CN113746389A - 空调器、母线电压补偿方法及装置、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调器、母线电压补偿方法及装置、存储介质，属于变频空调驱动领域。该方法以电网电压和母线电压作为输入量，提取母线电压的纹波分量，并利用补偿系数k得到电压补偿量，以对电机dq轴电压进行补偿。同时计算此时满足电机驱动系统稳定性和稳态性能的条件，并选取与约束条件适配的补偿系数k。针对施加补偿后的电机dq轴电压可能会过大的问题，采用时变电压极限圆修正处理，对得到补偿后的电机给定电压进行修正。本发明提供的方法能够减少母线电压中的纹波含量，进一步有效控制永磁同步电机，减小逆变器侧电流脉动，提高空调器的电机驱动系统的输入功率因数。

Description

空调器、母线电压补偿方法及装置、存储介质

技术领域

本发明涉及变频空调驱动的技术领域，具体涉及一种空调器、母线电压补偿方法及装置、存储介质。

背景技术

随着清洁能源的使用需求不断增大，加上全球范围内的原材料价格也不断上涨，在变频空调驱动领域研发高效节能的变频空调具有非常重要的意义。其中，驱动系统是控制永磁压缩机实现制冷制热功能的核心元件，也是变频空调的核心部分。

传统的永磁同步电机驱动电路需要大容值电解电容来维持母线电压的稳定，其存在电路复杂、体积大、损耗大、使用寿命短等问题。因此可以将大容值电解电容替换为小容值的薄膜电容，使用的元器件减少，同时能够节约成本、降低能耗。但是因为直流母线侧电容起到储存能量、稳定母线电压的作用，当采用无电解电容永磁同步电机驱动电路的时候，无法将能量储存在直流母线侧，将会导致母线电压无法稳定并且产生周期性波动，从而影响了对永磁同步电机的控制，导致逆变器侧电流波动较大，进一步使得电网侧电流恶化，系统的输入功率因数较低。

目前研究无电解电容永磁同步电机驱动系统中母线电压波动的抑制方法主要是采用功率法和电流法。相关技术中存在的问题是，目前缺少能够有效抑制无电解电容永磁同步电机驱动系统中的母线电压波动，并减少与电网侧的能量耦合的技术方案。

发明内容

针对上述技术所存在的问题，本发明提供了一种空调器、母线电压补偿方法及装置、存储介质。通过采集母线电压并提取其中的波动分量，然后利用补偿系数来实施电机的电压补偿，从而能够有效抑制母线电压的纹波，减小逆变器侧电流的脉动，进一步地提升系统的输入功率因数。

本发明提出的一种母线电压补偿方法，用于空调器的电机驱动系统，该母线电压补偿方法包括如下步骤：

（1）采集电网电压u _g ，并利用锁相环获取实时电网电压的相角信息θ _g ，得到给定的母线电压u _dc ^*；

（2）采集母线电压u _dc ，并利用给定的母线电压u _dc ^*和采集的实时母线电压u _dc ，得到母线电压中的纹波分量Δu _dc ；

（3）建立电机驱动系统的特征方程，根据稳定性和稳态性能的约束条件，得到与约束条件适配的补偿系数k，利用补偿系数k将纹波分量Δudc转化为电压补偿量Δudq；

（4）将电压补偿量Δu _dq 沿着电机dq轴电流i _d 、i _q 的方向分解，分别得到电机dq轴电压的补偿量Δu _d 和Δu _q ，将补偿量Δu _d 和Δu _q 分别叠加到电机dq轴电压给定值u _d ^* 和u _q ^* 上，得到补偿后的电机给定电压u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* ；

（5）将补偿后的电机给定电压值u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* 经过时变电压极限圆修正处理，得到目标电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** ，根据目标电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** 进行空间矢量脉宽调制生成三相控制信号，并通过三相控制信号控制电机驱动系统的逆变器和电机。步骤（1）中，给定的母线电压u _dc ^*的计算表达式为：

。 （1）

步骤（2）中，母线电压中的纹波分量Δu _dc 的计算表达式为：

。 （2）

步骤（3）中，电压补偿量Δu _dq 的计算表达式为：

。 （3）

进一步地，实施电压补偿之后的系统特征方程为：

。 （4）

其中，L为网侧电感，C为薄膜电容，R为网侧线路等效电阻，u _dc0 为母线电压平均值。

步骤（3）中，根据稳定性和稳态性能的约束条件，得到与约束条件适配的补偿系数k，具体包括：

S1、选取补偿系数k的初值为k ₀ ，并建立特征方程D(s)；

S2、绘制特征方程D(s)的闭环极点分布图；

S3、判断补偿系数k是否满足与约束条件对应的稳定性判据，如果不满足，则自初值k ₀ 起，增大补偿系数k的取值重新进行S2；

S4、按照目标步长，逐渐增大补偿系数k的取值；

S5、绘制电机驱动系统的闭环极点分布图；

S6、判断补偿系数k是否满足低频段特性要求，如果不满足，则减小步长，并减小补偿系数k的取值重新进行S5；

S7、得到与约束条件适配的补偿系数k；

其中，补偿系数k能够适应不同的网侧电感L和薄膜电容C条件。

步骤（4）中，得到补偿后的电机给定电压u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* ，其表达式为：

。 (5)

步骤（5）中，空间矢量脉宽调制的具体计算表达式为：

。 (6)

本发明提供了一种空调器，空调器实现如上述任一技术方案的方法的步骤。

本发明提供了一种母线电压补偿装置，包括处理器，存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现如上述任一技术方案的方法的步骤。

本发明提供了一种可读存储介质，可读存储介质上存储程序或指令，程序或指令被处理器执行时实现如上述任一技术方案的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益效果：

（1）本发明提出的母线电压补偿方法用于空调器的电机驱动系统，其具体用于对无电解电容永磁同步电机空调驱动系统进行控制。该方法能够通过采集母线电压并提取其中的纹波含量，通过补偿系数转变为电压补偿量对电机dq轴电压进行补偿，从而能够减少母线电压中的纹波含量，进一步有效控制永磁同步电机，减小逆变器侧电流脉动，提高系统的输入功率因数。

（2）本发明采用的母线电压补偿方法计算量小，其补偿系数的选取办法可以适用于不同参数下的无电解电容永磁同步电机电机空调驱动系统，具备工程可行性。采用的时变电压极限圆修正模块简单可靠，能够防止施加补偿后的电机电压过大而对电机运行造成影响。

附图说明

图1为母线电压补偿方法的控制框图。

图2为不同补偿系数k下的系统极点分布图。

图3为不同补偿系数k下的系统波特图。

图4为补偿系数k的选取步骤图。

图5为采用时变电压极限圆修正模块进行时变电压极限圆修正处理的控制示意图。

图6为未实施本发明提供的母线电压补偿方法下的母线电压波形图。

图7为实施本发明提供的母线电压补偿方法下的母线电压波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不限定于本发明。

参考图1，图1为母线电压补偿方法的控制框图。该母线电压补偿方法用于空调器的电机驱动系统，具体地，本发明实施例提供了一种无电解电容永磁同步电机空调驱动系统的母线电压补偿方法。该母线电压补偿方法可以实现对无电解电容永磁同步电机空调驱动系统下的母线电压进行补偿，使之纹波含量减少，进一步有效控制永磁同步电机，减小逆变器侧电流脉动，提高系统的输入功率因数，其具体实施过程如下：

（1）采集电网电压u _g ，并利用锁相环获取实时电网电压的相角信息θ _g ，得到给定的母线电压u _dc ^*为：

。 （1）

在上述步骤（1）中，锁相环（Phase Locked Loop）为一种反馈控制系统，其能够利用相位同步产生的电压，调谐压控振荡器，以产生目标频率。具体而言，本发明实施例的锁相环利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

在上述步骤（1）中，用锁相环获取实时电网电压的相角信息θ _g ，则可以通过计算得到给定的母线电压u _dc ^*。

（2）采集母线电压u _dc ，并利用给定的母线电压u _dc ^*和采集的实时母线电压u _dc ，提取出母线电压中的纹波分量Δu _dc ，其表达式为：

。 （2）

（3）建立电机驱动系统的特征方程，根据稳定性和稳态性能的约束条件，得到与所述约束条件适配的补偿系数k，利用补偿系数k将纹波分量Δudc转化为电压补偿量Δu _dq ；

其中，利用补偿系数k将母线电压中的纹波分量Δu _dc 转化为电压补偿量Δu _dq ，其表达式为：

。 （3）

在上述步骤（3）中，与约束条件适配的补偿系数k可以理解为合适的补偿系数k。该补偿系数k是根据稳定性和稳态性能的约束条件得到的，其用于对纹波分量Δu _dc 进行转化，以获得电压补偿量Δu _dq 。

进一步地，实施电压补偿之后的逆变器侧等效负载功率为：

。 （4）

其中，P _L 为未施加电压补偿的逆变器侧等效负载，i _dq 为电机dq轴电流。

进一步地，实施电压补偿之后的系统特征方程为：

。 （5）

其中，L为网侧电感，C为薄膜电容，R为网侧线路等效电阻，u _dc0 为母线电压平均值。

具体地，根据式（5）中描述的特征方程，结合二阶系统的稳定性判据，只有保证系统的极点均位于s域左半平面时才能保证系统的稳定性。其中，上述稳定性判据为二阶系统的稳定性约束条件。当施加电压补偿以后，主要体现在方程一次项系数和常数项的变化上，因此会改变系统的极点分布。通过式（5）中的特征方程，画出系统的极点随k的变化如图2所示。参考图2，合理地设置补偿系数，可以使得系统达到稳定状态。当随着补偿系数k的增大，系统的一对闭环极点逐渐向左半平面移动，能够为系统提供充分的稳定的裕量。

进一步地，在满足系统稳定的基础上，系统的稳态性能和误差特性需要评估，根据图2中满足条件的k的取值范围，做出图3中不同补偿系数k下的系统波特图。随着补偿系数k的增大，系统能够保持稳定，但是低频段的幅频特性会略有降低，从而影响系统的稳态性能。

具体地，选取补偿系数k需要考虑系统的稳定性和稳态性能。不同的k取值，对系统伯德（Bode）图高频段的特性影响较小，并且能够抑制高频干扰，但是系统低频段的特性性能会降低，会影响到系统的稳态误差，因此设计补偿系数要兼顾系统的稳定性和稳态性能。

参考图4，为一套能够适应不同系统下（即：不同网侧电感L和薄膜电容C条件下）的补偿系数k的选取步骤。其中，不同网侧电感L和薄膜电容C条件下是指至少两个网侧电感L和薄膜电容C条件下。换言之，在本实施例中，即使网侧电感L和薄膜电容C的条件改变，也能够通过以下补偿系数k选取办法，来获得适配的补偿系数。

通过本实施例的补偿系数选取方法，可以确定一个最合适的补偿系数k来施加补偿。其中，最合适的补偿系数k可以理解为与约束条件最为适配的补偿系数k。换言之，约束条件可以作为最合适的补偿系数k进行选择的判据。

本实施例确定一个最合适的补偿系数k的具体步骤如下：

S1、选取补偿系数k的初值为k ₀ ，并建立特征方程D(s)；S2、绘制特征方程D(s)的闭环极点分布图；

S3、判断补偿系数k是否满足与约束条件对应的稳定性判据，如果不满足，则自初值k ₀ 起，增大补偿系数k的取值重新进行S2；

S4、按照目标步长，逐渐增大补偿系数k的取值；

S5、绘制电机驱动系统的闭环极点分布图；

S6、判断补偿系数k是否满足低频段特性要求，如果不满足，则减小目标步长，并减小补偿系数k的取值重新进行S5；

S7、得到与约束条件适配的补偿系数k。

其中，通过约束条件，可以得到需要建立的模型的稳定性判据。通过低频段特性要求，则可以映射到自己建立的模型中来。由此，结合稳定性判据和低频段特性要求，则可以得到以上的具体参数选取办法。

（4）将电压补偿量Δu _dq 沿着电机dq轴电流i _d 和i _q 的方向分解，分别得到电机dq轴电压的补偿量Δu _d 和Δu _q ，然后分别叠加到电机dq轴电压给定值u _d ^* 和u _q ^* 上，得到补偿后的电机给定电压u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* ，其表达式为：

。 (6)

（5）得到补偿后的电机给定电压值u _{d_com} ^* 、u _{q_com} ^* 之后，将其经过时变电压极限圆 修正模块的时变电压极限圆修正处理。参考图5，为时变电压极限圆修正模块的控制示意 图，将u _dc /

作为电压极限圆的幅值，其大小是随母线电压u _dc 的大小随时变化的。当电机dq 轴电压超过电压极限圆的幅值的时候，需要对其进行修正，将其沿着同样的方向减小至幅 值为u _dc /

，这样能够防止得到补偿后的电机电压过大，对电机运行造成影响。其具体计算 表达式为：

。 (7)

在上述步骤（5）中，时变电压极限圆修正处理由时变电压极限圆修正模块执行。时变电压极限圆修正处理的目的是将补偿后的电机给定电压值u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* 修正为目标电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** 。其中，目标电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** 可以理解为最终的电机电压给定值。

进一步地，经过时变电压极限圆修正模块输出最终的电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** 并输入给空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）模块，生成三相控制信号S _a 、S _b 、S _c 来控制逆变器和电机。

在上述步骤中，空间矢量脉宽调制由空间矢量脉宽调制模块执行。该空间矢量脉宽调制模块以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成脉宽调制波。通过空间矢量脉宽调制，可以生成三相控制信号，并由此通过三相控制信号控制逆变器和电机。

图6为未实施本发明提供的母线电压补偿方法下的母线电压波形图，从图中可以明显看出母线电压中含较大的纹波分量。

图7为实施本发明提供的母线电压补偿方法下的母线电压波形图，从图中可以看出母线电压中的纹波分量明显减少。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，但本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种母线电压补偿方法，其特征在于，用于空调器的电机驱动系统，所述母线电压补偿方法包括如下步骤：

（1）采集电网电压u _g ，并利用锁相环获取实时电网电压的相角信息θ _g 得到给定母线电压u _dc ^*；

（2）采集实时母线电压u _dc ，并利用所述给定母线电压u _dc ^*和所述实时母线电压u _dc ，得到母线电压中的纹波分量Δu _dc ；

（3）建立所述电机驱动系统的特征方程，根据稳定性和稳态性能的约束条件，得到与所述约束条件适配的补偿系数k，利用所述补偿系数k将所述纹波分量Δu _dc 转化为电压补偿量Δu _dq ；

（4）将所述电压补偿量Δu _dq 沿着电机dq的轴电流i _d 、i _q 的方向分解，分别得到所述电机dq的轴电压的补偿量Δu _d 和Δu _q ，将所述补偿量Δu _d 和Δu _q 分别叠加到所述电机dq的轴电压给定值u _d ^* 和u _q ^* 上，得到补偿后的电机给定电压u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* ；

（5）将所述补偿后的电机给定电压值u _{d_com} ^* 和u _{q_com} ^* 经过时变电压极限圆修正处理，得到目标电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** ，根据所述目标电机电压给定值u _d ^** 和u _q ^** 进行空间矢量脉宽调制生成三相控制信号，并通过所述三相控制信号控制所述电机驱动系统的逆变器和电机。

2.根据权利要求1所述的母线电压补偿方法，其特征在于，所述步骤（1）中通过以下公式得到所述给定母线电压u _dc ^*：

。

3.根据权利要求1所述的母线电压补偿方法，其特征在于，所述步骤（2）中通过以下公式得到所述纹波分量Δu _dc ：

。

4.根据权利要求1所述的母线电压补偿方法，其特征在于，所述步骤（3）中通过以下公式得到所述电压补偿量Δu _dq ：

。

5.根据权利要求1所述的母线电压补偿方法，其特征在于，所述步骤（3）中所述系统特征方程为：

；

其中，L为网侧电感，C为薄膜电容，R为网侧线路等效电阻，u _dc0 为母线电压平均值。

6.根据权利要求5所述的母线电压补偿方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述根据稳定性和稳态性能的约束条件，得到与所述约束条件适配的补偿系数k，具体包括：

S1、选取所述补偿系数k的初值为k ₀ ，并建立所述特征方程D(s)；

S2、绘制所述特征方程D(s)的闭环极点分布图；

S3、判断所述补偿系数k是否满足与所述约束条件对应的稳定性判据，如果不满足，则自所述初值k ₀ 起，增大所述补偿系数k的取值重新进行S2；

S4、按照目标步长，逐渐增大所述补偿系数k的取值；

S5、绘制所述电机驱动系统的闭环极点分布图；

S6、判断所述补偿系数k是否满足低频段特性要求，如果不满足，则减小步长，并减小所述补偿系数k的取值重新进行S5；

S7、得到与所述约束条件适配的所述补偿系数k；

其中，所述补偿系数k能够适应不同的网侧电感L和薄膜电容C条件。

7.根据权利要求1所述的母线电压补偿方法，其特征在于，所述步骤（5）中所述空间矢量脉宽调制的具体计算表达式为：

。

8.一种空调器，其特征在于，所述空调器实现如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

9.一种母线电压补偿装置，其特征在于，包括处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

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