CN116169696B - 一种无电压传感器的电网pfc控制方法与设备 - Google Patents

一种无电压传感器的电网pfc控制方法与设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无电压传感器的电网PFC控制方法与设备，属于新能源技术领域，具体包括：基于三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；基于PFC设备的开关管的占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量，并当满足预设条件时，将三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的二维分量，进行PFC设备的电压环和电流环的确定；基于电压环和电流环，进行PFC设备的开关管的驱动信号的生成，并基于PFC设备实现对三相电网的不平衡控制，从而进一步降低了PFC设备的设备成本和故障率。

Description

一种无电压传感器的电网PFC控制方法与设备
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种无电压传感器的电网PFC控制方法与设备。
背景技术
随着新能源发电设备的大规模并网，不管是在发电侧还是用电侧都存在大量的三相电压不平衡的问题，为了实现对三相电压不平衡问题的治理，往往通过PFC(PowerFactor Correction)设备实现对三相电压的平衡治理，在发明专利授权公告号CN113890328B《一种基于GaN功率件的三相交错并联PFC电路》中通过设置信号采样电路、滤波电路、控制电路和主功率回路电路，所述信号采样电路包括电源输入电压采样电路、节点电压输入电路和输出电压采样电路，主功率回路通过互相并联连接的第一相电路、第二相电路、第三相电路和开关电路的设置实现了更小的高频纹波、更高的可靠性、更好的电磁兼容性，但是却存在以下技术问题：
需要采用电压传感器进行电压的实时采集，由于三相供电电路存在电压不平衡的时候，有的时候是由于单相短路导致的，而此时的电压幅值很有可能会超过电压传感器的额定测量范围，从而可能导致电压传感器的破坏，同时采用电压传感器也在一定程度上使得装置的成本和故障率有所提升。
未考虑结合角频率的正负序分量的分析结果进行功率校正的开启，在正常的三相平衡的状态下，角频率不会产生正序分量和负序分量，若不考虑正负序分量的分析结果，则有可能导致不必要的校正，进而造成不必要的电能消耗,同时若不能进行正负序分量的分析结果也有可能导致最终的补偿的功率因数较低。
针对上述技术问题，本发明提供了一种无电压传感器的电网PFC控制方法与设备。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
一种无电压传感器的电网PFC控制方法，其特征在于，具体包括：
S11实时采集三相电网的三相电流，并至少基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；
S12实时获取PFC设备的开关管的占空比，并基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量，并当所述正序分量大于角频率正序设定量且所述角频率负序分量大于角频率负序设定量时进入下一步；
S13将所述三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的三相电压和三相电流的二维分量，并基于分别所述三相电压和三相电流的二维分量进行所述PFC设备的电压环和电流环的确定。
S14基于所述电压环和电流环，进行所述PFC设备的开关管的驱动信号的生成，并基于所述PFC设备实现对三相电网的不平衡控制。
通过基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定，从而实现了根据不同的用电设备类型以及电流的实际情况进行PFC设备的开启时机的动态调整，在保证用电设备的安全性和稳定性的基础上，同时也实现了对电能质量的开启的动态调整，减少了不必要的电能消耗。
通过结合基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量，从而实现了在PFC设备中无须电压传感器就能实现对功率的控制，降低了投入成本，同时也进一步的降低了故障率。
通过结合三相电压和三相电流的二维分量进行开关管的驱动信号的生成，从而实现了对功率因素的动态校正和动态控制，不仅使得三相电网的三相不平衡得到有效控制，同时也降低了用电设备的故障率。
另一方面，本申请实施例中提供一种无电压传感器的电网PFC控制设备，采用上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法，具体包括：
电流传感器；驱动电路；控制模块；开关电路；
其中所述电流传感器负责实时采集三相电网的三相电流；
所述控制模块负责至少基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；实时获取PFC设备的开关管的占空比，并基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量；
所述驱动电路负责所述三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的三相电压和三相电流的二维分量，并基于分别所述三相电压和三相电流的二维分量进行所述PFC设备的电压环和电流环的确定；基于所述电压环和电流环，进行所述PFC设备的开关管的驱动信号的生成；
所述开关电路负责基于所述驱动信号进行输出，实现对三相电网的不平衡控制。
另一方面，本申请实施例中提供一种单片机系统，包括：通信连接的存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的程序，其特征在于：所述处理器运行所述程序时执行上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
另一方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有程序，当所述程序在中执行时，令执行上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显;
图1是一种无电压传感器的电网PFC控制方法的流程图；
图2是三相PFC拓扑以及等效拓扑的结构图；
图3是二阶广义积分拓扑图的结构图；
图4是三相PFC整体控制框图；
图5是角频率正序设定量的确定的具体步骤的流程图；
图6是三相电压求解的具体步骤的流程图；
图7是一种无电压传感器的电网PFC控制设备的结构图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
为解决上述问题，根据本发明的一个方面，如图1所示，提供了根据本发明的一种无电压传感器的电网PFC控制方法，其特征在于，具体包括：
S11实时采集三相电网的三相电流，并至少基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；
具体的，所述三相电流采用基于电流传感器进行实时采集。
在其中的一个具体的实施例中，如图5所示，所述角频率正序设定量的确定的具体步骤为：
S21基于所述用电设备类型确定用电设备的供电稳定性要求，并基于所述用电设备的供电稳定性要求的平均值进行角频率正序设定基础量的确定；
需要说明的是，用电设备的供电稳定性要求分别为1,0.5,0.9，则平均值为0.8，则角频率正序设定基础量为3%。
S22实时获取所述三相电流，并基于所述三相电流的幅值确定是否需要进行角频率正序设定基础量的更新，若是，则进入步骤S24，若否，则进入步骤S23；
需要说明的是，当三相电流的幅值大于20A时，则需要进行角频率正序设定基础量需要进行更新。
S23基于所述三相电流之间的差值的最大值确定是否需要进行角频率正序设定基础量的更新，若是，则进入步骤S24，若否，则将所述角频率正序设定基础量作为角频率正序设定量；
S24基于所述三相电流的幅值、三相电流之间的差值的最大值、用电设备的供电稳定性要求的最大值构建修正量，并基于所述修正量和角频率正序设定基础量进行角频率正序设定量的确定。
需要说明的是，所述用电设备的供电稳定性要求根据所述用电设备类型以及用电设备的功率进行确定，其中所述用电设备类型包括测量仪器、其它用电设备。
在本实施例中，通过基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定，从而实现了根据不同的用电设备类型以及电流的实际情况进行PFC设备的开启时机的动态调整，在保证用电设备的安全性和稳定性的基础上，同时也实现了对电能质量的开启的动态调整，减少了不必要的电能消耗。
S12实时获取PFC设备的开关管的占空比，并基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量，并当所述正序分量大于角频率正序设定量且所述角频率负序分量大于角频率负序设定量时进入下一步；
在其中的一个具体的实施例中，如图6所示，所述三相电压求解的具体步骤为：
S31基于所述PFC设备的电路拓扑结构进行等效数学模型的构建，得到PFC电压数学模型；
需要说明的是，如图2所示，为PFC设备的电路拓扑结构，等效的数学公式如式所示:
为电网侧电压，/>为控制器端口电压，/>为电感电流，R为电感内阻，L为电感值，/>为微分运算。
S32对所述PFC电压数学模型的两端分别进行积分，得到虚拟磁链方程，并结合所述占空比以及母线电压对所述虚拟磁链方程进行重构得到重构后的虚拟磁链方程；
需要说明的是，磁链定义为电压对时间的积分，所以式两边同时积分得式：
为电网侧磁链。
S33 基于二阶广义积分拓扑构建所述二阶广义积分器，并基于所述二阶广义积分器对所述重构后的虚拟磁链方程进行重构得到三相电压。
具体的，所述重构后的虚拟磁链方程为：
其中/>为电网侧磁链，/>为占空比，/>为母线电压，R为电感内阻，/>为电感电流，t为时间，L为电感值。
需要说明的是，由于,/>为电网的频率。所以：
二阶广义积分拓扑如图3所示，方程定义为：
所以：
s为微分算符，k为阻尼系数。定义，所以/>至此，可以通过的二阶广义积分方法获取电网电压。然而三相电网由于各相所带负载不同，会导致三相电网电压不平衡，当三相不平衡时，会产生角频率为/>的正序分量和角频率为/>的负序分量。如果仍按照传统方法进行控制，将会产生较大的电流谐波。因此本发明专利，在无三相电压传感器的前提下，实现提取三相不平衡时的正序分量和负序分量，进而实现低电流谐波，高功率因数控制。
在本实施例中，通过结合基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量，从而实现了在PFC设备中无须电压传感器就能实现对功率的控制，降低了投入成本，同时也进一步的降低了故障率。
S13将所述三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的三相电压和三相电流的二维分量，并基于分别所述三相电压和三相电流的二维分量进行所述PFC设备的电压环和电流环的确定；
S14基于所述电压环和电流环，进行所述PFC设备的开关管的驱动信号的生成，并基于所述PFC设备实现对三相电网的不平衡控制。
需要说明的是，已知电压X的β轴分量滞后于α轴分量/>90度，所以：
为/>和/>的频率。已知：
为α轴正序分量，/>为α轴负序分量，/>为β轴正序分量，/>为β轴负序分量，式中q表示正交变换。将式带入，并结合，并且将/>作为输入，得：
已知/>，/>为/>角频率，所以：
由式可以发现对于负序分量而言/>，分子等于零，说明本发明专利在提取正序分量时，可以有效的抑制负序分量。同理，提取负序分量的时候，正序分量等于0。
结合可以提取三相电网的α轴正序分量，α轴负序分量/>，β轴正序分量/>，β轴负序分量/>。将这些分量用于常规的三相PFC设备中，就可以实现三相无电压传感器电压不平衡的控制。
具体的，所述角频率的正序分量和负序分量根据所述三相电压的正序分量和负序分量进行确定。
具体的，所述开关管的驱动信号采用基于SVPWM波的方式进行生成。
如图4所示，为最终的三相PFC整体控制框图，从而实现对PFC设备的控制。
通过结合三相电压和三相电流的二维分量进行开关管的驱动信号的生成，从而实现了对功率因素的动态校正和动态控制，不仅使得三相电网的三相不平衡得到有效控制，同时也降低了用电设备的故障率。
另一方面，如图7所示，本申请实施例中提供一种无电压传感器的电网PFC控制设备，采用上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法，具体包括：
电流传感器；驱动电路；控制模块；开关电路；
其中所述电流传感器负责实时采集三相电网的三相电流；
所述控制模块负责至少基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；实时获取PFC设备的开关管的占空比，并基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量；
所述驱动电路负责所述三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的三相电压和三相电流的二维分量，并基于分别所述三相电压和三相电流的二维分量进行所述PFC设备的电压环和电流环的确定；基于所述电压环和电流环，进行所述PFC设备的开关管的驱动信号的生成；
所述开关电路负责基于所述驱动信号进行输出，实现对三相电网的不平衡控制。
另一方面，本申请实施例中提供一种单片机系统，包括：通信连接的存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的程序，其特征在于：所述处理器运行所述程序时执行上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
具体的，本实施例还提供了一种单片机系统，该系统包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库；其中，该系统的处理器用于提供计算和控制能力；该系统的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和程序的运行提供环境。该设备网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该程序被处理器执行时以实现上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
另一方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有程序，当所述程序在中执行时，令执行上述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
具体的，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可 包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM （PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括 随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得， 诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强 型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM （RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
功能如果以软件功能模块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设备(可以是个人，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例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。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种无电压传感器的电网PFC控制方法，其特征在于，具体包括：
实时采集三相电网的三相电流，并至少基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；
所述角频率正序设定量的确定的具体步骤为：
S21基于所述用电设备类型确定用电设备的供电稳定性要求，并基于所述用电设备的供电稳定性要求的平均值进行角频率正序设定基础量的确定；
S22实时获取所述三相电流，并基于所述三相电流的幅值确定是否需要进行角频率正序设定基础量的更新，若是，则进入步骤S24，若否，则进入步骤S23；
S23基于所述三相电流之间的差值的最大值确定是否需要进行角频率正序设定基础量的更新，若是，则进入步骤S24，若否，则将所述角频率正序设定基础量作为角频率正序设定量；
S24基于所述三相电流的幅值、三相电流之间的差值的最大值、用电设备的供电稳定性要求的最大值构建修正量，并基于所述修正量和角频率正序设定基础量进行角频率正序设定量的确定；
实时获取PFC设备的开关管的占空比，并基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量，并当所述正序分量大于角频率正序设定量且所述角频率负序分量大于角频率负序设定量时进入下一步；
将所述三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的三相电压和三相电流的二维分量，并基于分别所述三相电压和三相电流的二维分量进行所述PFC设备的电压环和电流环的确定；
基于所述电压环和电流环，进行所述PFC设备的开关管的驱动信号的生成，并基于所述PFC设备实现对三相电网的不平衡控制。
2.如权利要求1所述的电网PFC控制方法，其特征在于，所述三相电流采用基于电流传感器进行实时采集。
3.如权利要求1所述的电网PFC控制方法，其特征在于，所述用电设备的供电稳定性要求根据所述用电设备类型以及用电设备的功率进行确定，其中所述用电设备类型包括测量仪器、其它用电设备。
4.如权利要求1所述的电网PFC控制方法，其特征在于，所述三相电压求解的具体步骤为：
基于所述PFC设备的电路拓扑结构进行等效数学模型的构建，得到PFC电压数学模型；
对所述PFC电压数学模型的两端分别进行积分，得到虚拟磁链方程，并结合所述占空比以及母线电压对所述虚拟磁链方程进行重构得到重构后的虚拟磁链方程；
基于二阶广义积分拓扑构建所述二阶广义积分器，并基于所述二阶广义积分器对所述重构后的虚拟磁链方程进行重构得到三相电压。
5.如权利要求4所述的电网PFC控制方法，其特征在于，所述重构后的虚拟磁链方程为：其中/>为电网侧磁链，/>为占空比，/>为母线电压，R为电感内阻，/>为电感电流，t为时间，/>为电感值。
6.如权利要求1所述的电网PFC控制方法，其特征在于，所述角频率的正序分量和负序分量根据所述三相电压的正序分量和负序分量进行确定。
7.如权利要求1所述的电网PFC控制方法，其特征在于，所述开关管的驱动信号采用基于SVPWM波的方式进行生成。
8.一种无电压传感器的电网PFC控制设备，采用权利要求1-7任一项所述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法，具体包括：
电流传感器；驱动电路；控制模块；开关电路；
其中所述电流传感器负责实时采集三相电网的三相电流；
所述控制模块负责至少基于所述三相电流、用电设备类型进行角频率正序设定量和角频率负序设定量的确定；实时获取PFC设备的开关管的占空比，并基于所述占空比、三相电流和母线电压，基于虚拟磁链方程和二阶广义积分器进行求解获取三相电压以及三相电网的角频率的正序分量和角频率负序分量；
所述驱动电路负责所述三相电压和三相电流进行正交转换得到静止坐标系下的三相电压和三相电流的二维分量，并基于分别所述三相电压和三相电流的二维分量进行所述PFC设备的电压环和电流环的确定；基于所述电压环和电流环，进行所述PFC设备的开关管的驱动信号的生成；
所述开关电路负责基于所述驱动信号进行输出，实现对三相电网的不平衡控制。
9.一种单片机系统，包括：通信连接的存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的程序，其特征在于：所述处理器运行所述程序时执行权利要求1-7任一项所述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
10.一种存储介质，其上存储有程序，当所述程序在中执行时，令执行权利要求1-7任一项所述的一种无电压传感器的电网PFC控制方法。
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