CN1159832C - 逆变器及其输出电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变器以及逆变器输出电压控制方法，在输出电压基本控制单元基础上，增加逆变器各相输出电压的有效值控制环节，由有效值计算器和有效值减法器计算出各相实际输出电压的有效值与设定有效值之间的误差，所述误差经有效值调节器及乘法器后形成补偿作用量，再将该补偿量叠加在基本控制单元输出的基本作用量上。本发明的逆变器及其输出电压控制方法可应用于各种逆变器中，例如三相逆变器中三相独立控制系统或矢量解耦控制系统中，还可针对三相输出电压的平均值实施，使逆变器能减小或消除非线性负载和三相不平衡负载对输出电压精度带来的影响，而提供高精度的三相平衡的输出电压。

Description

逆变器及其输出电压控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术，具体地说，涉及对逆变器的控制系统的改进，以保证输出电压的精度，更具体地说，涉及一种其输出电压可高精度控制的逆变器及其输出电压控制方法。

技术背景

传统逆变器，例如三相逆变器的基本控制单元可分为矢量解耦控制系统和三相独立控制系统两种。

图1是传统三相逆变器中使用的基本矢量解耦控制系统的原理框图。这里，控制对象由逆变桥1、LC滤波器2及负载3组成。其中逆变桥为典型的三臂六管开关电路，负载为三相平衡或不平衡、线性或非线性负载。基本矢量控制系统的基本原理是将逆变器的三相输出电压和三相桥臂电流的检测值分别经静止/旋转坐标变换转换到dq旋转坐标系中，结合相应的设定值实施类似直流电路的解耦控制后，再对dq坐标系下的作用量进行旋转/静止坐标反变换，获得能直接控制逆变桥开关管的控制信号。该控制系统通常包含以下的主要部分和环节：

(1)、电压指令发生部分

由电压指令发生器6产生输出电压矢量的矢量角θ*及该矢量在dq坐标系d、q轴上的直流给定值Vd*、Vq*(其中Vq*通常为0)。

(2)、反馈量的静止/旋转变换部分

由ABC/αβ电压变换器4将三相输出电压Va、Vb、Vc变换为αβ静止坐标系下的Vα、Vβ；αβ/dq电压变换器5再进一步将Vα、Vβ变换为dq旋转坐标系下的Vd、Vq，注意αβ/dq电压变换器5需用到上述电压指令发生器6产生的矢量角θ*。同样，ABC/αβ电流变换器9将三相桥臂电流Ia、Ib、Ic变换为αβ静止坐标系下的Iα、Iβ；αβ/dq电流变换器10再进一步将Iα、Iβ变换为dq旋转坐标系下的Id、Iq，αβ/dq电流变换器10也需用到上述矢量角θ*。

(3)、矢量调节控制部分

包括电压调节部分和电流调节部分，其中电压调节部分由电压减法器7和电压调节器8组成，其中电压减法器7将上述电压指令发生器6产生的给定值Vd*、Vq*分别减去αβ/dq电压变换器5输出的Vd、Vq，以产生电压误差EVd、EVq；电压调节器8对电压误差EVd、EVq分别进行PI调节生成电流调节部分的给定值Id*、Iq*。电流调节部分由电流减法器11和电压调节器12组成，其中电流减法器11将上述电流给定值Id*、Iq*分别减去αβ/dq电流变换器10输出的Id、Iq，以产生电流误差EId、EIq；电流调节器12对电流误差EId、EIq分别进行PI调节(或P调节)生成系统在dq旋转坐标系下的作用量Ud、Uq。

(4)、作用量的旋转/静止反变换部分

由dq/αβ变换器13将上述旋转坐标系下的作用量Ud、Uq变换至αβ静止坐标系下的作用量Uα、Uβ；αβ/ABC变换器14再将上述作用量Uα、Uβ变换至三相ABC坐标系下的作用量Ua、Ub、Uc，该作用量分别直接控制逆变桥三个桥臂上的开关脉冲宽度。

图2是传统三相逆变器中基本的三相独立控制系统的原理框图。其控制系统主要由电压指令发生器6、产生电压误差的电压减法器7、电压调节器8、产生电流误差的电流减法器11及电流调节器12构成。相比上述的矢量解耦控制系统，其电压、电流控制环节是在ABC坐标系下完成的，因而无需设置反馈量的静止/旋转变换和作用量的旋转/静止反变换等环节。相应地，这里的电压指令发生器6给出的是三相输出电压的设定值Va*，Vb*，Vc*及A相的相位角度θ*。即Va*＝Vm*COS θ*，Vb*＝Vm*COS(θ*-120)，Vc*＝Vm*COS(θ*-240)，其中Vm*为输出交流电压的目标幅值。

上述两种基本控制单元对于逆变器承担三相平衡线性负载时均可获得良好的控制效果。不过，当逆变器承担三相不平衡负载(如单相负载)时，虽然上述控制系统从原理上能抑制这种不平衡负载对输出电压精度造成的影响，但由于实际控制系统响应速度和增益的限制，其抑制效果一般并不能满足精密负载的需要。特别是当控制系统采用处理能力受限的微处理器实现时，这种由不平衡负载引起的输出电压精度的稳态偏离往往较大，比如当仅在逆变器的A相输出上加一定程度的负载时，其A相电压会跌落，而B、C相电压会上扬。另外一种情况是当逆变器的输出承担开关电源类非线性整流性负载时，其输出电压的波峰或波谷不可避免地会被削平，从而造成输出电压有效值偏离设定值。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述非线性负载时输出电压精度较差以及在逆变器带三相不平衡负载时输出电压精度较差的问题，对逆变器尤其是三相逆变器的控制系统加以改进，使逆变器能减少克服非线性负载或三相不平衡负载对输出电压带来的影响，提供高精度的三相平衡的输出电压。具体而言，本发明要提供一种输出电压可控精度高的逆变器以及用于实现上述逆变器的逆变器输出电压控制方法。

本发明的技术方案在于，在上述传统逆变器的基本控制单元的基础上，增加逆变器各相输出电压的有效值控制环节，该有效值控制环节通过控制各相输出电压的有效值与设定有效值的一致，从而保证非线性负载或在带三相不平衡负载时有较高输出电压精度。

此时，所述电压指令发生器还产生电压有效值给定值；所述有效值控制环节包括计算实际输出电压有效值的计算器、将所述电压有效值给定值减去所述实际输出电压有效值以获得有效值误差的有效值减法器、根据所述有效值误差进行调节以生成直流补偿作用量的有效值调节器、将所述直流补偿作用量转换成三相交流补偿作用量的乘法器、以及将所述交流补偿量叠加到所述基本作用量上的加法器。其中，所述补偿作用量是由各相有效值调节器根据其具体的有效值偏差情况进行调整的，若采用无差的PI调节方式，则可实现各种负载条件下各相输出电压的稳态有效值与设定有效值的一致。

按照本发明提供的逆变器输出电压控制方法，在由基本控制单元产生基本作用量作用于逆变单元的基础上，还包括以下步骤：

检测(计算)输出电压的有效值/平均值；

产生输出电压有效值/平均值给定值；

将电压有效值/平均值给定值减去检测到的输出电压有效值/平均值，以获得有效值/平均值误差；

根据所述有效值/平均值误差进行调节以生成直流补偿作用量；

将所述直流补偿作用量转换成交流补偿作用量；

将所述交流补偿量叠加到所述基本作用量上，通过逆变单元实现对逆变输出电压的控制。

实施本发明提供的逆变器及其输出电压控制方法，可分别应用于三相独立控制系统和矢量解耦控制系统。通过提供各相补偿作用量，使得输出电压控制系统既可保持基本控制单元的基本特点和设计思路，又增强了其输出电压的稳压精度及负载适应能力。按照本发明提供的逆变器及其输出电压控制方法还可针对电压平均值实施，具有实现简单、设计独立等优点。

附图说明

图1是现有技术中三相逆变器的矢量解耦控制系统框图；

图2是现有技术中三相逆变器的三相独立控制系统框图；

图3是本发明实施例一中的控制系统框图；

图4是本发明实施例二中的控制系统框图；

图5是本发明实施例三中的控制系统框图。

具体实施方式

实施例一

本发明逆变器第一实施例如图3所示，从图中可以看出，其输出电压控制系统除包括图1所示的基本矢量控制系统的所有基本环节外，还补充了一个有效值或平均值控制环节。平均值控制环节与有效值控制环节类似，以下均以有效值控制环节为例进行阐述。

本实施例中，电压指令发生器6除产生输出电压矢量的矢量角θ*及输出电压矢量在dq旋转坐标系下的给定值Vd*、Vq*(通常为0)以外，还要产生相应的输出电压的有效值给定值VRMS*。VRMS*与Vd*存在严格的对应关系，一般可表达为

$\mathrm{VRMS}*=\mathrm{Vd}*/\sqrt{2}.$

有效值计算器15以逆变器输出电压的重复周期为计算周期，根据输出三相电压的瞬时值Va、Vb、Vc分别计算其有效值VaRMS、VbRMS、VcRMS。

有效值减法器16将上述有效值给定值VRMS*分别减去输出电压各相有效值VaRMS、VbRMS、VcRMS，获得各相电压的有效值误差EaRMS、EbRMS、EcRMS。这里：EaRMS＝VRMS*-VaRMS；EbRMS＝VRMS*-VbRMS；EcRMS＝VRMS*-VcRMS。

有效值调节器17针对各相电压的有效值误差EaRMS、EbRMS、EcRMS分别作PI调节，生成相应的作用量UaRMS、UbRMS、UcRMS，这种作用量在稳态下可认为是直流量。

乘法器18将上述直流作用量UaRMS、UbRMS、UcRMS分别乘以对应的余弦函数得到相应的交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN。具体地讲：

UaCMPN＝UaRMS×COSθ*；

UbCMPN＝UbRMS×COS(θ*-120)；

UbCMPN＝UbRMS×COS(θ*-240)，其中θ*来自上述电压指令发生器6。

加法器19将上述交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN分别叠加到基本矢量控制系统输出的基本作用量Ua、Ub、Uc之上，形成综合作用量Uat、Ubt、Uct，以控制逆变桥相应桥臂开关的脉冲宽度。即：Uat＝Ua+UaCMPN；Ubt＝Ub+UbCMPN；Uct＝Uc+UcCMPN。

上述有效值控制环节的作用原理简述如下：当三相逆变器带不平衡负载，如仅在A相上加载时，A相输出电压有跌落的趋势，而B、C两相输出电压则有上扬的趋势，这样有效值减法器16获得的有效值误差EaRMS为正，而EbRMS、EcRMS为负。此误差经有效值调节器17后，获得的作用量UaRMS大于0，UbRMS、UcRMS小于0。再经乘法器18后，所得各相补偿量中，UaCMPN与基本作用量Ua同相，而UbCMPN、UcCMPN则分别与基本作用量Ub、Uc反相。经加法器19后，各相的综合作用量中，Uat将被加强，Ubt、Uct则将被削弱，这样原来A相输出电压跌落及B、C两相输出电压上扬的趋势将被抑制。另外，由于有效值调节器17采用的是无差的PI调节，稳态下最终会达到各相有效值误差为零(EaRMS＝EbRMS＝EcRMS＝0)，即各相输出的有效值均保持在设定值上(UaRMS＝UbRMS＝UcRMS＝VRMS*)，从而获得高精度的，平衡的三相输出电压。

实施例二

图4为本发明三相逆变器的另一种实施框图。本实施例与图3所示的实施例一基本类似，同样由基本矢量控制系统和有效值控制环节组成，前者提供基本作用量，后者提供补偿作用量，基本作用量和补偿作用量被叠加在一起。所不同的是，这里的有效值控制环节所包含的环节个数有增加，实施上述基本作用量和补偿作用量叠加的加法器的位置也有调整。

与实施例一相同，在本实施例中，电压指令发生器6，除了用于产生输出电压矢量的矢量角θ*及输出电压矢量在dq旋转坐标系下的给定值Vd*、Vq*(通常为0)以外，还要产生相应的输出电压的有效值给定值VRMS*。其中，VRMS*与Vd*存在严格的对应关系，可表达为

$\mathrm{VRMS}*=\mathrm{Vd}*/\sqrt{2}.$

有效值计算器15，用于以逆变器输出电压的重复周期为计算周期，根据输出三相电压的瞬时值Va、Vb、Vc分别计算其有效值VaRMS、VbRMS、VcRMS。

有效值减法器16，用于将上述有效值给定值VRMS*分别减去输出电压各相有效值VaRMS、VbRMS、VcRMS，获得各相电压的有效值误差EaRMS、EbRMS、EcRMS。这里，EaRMS＝VRMS*-VaRMS，EbRMS＝VRMS*-VbRMS，EcRMS＝VRMS*-VcRMS。

有效值调节器17，用于针对各相电压的有效值误差EaRMS、EbRMS、EcRMS分别作PI调节，生成相应的作用量UaRMS、UbRMS、UcRMS，这种作用量在稳态下可认为是直流量。

乘法器18可将上述直流作用量UaRMS、UbRMS、UcRMS分别乘以对应的余弦函数得到相应的交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN。具体地讲：UaCMPN＝UaRMS×COSθ*；UbCMPN＝UbRMS×COS(θ*-120)；UbCMPN＝UbRMS×COS(θ*-240)，其中θ*来自上述电压指令发生器6。

ABC/αβ变换器20，用于将上述各相交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN转换至αβ静止坐标系下的补偿作用量UαCMPN、UβCMPN。

加法器19，用于将上述补偿作用量UαCMPN、UβCMPN分别叠加到基本矢量控制系统在αβ静止坐标系下的基本作用量Uα、Uβ之上，形成综合作用量Uαt、Uβt，即Uαt＝Uα+UαCMPN，Uβt＝Uβ+UβCMPN。综合作用量Uαt、Uβt再经αβ/ABC变换器14后获得各相脉冲作用量Ua、Ub、Uc，以控制逆变桥相应桥臂开关的脉冲宽度。

可以看出，实施例二与实施例一的基本区别在于，加法器19从αβ/ABC变换器14的后面移到了它的前面，即补偿作用量与基本作用量的叠加是在αβ静止坐标系下进行的。与此相适应，补充了ABC/αβ变换器20，用于将三相交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN转换至αβ静止坐标系下的补偿作用量UαCMPN、UβCMPN。

该有效值控制环节的作用原理和效果与实施例一相同，可以认为它是实施例一的一种变形。另外，还可进一步将加法器19移至dq/αβ变换器13之前，相应地需在ABC/αβ变换器20之后添加αβ/dq变换器。

实施例三

图5为本发明逆变器的第三种实施例的框图表示。这一实施例与实施例一也存在较大的类似之处，它同样由基本控制单元和有效值控制环节组成，前者提供基本作用量，后者提供补偿作用量，基本作用量和补偿作用量被叠加在一起。所不同的是，这里的基本控制单元不是矢量解耦控制系统，而是三相独立控制系统。其有效值控制环节的作用原理同实施例一所述。

另外，从实施例三可以看出，若将其基本控制单元部分和有效值控制环节中分别抽出与A相相关的部分，则很容易构成单相逆变器的输出电压控制系统。

本发明原理也可用于单相逆变器，用于克服在带整流负载等条件下的输出电压偏离，提高其输出电压精度和负载适应能力。

在上述所有实施例中，只要作以下改动就可以很方便地将其中的有效值控制环节改造为平均值控制环节：

(1)、将有效值计算环节改造为平均值计算环节，该环节的输出A、B、C各相电压的平均值VaMEAN、VbMEAN、VcMEAN，这里的平均值是指输出交流电压取绝对值后的平均值；

(2)、将电压发生器6提供的有效值设定值VRMS*改造为平均值设定值VMEAN*，一般地

$\mathrm{VRMS}*=\mathrm{Vm}*/\sqrt{2},$

而

$\mathrm{VMEAN}*=2\sqrt{2}\mathrm{Vm}/\mathrm{\π}.$

采用平均值控制环节后，本发明的三个逆变器控制系统可以得到类似的控制效果。

Claims (9)

1、一种逆变器，包括逆变单元(1)、设在所述逆变单元(1)与负载(3)之间的滤波单元(2)，以及对输出电压进行控制的基本控制单元，其特征在于，还包括输出电压的有效值/平均值控制环节及及用于产生电压有效值/平均值给定值和相位角度θ*的电压指令发生器(6)；所述有效值/平均值控制环节包括计算实际输出电压有效值/平均值的计算器(15)、将所述电压有效值/平均值给定值减去所述实际输出电压有效值/平均值以获得有效值/平均值误差的有效值/平均值减法器(16)、根据所述有效值/平均值误差进行调节以生成直流补偿作用量的有效值/平均值调节器(17)、将所述直流补偿作用量转换成交流补偿作用量的乘法器(18)、以及将所述交流补偿量叠加到所述基本作用量上的加法器(19)。

2、根据权利要求1所述逆变器，其特征在于，所述电压指令发生器(6)包含于所述有效值/平均值控制环节。

3、根据权利要求1所述逆变器，其特征在于，所述指令发生器(6)包含于所述基本控制单元中，所述指令发生器(6)可产生电压给定值和相位角度θ*的电压，所述基本控制单元还包括：将所述电压指令发生器(6)产生的电压给定值减去实际输出电压以获得电压误差的电压减法器(7)、根据所述电压误差进行调节以生成电流给定值的电压调节器(8)、将所述电流给定值减去实际输出电流以获得电流误差的电流减法器(11)、以及根据所述电流误差进行调节以生成基本作用量的电流调节器(12)。

4、根据权利要求2或3所述逆变器，其特征在于，所述逆变单元(1)为三相逆变桥。

5、根据权利要求4所述逆变器，其特征在于，所述基本控制单元采用三相独立控制系统，所述电压指令发生器产生的是三相输出电压的设定值Va*、Vb*、Vc*及A相的相位角度θ*；所述电压减法器(7)、电压调节器(8)、电流减法器(11)及电流调节器(12)都在三相ABC坐标系下工作，所述电流调节器(12)直接输出基本作用量Ua、Ub、Uc；所述加法器(19)设在所述电流调节器(12)与逆变桥(1)之间，用于将所述乘法器(18)输出的三相交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN直接叠加到所述基本作用量Ua、Ub、Uc上，生成补偿后的作用量Uat、Ubt、Uct，分别用于控制所述逆变桥中开关管的控制脉冲宽度。

6、根据权利要求4所述逆变器，其特征在于，所述基本控制单元采用矢量解耦控制系统，所述电压指令发生器(6)产生dq坐标系直流给定值Vd*、Vq*以及矢量角θ*；所述电压减法器(7)、电压调节器(8)、电流减法器(11)及电流调节器(12)都在dq坐标系下工作，所述电流调节器(12)输出旋转坐标系作用量Ud、Uq；所述基本控制单元还包括反馈量的静止/旋转变换部分和作用量的旋转/静止反变换部分，

所述反馈量的静止/旋转变换部分包括：将三相实际输出电压Va、Vb、Vc变换为αβ静止坐标系电压Vα、Vβ的ABC/αβ电压变换器(4)；将所述αβ静止坐标系电压进一步变换为dq旋转坐标系实际电压值Vd、Vq的αβ/dq电压变换器(5)；将三相桥臂电流Ia、Ib、Ic变换为αβ静止坐标系电流Iα、Iβ的ABC/αβ电流变换器(9)、将所述αβ静止坐标系电流进一步变换为dq旋转坐标系实际电流值Id、Iq的αβ/dq电流变换器(10)；

所述作用量的旋转/静止反变换部分包括：将所述电流调节器(12)输出的旋转坐标系作用量Ud、Uq变换为αβ静止坐标系作用量Uα、Uβ的dq/αβ变换器(13)、可将所述αβ静止坐标系作用量进一步变换为三相ABC坐标系基本作用量Ua、Ub、Uc的αβ/ABC变换器(14)。

7、根据权利要求6所述逆变器，其特征在于，所述加法器设在所述αβ/ABC变换器与逆变桥(1)之间，将所述乘法器(18)输出的三相交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN直接叠加到所述αβ/ABC变换输出的基本作用量Ua、Ub、Uc上，生成补偿后的作用量Uat、Ubt、Uct，分别用于控制所述逆变桥(1)中开关管的控制脉冲宽度。

8、根据权利要求6所述逆变器，其特征在于，所述乘法器(18)输出的三相交流补偿量UaCMPN、UbCMPN、UcCMPN经一个ABC/αβ变换器(20)变换为αβ静止坐标系补偿作用量UαCMPN、UβCMPN；所述加法器(19)设在所述dq/αβ变换器(13)与所述αβ/ABC变换器(14)之间，将所述αβ静止坐标系补偿作用量UαCMPN、UβCMPN叠加到所述dq/αβ变换器(13)输出的αβ静止坐标系基本作用量Uα、Uβ上，生成补偿后的作用量Uαt、Uβt；所述αβ/ABC变换器(14)将所述Uαt、Uβt进一步变换三相ABC坐标系作用量Ua、Ub、Uc。

9、一种逆变器输出电压控制方法，由基本控制单元产生基本作用量作用于逆变单元，其特征在于，还包括以下步骤：检测计算输出电压的有效值/平均值；产生输出电压有效值/平均值给定值；将电压有效值/平均值给定值减去检测到的输出电压有效值/平均值，以获得有效值/平均值误差；根据所述有效值/平均值误差进行调节以生成直流补偿作用量；将所述直流补偿作用量转换成交流补偿作用量；将所述交流补偿量叠加到所述基本作用量上，作用于所述逆变单元实现对逆变输出电压的控制。

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