CN113746362A - 一种单位功率因数整流器的控制策略、装置和计算机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单位功率因数整流器的控制策略、装置和计算机设备，属于电力电子研究领域，该控制策略在不增加单位功率因数整流器开关数量的基础上，减小直流侧电压波动。由于该控制策略可以有效减小直流侧电压波动，因此可以在开关管承受相同的电压应力的情况下，使直流侧采用更小的电容，即降低了成本和体积，又延长了整流器的使用寿命。

Description

一种单位功率因数整流器的控制策略、装置和计算机设备
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种单位功率因数整流器的控制策略、装置和计算机设备。
背景技术
随着工业的发展和科技的进步，人们对于环境污染问题的重视程度也越来越高。为了解决新能源并网的问题，大量的电力电子装置被投入电网，但同时也带来一系列的问题，如造成电能质量的下降、系统可靠性降低、占地面积增大等等。因此，提高电力电子装置的功率密度和减小电力电子装置带来的谐波污染，成为目前电力电子行业研究的重要方向。
传统的单位功率因数整流器的直流侧电压波动率大，导致所需开关管耐压高，增加了成本。若采用无源滤波的方式减小直流侧电压波动，需在直流侧并联大电容，增加了装置体积；且直流侧电容需采用容值较大的电解电容，电解电容的使用寿命较短，可靠性较低。
发明内容
本发明提供了一种具有动态平波功能的单位功率因数整流器的控制策略、装置和计算机设备，该控制策略在采用较小的直流侧电容的情况下，可减小单位功率因数整流器的直流侧电压波动。
为达到上述目的，本发明所述一种单位功率因数整流器的控制策略，通过控制单位功率因数整流器第一桥臂中的开关S1、开关S2以及第二桥臂中的开关S3和开关S4，使得单位功率因数整流器中的电容C1和C2电压交流分量的方向相反，降低单位功率因数整流器直流侧电压波动。
进一步的，第一桥臂中的开关S1、开关S2的控制信号的生成方法为：
SA1、测量总直流侧电压，再将其与直流侧电压给定值作比较，将得到的误差信号作为第一PI控制器的输入，第一PI控制器的输出为波动功率的峰值，根据波动功率的峰值得到交流侧电流的峰值；
SA2、实时跟踪交流侧电压的相位，经过正弦运算后与交流侧电流峰值相乘，得到连接电抗电流的参考值；
SA3、测量连接电抗电流，再将其与连接电抗电流的参考值作比较，得到的误差信号作为第一PR控制器的输入，第一PR控制器的输出叠加第二PR控制器的输出即为第一桥臂的调制波，将第一桥臂的调制波与三角载波进行比较，生成控制开关S1和开关S2的控制信号g1和g2；
第二桥臂中的开关S3和开关S4的控制信号的生成方法为：
SB1、测量解耦电感上流过的电流，再将其与解耦电感电流参考值作比较，得到的误差信号作为第二PR控制器的输入，第二PR控制器的输出一方面作为第一桥臂的调制波的组成部分，另一方面作为第二桥臂的调制波的组成部分；
SB2、测量并比较电容C1两端的电压和电容C2两端的电压，将得到的误差信号作为第二PI控制器的输入，第二PI控制器的输出叠加第二PR控制器的输出得到第二桥臂的调制波；将第二桥臂的调制波与三角载波进行比较，生成控制开关S3和开关S4的控制信号g3和g4。
进一步的，SA1中，交流侧电流的峰值Is经公式Is＝2Pr/Us计算得到，其中，US为交流侧电压的峰值，Pr为波动功率的峰值。
进一步的，SA2中，利用锁相环实时跟踪交流侧电压的相位。
进一步的，SA3中，第一桥臂的调制波与三角载波进行比较的方法为：当第一桥臂的调制波大于三角载波时，输出的控制信号g1＝1,g2＝0，使得开关管S1导通，开关管S2关断；当调制波小于三角载波时，输出的控制信号g1＝0,g2＝1，使得开关管S2导通，开关管S1关断。
进一步的，SB2中，第二桥臂的调制波与三角载波进行比较的方法为：将第二桥臂的调制波与三角载波进行比较，当第二桥臂的调制波大于三角载波时，输出的控制信号g3＝1,g4＝0，使得开关管S3导通，开关管S4关断；当二桥臂的调制波小于三角载波时，输出的控制信号g3＝0,g4＝1，使得开关管S4导通，开关管S3关断。
进一步的，SB1中，解耦电感电流参考值由交流侧电压的角频率、直流侧电容值和交流侧电压的相位计算得到。
进一步的，SB1中，解耦电感电流参考值
Figure BDA0003237076540000031
根据下式计算：
Figure BDA0003237076540000032
其中，ω为交流侧电压的角频率，C为直流侧电容值。
一种单位功率因数整流器的控制装置，包括电连接的采集模块和处理模块；所述采集模块用于采集输入数据，所述输入数据包括总直流侧电压、直流侧电压给定值、交流侧电压、解耦电感上流过的电流以及两个电容两端的电压；并将采集的输入数据传递至处理模块；处理模块用于根据输入数据输出用于控制单位功率因数整流器中的开关管的控制信号。
一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明通过控制开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4的通断来控制直流侧电容C1和C2上的电压，使得直流侧电容C1和C2上的电压始终保持相位互差180°，从而使得两电容电压之和即直流母线电压最小。可将直流侧波动功率转移到有源功率解耦电路，直流侧的电解电容可用薄膜电容来替代，既减少了成本和体积，又提高了电力电子装置的可靠性。
本发明的控制策略可以在不增加单位功率因数整流器开关数量的基础上，减小直流侧电压波动。由于该控制策略可以有效减小直流侧电压波动，因此可以在开关管承受相同的电压应力的情况下，使直流侧采用更小的电容，即降低了成本和体积，又延长了整流器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所应用的单位功率因数整流器拓扑；
图2为本发明的总体控制框图；
图3a为本发明在整流工况下的电流流通路径一；
图3b为本发明在整流工况下的电流流通路径二；
图3c为本发明在整流工况下的电流流通路径三；
图3d为本发明在整流工况下的电流流通路径四；
图4a为本发明在动态平波工况下的电流流通路径一；
图4b为本发明在动态平波工况下的电流流通路径二；
图4c为本发明在动态平波工况下的电流流通路径三；
图4d为本发明在动态平波工况下的电流流通路径四。
图5a为本发明的实际电流流通路径一；
图5b为本发明的实际电流流通路径二；
图5c为本发明的实际电流流通路径三；
图5d为本发明的实际电流流通路径四；
图6为本发明提供的单位功率因数整流器的控制装置的模块结构示意图；
图7为本发明提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明用到的单位功率因数整流器如图1所示。单位功率因数整流器拓扑包括：开关S1、开关S2、关S3、开关S4、电容C1、电容C2、解耦电感Lm。A、B分别为所述单位功率因数整流器的两个桥臂中点。
图1中标出了1～5，总共5个节点，用于辅助描述该拓扑特征。
开关S1第一端和第二端分别与电路节点①、③相连；
开关S2第一端和第二端分别与电路节点①、④相连；
开关S3第一端和第二端分别与电路节点③、②相连；
开关S4第一端和第二端分别与电路节点②、④相连；
电容C1串接在电路节点③和⑤之间，电容C2串接在电路节点⑤和④之间；解耦电感Lm串接在电路节点②和⑤之间。
实施例1
参照图2，具有动态平波功能的单位功率因数整流器控制策略的总体控制框图如图2所示。该控制策略由两部分组成，一部分用于控制由开关S1和开关S2组成的第一桥臂，另一部分用于控制由开关S3和开关S4组成的第二桥臂。
第一桥臂控制信号的生成过程为：
1)首先测量总直流侧电压udc，再将其与直流侧电压给定值
Figure BDA0003237076540000063
作比较，得到的误差信号作为比例-积分(PI)控制器的输入，第一PI控制器的输出为波动功率的峰值Pr。经公式
Figure BDA0003237076540000064
可得到交流侧电流的峰值Is，其中，US为交流侧电压峰值；
2)利用锁相环实时跟踪交流侧电压us的相位ωt，经过正弦运算以后与交流侧电流峰值Is相乘，最终得到连接电抗电流的参考值
Figure BDA0003237076540000065
3)接下来测量连接电抗电流is，再将其与参考值
Figure BDA0003237076540000066
作比较，得到的误差信号作为第一比例-谐振(PR)控制器的输入，第一PR控制器的输出叠加上第二PR控制器的输出即为第一桥臂的调制波。将第一桥臂的调制波与三角载波进行比较。比较的具体方式为：当调制波大于三角载波时，输出的控制信号g1＝1,g2＝0，使得开关管S1导通，开关管S2关断；当调制波小于三角载波时，输出的控制信号g1＝0,g2＝1，使得开关管S2导通，开关管S1关断。通过控制开关S1和开关S2，配合开关S3和S4的通断，以实时控制第一桥臂的中点电位，从而实现对单位功率因数整流电路部分的控制。
第二桥臂控制信号的生成过程为：
首先测量解耦电感Lm上流过的电流im，再将其与利用公式
Figure BDA0003237076540000061
算出的解耦电感电流参考值
Figure BDA0003237076540000062
作比较，得到的误差信号作为第二PR控制器的输入,第二PR控制器的输出一方面作为第一桥臂的调制波的组成部分，另一方面作为第二桥臂的调制波的组成部分。其中，ω为交流侧电压角频率，C为直流侧电容容值。
同时，测量并比较电容C1两端的电压uc1和电容C2两端的电压uc2，得到的误差信号作为第二PI控制器的输入，第二PI控制器的输出叠加上第二PR控制器的输出即为第二桥臂的调制波。将第二桥臂的调制波与三角载波进行比较。比较的具体方式为：当调制波大于三角载波时，输出的控制信号g3＝1,g4＝0，使得开关管S3导通，开关管S4关断；当调制波小于三角载波时，输出的控制信号g3＝0,g4＝1，使得开关管S4导通，开关管S3关断。通过控制第三开关S3和第四开关S4，配合开关S1和S2的通断，实时控制第二桥臂的中点电位，从而实现对动态平波电路部分的控制。
本发明对于整流工况的4种工作模式如下：
参照图3a，当开关S1和S4导通且开关S2和S3关断时，整流器的交流侧输出电平为+Udc。
参照图3b，当开关S1和S3导通且开关S2和S4关断时，整流器的交流侧输出电平为0。
参照图3c，当开关S2和S3导通且开关S1和S4关断时，整流器的输出电平为-Udc。
参照图3d，当开关S2和S4导通且开关S1和S3关断时，整流器的输出电平为0。
本发明具有动态平波功能的单位功率因数整流器控制策略对于动态平波工况的4种工作模式如图4所示。
若交流侧电流is>0：
参照图4a，当开关S1和S4导通、开关S2和S3关断时，交流侧电源us经连接电抗Ls和开关S1给第一电容C1和解耦电感Lm充电，第二电容C2经开关S4给解耦电感Lm充电；
参照图4b，当开关S1和S3导通、开关S2和S4关断时，解耦电感Lm和第一电容C1经开关S3给第二电容C2充电。
若交流侧电流is<0：
参照图4c，当开关S2和S3导通、开关S1和S4关断时，交流侧电源us经连接电抗Ls和开关S2给第二电容C2和解耦电感Lm充电，第一电容C1经开关S3给解耦电感Lm充电；
参照图4d，当开关S2和S4导通、开关S1和S3关断时，解耦电感Lm和第二电容C2经开关S4给第一电容C1充电。
参照图5a，当开关S1和S4导通且开关S2和S3关断时，电流实际流经的元件包括交流电源us，连接电抗Ls，开关S1和S4，直流侧电容C1和C2，解耦电感Lm。
参照图5b，当开关S1和S3导通且开关S2和S4关断时，电流实际流经的元件包括交流电源us，连接电抗Ls，开关S1和S3，直流侧电容C1和C2，解耦电感Lm，负载R。
参照图5c，当开关S2和S3导通且开关S1和S4关断时，电流实际流经的元件包括交流电源us，连接电抗Ls，开关S2和S3，直流侧电容C1和C2，解耦电感Lm。
参照图5d，当开关S2和S4导通且开关S1和S3关断时，电流实际流经的元件包括交流电源us，连接电抗Ls，开关S2和S4，直流侧电容C1和C2，解耦电感Lm，负载R。
实施例2
如图6所示，一种单位功率因数整流器的控制装置，包括电连接的采集模块和处理模块；所述采集模块用于采集输入数据，所述输入数据包括总直流侧电压、直流侧电压给定值、交流侧电压、解耦电感上流过的电流以及两个电容两端的电压；并将采集的输入数据传递至处理模块；处理模块用于根据输入数据输出：用于控制单位功率因数整流器中的开关管S1的控制信号g1，用于控制单位功率因数整流器中的开关管S2的控制信号g2，用于控制单位功率因数整流器中的开关管S3的控制信号g3，用于控制单位功率因数整流器中的开关管S4的控制信号g4。
实施例3
本发明提供的一种计算机设备，如图7所示，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的控制方法的步骤。例如图2所示的步骤。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述控制装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述控制装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述控制装置/终端设备的各种功能。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
实施例4
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，通过控制单位功率因数整流器第一桥臂中的开关S1、开关S2以及第二桥臂中的开关S3和开关S4，使得单位功率因数整流器中的电容C1和C2电压交流分量的方向相反，降低单位功率因数整流器直流侧电压波动。
2.根据权利要求1所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，
第一桥臂中的开关S1、开关S2的控制信号的生成方法为：
SA1、测量总直流侧电压，再将其与直流侧电压给定值作比较，将得到的误差信号作为第一PI控制器的输入，第一PI控制器的输出为波动功率的峰值，根据波动功率的峰值得到交流侧电流的峰值；
SA2、实时跟踪交流侧电压的相位，经过正弦运算后与交流侧电流峰值相乘，得到连接电抗电流的参考值；
SA3、测量连接电抗电流，再将其与连接电抗电流的参考值作比较，得到的误差信号作为第一PR控制器的输入，第一PR控制器的输出叠加第二PR控制器的输出即为第一桥臂的调制波，将第一桥臂的调制波与三角载波进行比较，生成控制开关S1和开关S2的控制信号g1和g2；
第二桥臂中的开关S3和开关S4的控制信号的生成方法为：
SB1、测量解耦电感上流过的电流，再将其与解耦电感电流参考值作比较，得到的误差信号作为第二PR控制器的输入，第二PR控制器的输出一方面作为第一桥臂的调制波的组成部分，另一方面作为第二桥臂的调制波的组成部分；
SB2、测量并比较电容C1两端的电压和电容C2两端的电压，将得到的误差信号作为第二PI控制器的输入，第二PI控制器的输出叠加第二PR控制器的输出得到第二桥臂的调制波；将第二桥臂的调制波与三角载波进行比较，生成控制开关S3和开关S4的控制信号g3和g4。
3.根据权利要求2所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，所述SA1中，交流侧电流的峰值Is经公式Is＝2Pr/Us计算得到，其中，US为交流侧电压的峰值，Pr为波动功率的峰值。
4.根据权利要求2所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，所述SA2中，利用锁相环实时跟踪交流侧电压的相位。
5.根据权利要求2所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，所述SA3中，第一桥臂的调制波与三角载波进行比较的方法为：当第一桥臂的调制波大于三角载波时，输出的控制信号g1＝1,g2＝0，使得开关管S1导通，开关管S2关断；当调制波小于三角载波时，输出的控制信号g1＝0,g2＝1，使得开关管S2导通，开关管S1关断。
6.根据权利要求2所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，所述SB2中，第二桥臂的调制波与三角载波进行比较的方法为：将第二桥臂的调制波与三角载波进行比较，当第二桥臂的调制波大于三角载波时，输出的控制信号g3＝1,g4＝0，使得开关管S3导通，开关管S4关断；当二桥臂的调制波小于三角载波时，输出的控制信号g3＝0,g4＝1，使得开关管S4导通，开关管S3关断。
7.根据权利要求2所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，所述SB1中，解耦电感电流参考值由交流侧电压的角频率、直流侧电容值和交流侧电压的相位计算得到。
8.根据权利要求2或7所述的一种单位功率因数整流器的控制策略，其特征在于，所述SB1中，解耦电感电流参考值
Figure FDA0003237076530000021
根据下式计算：
Figure FDA0003237076530000022
其中，ω为交流侧电压的角频率，C为直流侧电容值。
9.一种单位功率因数整流器的控制装置，其特征在于，包括电连接的采集模块和处理模块；所述采集模块用于采集输入数据，所述输入数据包括总直流侧电压、直流侧电压给定值、交流侧电压、解耦电感上流过的电流以及两个电容两端的电压；并将采集的输入数据传递至处理模块；处理模块用于根据输入数据输出用于控制单位功率因数整流器中的开关管的控制信号。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现权利要求1-8中任意一项所述的方法的步骤。
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