。
进一步的，所述电流环包括输入参考值的获得和电流环计算模块，将采集到的输入侧的相电压ua、ub、uc经过锁相环PLL计算后，分别取A、B、C三相电压相位的正弦值，将对应相位的正弦值的绝对值与对应相的总电压环输出值相乘，获得电流环的输入参考值；将电流ia、ib、ic分别在对应相的控制器中与电流环的输入参考值相乘后，经过控制器获得电流环的输出值。
进一步的，所述前馈控制模块对应的公式为：
Figure BDA0003255844850000031
其中ug为控制器对应相的输入电压。
进一步的，所述控制系统包括将对应相的控制器中获得的电流环输出值与相应占空比前馈的控制器相加，经过SPWM模块调制控制对应相的双向开关管。
一种控制器，所述控制器包括优化三相四线制VIENNA整流器THD的控制系统。
进一步的，所述控制器包含以下步骤：
步骤1、根据非线性电感的电感值与流经电感的电流大小之间的关系式，可得，电感值的大小与电流大小之间成负相关的关系：
Figure BDA0003255844850000032
其中，Ae为有效截面积；le为磁路长度；μc为磁导率；N为电感线圈的匝数；a、b、c、d是直流偏置特性曲线的常系数；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。
步骤2、根据电路满载运行时的电流峰值计算公式，计算得出：
Figure BDA0003255844850000041
其中Po为输出功率；Uimin为输入电压最小值；η为整流器效率。
计算出电流为零时对应的电感最大值Lmax、满载运行时的电流峰值时对应的电感最小值Lmin。
步骤3、将电感的变化范围Lmin～Lmax按照等距划分为N段，N>1且N为正整数，获得N+1个等距的电感端点值；根据三相四线制VIENNA整流器的电流内环传递函数：
Figure BDA0003255844850000042
设定相角裕度θ和截止频率fc，然后将N+1个等距的电感端点值分别代入传递函数中，利用公式求解出N+1个控制器的比例系数和积分系数。
步骤4、利用MATLAB/Curve Fitting工具，分别将N+1个控制器的比例系数与电感值的关系曲线和积分系数与电感值的关系曲线进行n次多项式拟合，n>1且n为正整数，获得比例系数和积分系数对电感的关系式。
由步骤1-4得，利用电感值与流经电感的电流大小之间的关系式与比例系数和积分系数对电感的关系式来构建一个通过电感电流作为反馈的控制器；控制器的比例系数和积分系数随着输入电流的变化而变化。
本发明的有益效果：
1、本发明控制系统，增加了电压差环计算模块、电压和环计算模块、正负半周判断模块、电流环、前馈控制模块和脉冲信号产生模块，对整流器进行控制，有效降低非线性电感带来的谐波增大问题；
2、本发明控制系统，控制灵活，设计合理，基于本发明控制系统的控制器，控制成本低，控制效果好。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明中控制的三相四线制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是本发明中控制器示意图；
图4是比例系数与电感之间的关系曲线；
图5是积分系数与电感之间的关系曲线。
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。
本发明的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，所采用的的实施例的三相四线制VIENNA整流器参数设置如表1所示：
表1三相四线制VIENNA整流器参数
符号 参数 数值
u<sub>g</sub> 交流侧电压 220V,50Hz
L 交流侧滤波电感 500μH
C<sub>p</sub>,C<sub>n</sub> 直流侧电容 2.2mF
u<sub>o</sub> 直流侧输出电压 800V
f<sub>s</sub> 开关频率 50kHz
R<sub>L</sub> 额定负载 25Ω
如图1所示，一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其中ua、ub、uc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；D1～D6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up和un，可减小输出电压的纹波和稳定直流侧输出电压。RL为线路负载，输出电压为uo。VT1～VT6为三组MOSFET功率开关管，每一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。
如图2所示，一种四线制VIENNA整流器的控制系统，控制系统包括电压差环计算模块6、电压和环计算模块5、正负半周判断模块4、电流环1、前馈控制模块3和脉冲信号产生模块2。
所述电流环1内设有控制器7，控制器7为变参数PI控制器，脉冲信号产生模块2内设有SPWM模块8，前馈控制模块3内设有占空比前馈9。
其中，电压差环计算模块6与电压和环计算模块5并联连接合成总电压环模块，然后总电压环模块、正负半周判断模块4、电流环1依次顺序连接后，与前馈控制模块3相加，再和脉冲信号产生模块2相连。即电压差环计算模块6和电压和环计算模块5的输出端接正负半周判断模块4的输入端，正负半周判断模块4的输出端接电流环1的输入端，电流环1的输出端与前馈控制模块3的输入端相加后接脉冲信号产生模块2的输入端。
步骤如下：
S1、计算输出侧总电压
采集输入侧的相电压和相电流ua、ub、uc、ia、ib、ic，输出侧上下电容上的电压up、un，计算输出侧的总电压uo＝up+un。
S2、分析控制对象
三相四线制VIENNA整流器存在自动物理解耦的功能，对三相四线制VIENNA整流器的控制，即分别对A、B、C三相的控制，且A、B、C三相的控制策略完全相同。
S3、计算电压和环和电压差环的输出值
对输出侧电压进行控制，通过输出电压设定值uo_ref与输出侧的总电压uo＝up+un作差后，经过PI控制器运算得到电压和环的输出值；再通过将输出侧上下两个电容上的电压up、un作差后，经过PI控制器运算得到电压差环的输出值；PI控制器用于电压环中，为固定参数的PI控制器。
S4、计算总的电压环输出值
分别判断输入电压ua、ub、uc的值的正负，如果是对应相的输入电压大于零，则选择正半周的总电压环输出值；如果是对应相的输入电压小于零，则选择负半周的总电压环输出值。将电压和环与电压差环的相加减后，一个周期内正负半周的电压环输出值合成总的电压环输出值。
S5、确定电流环1的输入参考值
电流环1具体包括输入参考值的获得和电流环计算模块，将采集到的输入侧的相电压ua、ub、uc经过锁相环PLL计算后，分别取A、B、C三相电压相位的正弦值，将对应相位的正弦值的绝对值与对应相的总电压环输出值相乘，获得电流环1的输入参考值。
S6、计算电流环1的输入参考值
将电流ia、ib、ic分别在对应相的控制器7中与电流环1的输入参考值相乘后，经过控制器7获得电流环1的输出值。
一种控制器，控制器应用于优化三相四线制VIENNA整流器THD的控制系统。
一种控制器的设计方法，设计方法包含以下步骤：
步骤1、根据非线性电感的电感值与流经电感的电流大小之间的关系式，可得，电感值的大小与电流大小之间成负相关的关系：
Figure BDA0003255844850000081
其中，Ae为有效截面积；le为磁路长度；μc为磁导率；N为电感线圈的匝数；a、b、c、d是直流偏置特性曲线的常系数。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。
步骤2、根据电路满载运行时的电流峰值计算公式，计算得出：
Figure BDA0003255844850000082
其中Po为输出功率；Uimin为输入电压最小值；η为整流器效率。
计算出电流为零时对应的电感最大值Lmax为800μH、满载运行时的电流峰值时对应的电感最小值Lmin为500μH。
步骤3、将电感的变化范围Lmin～Lmax按照等距划分为N段，N>1且N为正整数，获得N+1个等距的电感端点值。根据三相四线制VIENNA整流器的电流内环传递函数：
Figure BDA0003255844850000083
设定相角裕度θ和截止频率fc，然后将N+1个等距的电感端点值分别代入传递函数中，利用公式求解出N+1个控制器7的比例系数和积分系数：
步骤4、利用MATLAB/Curve Fitting工具，分别将N+1个控制器7的比例系数与电感值的关系曲线和积分系数与电感值的关系曲线进行n次多项式拟合n>1且n为正整数，获得比例系数和积分系数对电感的关系式。
由步骤1-4得，利用电感值与流经电感的电流大小之间的关系式与比例系数和积分系数对电感的关系式来构建一个通过电感电流作为反馈的控制器7。控制器7的比例系数和积分系数随着输入电流的变化而变化。
实施例中：将电感的变化范围500μH～800μH按照等距划分为10段，获得11个等距的电感端点值。设定相角裕度60°和截止频率5kHz，然后将11个等距的电感端点值分别代入传递函数中，利用下列公式求解出11个控制器7的比例系数和积分系数：
Figure BDA0003255844850000091
所获得的11个比例系数和积分系数如表2所示：
L/μH 500 530 560 590 620 650
Kip 0.0170 0.0180 0.0190 0.0201 0.0211 0.0221
Kii 154.2126 163.4653 172.7181 181.9708 191.2236 200.4763
L/μH 680 710 740 770 800
Kip 0.0231 0.0241 0.0252 0.0262 0.0272
Kii 209.7291 218.9818 228.2346 237.4873 246.7401  
利用MATLAB/Curve Fitting工具，分别将11个控制器7的比例系数与电感值的关系曲线和积分系数与电感值的关系曲线进行一次多项式拟合，获得比例系数和积分系数对电感的拟合曲线如图4和图5所示，其对应的关系式为：
Figure BDA0003255844850000092
S7、计算占空比前馈9
将对应相的控制器7中获得的电流环1输出值与相应占空比前馈9的控制器7相加，经过SPWM模块8调制控制对应相的双向开关管。占空比前馈9的控制器7对应公式为：
Figure BDA0003255844850000093
其中ug为控制器7对应相的输入电压。其目的是抑制或减弱电流过零点的畸变现象。
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 (8)

1.一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括电压差环计算模块(6)、电压和环计算模块(5)、正负半周判断模块(4)、电流环(1)、前馈控制模块(3)和脉冲信号产生模块(2)；
所述电流环(1)内设有控制器(7)，控制器(7)为变参数PI控制器，脉冲信号产生模块(2)内设有SPWM模块(8)，前馈控制模块(3)内设有占空比前馈(9)；
所述电压差环计算模块(6)与电压和环计算模块(5)并联连接合成总电压环模块，总电压环模块、正负半周判断模块(4)、电流环(1)依次顺序连接后，与前馈控制模块(3)相加，再和脉冲信号产生模块(2)相连；
所述正负半周判断模块(4)的输入端接电压差环计算模块(6)和电压和环计算模块(5)的输出端，正负半周判断模块(4)的输出端接电流环(1)的输入端，电流环(1)的输出端接与前馈控制模块(3)的输入端相加后接脉冲信号产生模块(2)的输入端；
一种应用所述控制系统的控制器的设计方法包括以下步骤：
步骤1、根据非线性电感的电感值与流经电感的电流大小之间的关系式，可得，电感值的大小与电流大小之间成负相关的关系：
Figure QLYQS_1
其中，Ae为有效截面积；le为磁路长度；μc为磁导率；N为电感线圈的匝数；a、b、c、d是直流偏置特性曲线的常系数；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；
步骤2、根据电路满载运行时的电流峰值计算公式，计算得出：
Figure QLYQS_2
其中Po为输出功率；Uimin为输入电压最小值；η为整流器效率；
计算出电流为零时对应的电感最大值Lmax、满载运行时的电流峰值时对应的电感最小值Lmin；
步骤3、将电感的变化范围Lmin～Lmax按照等距划分为N段，N>1且N为正整数，获得N+1个等距的电感端点值；根据三相四线制VIENNA整流器的电流内环传递函数：
Figure QLYQS_3
设定相角裕度θ和截止频率fc，然后将N+1个等距的电感端点值分别代入传递函数中，利用公式求解出N+1个控制器(7)的比例系数和积分系数:
Figure QLYQS_4
步骤4、利用MATLAB/Curve Fitting工具，分别将N+1个控制器(7)的比例系数与电感值的关系曲线和积分系数与电感值的关系曲线进行n次多项式拟合，n>1且n为正整数，获得比例系数和积分系数对电感的关系式；
由步骤1-4得，利用电感值与流经电感的电流大小之间的关系式与比例系数和积分系数对电感的关系式来构建一个通过电感电流作为反馈的控制器(7)；控制器(7)的比例系数和积分系数随着输入电流的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括采集输入侧的相电压和相电流ua、ub、uc、ia、ib、ic，输出侧上下电容上的电压up、un，计算输出侧的总电压uo＝up+un。
3.根据权利要求2所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括根据三相四线制VIENNA整流器存在自动物理解耦的功能，对三相四线制VIENNA整流器的控制，即分别对A、B、C三相的控制，且A、B、C三相的控制策略完全相同。
4.根据权利要求3所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括通过输出电压设定值和输出侧的总电压作差后，经过PI控制器运算得到电压和环的输出值；
将输出侧上下两个电容上的电压up、un通过作差后，经过PI控制器运算得到电压差环的输出值。
5.根据权利要求4所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括分别判断输入电压ua、ub、uc的值的正负，如果是对应相的输入电压大于零，则选择正半周的总电压环输出值；如果是对应相的输入电压小于零，则选择负半周的总电压环输出值，将电压和环与电压差环的相加减后，得到一个周期内正负半周的总电压环输出值。
6.根据权利要求5所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述电流环(1)包括输入参考值的获得和电流环计算模块，将采集到的输入侧的相电压ua、ub、uc经过锁相环PLL计算后，分别取A、B、C三相电压相位的正弦值，将对应相位的正弦值的绝对值与对应相的总电压环输出值相乘，获得电流环(1)的输入参考值；将电流ia、ib、ic分别在对应相的控制器(7)中与电流环(1)的输入参考值相乘后，经过控制器(7)获得电流环(1)的输出值。
7.根据权利要求6所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述前馈控制模块(3)对应的公式为：
Figure QLYQS_5
其中ug为控制器(7)对应相的输入电压。
8.根据权利要求7所述的一种四线制VIENNA整流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括将对应相的控制器(7)中获得的电流环(1)输出值与相应占空比前馈(9)的控制器(7)相加，经过SPWM模块(8)调制控制对应相的双向开关管。
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