CN205986637U - 基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路 - Google Patents

Abstract

基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路，包括电压误差调节模块、电容功率估算模块、电感功率估算模块、有功功率指令值矫正模块、有功功率误差控制模块、无功功率误差控制模块、系统功率控制模块和IGBT模块。本实用新型将电感、电容的能量变化分阶段动态引入到电压外环控制器。在原有PI结构的基础上动态补偿电感、电容能量，调整电压外环控制器输出有功功率指令值，解决了传统PI控制器无法描述系统非线性部分能量流动的问题，减少了系统输出功率与负载功率之间的误差。在负载功率跳变时，能够有效抑制直流母线电压的波动，输出功率能够实现快速跟踪，提高系统输出功率的精度。

Description

基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路

技术领域

本实用新型涉及到变频器领域，具体的说是基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路。

背景技术

在传统交-直-交变频器中，通常会采用负载功率前馈的方法。负载功率前馈就是将逆变器输出的功率前馈至整流器，实现对整流器输出功率的提前控制，达到整流器与逆变器协调控制的目的。通常为得到负载功率会在逆变器采样电压、电流信号并用A/D转换为数字量，经过运算得到负载功率并将得到的数据前馈值整流器电压外环。电压外环通常采用PI调节，将负载功率前馈至电压外环能够快速调节PI控制输出有功功率指令值。但是能量从电网流出经整流器到逆变器再到负载端是必须要经过网侧滤波电感以及直流侧电容。负载吸收能量必须是先吸收直流侧电容的能量以及网侧滤波电感的能量，然后电容电感从电网吸收能量补充这部分耗能。而电容、电感是动态非线性储能元件，无论对其充能还是耗能都应当是非线性的、动态的，故整流器电压外环只采用PI控制器将系统能量消耗、补充的过程描述为线性过程是存在误差的。

实用新型内容

为解决现有技术中整流器电压外环只采用PI控制器将系统能量消耗、补充的过程描述为线性过程存在误差的问题，本实用新型提供了一种基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路，以实现减少整流器电压外环PI调节器输出有功功率误差的问题，以及能够保证在负载需要的电流、电压跳变导致功率跳变时，输出功率能够快速跟踪以及其准确性。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路，包括电压误差调节模块、电容功率估算模块、电感功率估算模块、有功功率指令值矫正模块、有功功率误差控制模块、无功功率误差控制模块、系统功率控制模块和IGBT模块，其中，所述电压误差调节模块检测直流母线电压实际值并经A/D转换后与直流母线电压指令值做差，将差值分别传递给PI控制器和电容功率估算模块，PI控制器运算输出有功功率误差值至有功功率指令值矫正模块；

所述电容功率估算模块将接收的差值和直流母线电压指令值进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电容功率，并将该电容功率输入给有功功率指令值矫正模块；

所述电感功率估算模块采集网侧电流d轴分量和d轴分量指令值进行做差，并将差值与进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电感功率，并将该电感功率输入给有功功率指令值矫正模块；

所述有功功率指令值矫正模块根据将接收到的数据与逆变器输出负载功率计算得到整流器输出有功功率指令值，并将输入给有功功率误差控制模块；

所述有功功率误差控制模块根据和采集的整流器输出有功功率值进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的d轴分量，并将传递给系统功率控制模块中的空间电压矢量控制模块SVPWM；

所述无功功率误差控制模块根据整流器输出无功功率值和整流器输出无功功率指令值进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的q轴分量，并将传递给系统功率控制模块中的空间电压矢量控制模块SVPWM；

所述系统功率控制模块中的空间电压矢量控制模块SVPWM根据接收的数据进行运算，并输出六桥臂功率器件开关信号、、、、、至IGBT模块，进而控制IGBT模块输出经过功率补偿后的直流母线电压值，并根据控制整流器功率开关器件。

所述电容功率估算模块计算得到每周期系统需补偿的电容功率的具体操作为：

首先采样直流母线电压值，经过检测电路后进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号，然后将从检电路输出的电压信号，进入DSP进行A/D转换，并根据转换值和公式计算得到每周期系统需补偿的电容功率；

式中，为直流母线电容值，为直流母线电压指令值，为直流母线电压实际值，为系统调节周期个数，为系统采样周期。

所述电感功率估算模块计算得到每周期系统需补偿的电感功率的具体操作为：

首先，从整流侧传感器采集三相电流分量，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

其次，将检测电路输出的电流信号，进入DSP进行A/D转换，数字量化之后进行3s/2r变换，从三相静止坐标系转换到二相旋转坐标系上；

最后，根据电流在两相旋转坐标系d轴分量值和公式计算得到每周期系统需补偿的电感功率；

式中，为网侧滤波电感值，为网侧电流d轴分量指令值，为网侧电流d轴实际输出值，为系统调节周期个数，为系统采样周期。

所述负载功率的得到步骤如下：

首先，从逆变侧传感器采集三相电压、电流分量，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

其次，将检测电路输出信号，进入DSP进行A/D转换；

最后，根据转换出的电压、电流值计算逆变器输出负载功率，，其中，为逆变器输出的线电压，为逆变器输出的线电流，为系统的能量转换因数，取0.8。

本实用新型将电容、电感的耗能分阶段动态补偿到电压外环PI控制器中，根据直流母线电压实际输出值与指令值的差值确定需补充的电容能量，根据网侧电流输出值与指令值的差值确定需补充电感的能量，并根据PI调节器调节周期确定电容、电感动态补偿周期n的值，从而减少了电压外环PI调节器输出有功功率的误差。

有益效果：传统整流器电压外环通常采用PI控制器，将电压外环电压调节视为线性、静态系统。但实际交-直-交变换器能量流动过程由于经过网侧电感和直流侧电容已经存在非线性、动态分量，所以采用传统PI外环用线性、静态控制器去控制含有非线性、动态分量的系统是存在误差的，PI控制器输出的有功功率指令值只能体现负载功率变化，但是没有考虑在系统能量流动过程中电感、电容存储能量的变化。而本实用新型将电感、电容的能量变化分阶段动态引入到电压外环控制器。在原有PI结构的基础上动态补偿电感、电容能量，调整电压外环控制器输出有功功率指令值，解决了传统PI控制器无法描述系统非线性部分能量流动的问题，减少了系统输出功率与负载功率之间的误差。在负载功率跳变时，能够有效抑制直流母线电压的波动，输出功率能够实现快速跟踪，提高系统输出功率的精度。

附图说明

图1为本实用新型的系统框架图；

图2为本实用新型的调整原理图；

附图标记：1、电压误差调节模块，2、电容功率估算模块，3、电感功率估算模块，4、有功功率指令值矫正模块，5、有功功率误差控制模块，6、无功功率误差控制模块，7、系统功率控制模块，8、IGBT模块。

具体实施方式

如图所示，基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路，包括电压误差调节模块1、电容功率估算模块2、电感功率估算模块3、有功功率指令值矫正模块4、有功功率误差控制模块5、无功功率误差控制模块6、系统功率控制模块7和IGBT模块8，其中，所述电压误差调节模块1检测直流母线电压实际值并经A/D转换后与直流母线电压指令值做差，将差值分别传递给PI控制器和电容功率估算模块2，PI控制器运算输出有功功率误差值至有功功率指令值矫正模块4；

所述电容功率估算模块2将接收的差值和直流母线电压指令值进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电容功率，并将该电容功率输入给有功功率指令值矫正模块4；

所述电感功率估算模块3采集网侧电流d轴分量和d轴分量指令值进行做差，并将差值与进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电感功率，并将该电感功率输入给有功功率指令值矫正模块4；

所述有功功率指令值矫正模块4根据将接收到的数据与逆变器输出负载功率计算得到整流器输出有功功率指令值，并将输入给有功功率误差控制模块5；

所述有功功率误差控制模块5根据和采集的整流器输出有功功率值进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块7内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的d轴分量，并将传递给系统功率控制模块7中的空间电压矢量控制模块SVPWM；

所述无功功率误差控制模块6根据整流器输出无功功率值和整流器输出无功功率指令值进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块7内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的q轴分量，并将传递给系统功率控制模块7中的空间电压矢量控制模块SVPWM；

所述系统功率控制模块（7）中的空间电压矢量控制模块SVPWM根据接收的数据进行运算，并输出六桥臂功率器件开关信号、、、、、（、、为上三个桥臂开关信号，、、为对称下三个桥臂开关信号）至IGBT模块8，进而控制IGBT模块8输出经过功率补偿后的直流母线电压值，并根据控制整流器功率开关器件。

所述电容功率估算模块2计算得到每周期系统需补偿的电容功率的具体操作为：

首先采样直流母线电压值，经过检测电路后进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号，然后将从检电路输出的电压信号，进入DSP进行A/D转换，并根据转换值和公式计算得到每周期系统需补偿的电容功率；

式中，为直流母线电容值，为直流母线电压指令值，为直流母线电压实际值，为系统调节周期个数，为系统采样周期；

所述电感功率估算模块3计算得到每周期系统需补偿的电感功率的具体操作为：

首先，从整流侧传感器采集三相电流分量，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

其次，将检测电路输出的电流信号，进入DSP进行A/D转换，数字量化之后进行3s/2r变换，从三相静止坐标系转换到二相旋转坐标系上；

最后，根据电流在两相旋转坐标系d轴分量值和公式计算得到每周期系统需补偿的电感功率；

式中，为网侧滤波电感值，为网侧电流d轴分量指令值，为网侧电流d轴实际输出值，为系统调节周期个数，为系统采样周期；

所述负载功率的得到步骤如下：

首先，从逆变侧传感器采集三相电压、电流分量，经过检测电路，进行滤波处理，去除干扰的毛刺信号；

其次，将检测电路输出信号，进入DSP进行A/D转换；

最后，根据转换出的电压、电流值计算逆变器输出负载功率，，其中，为逆变器输出的线电压，为逆变器输出的线电流，为系统的能量转换因数，取0.8。

本实用新型的工作模式是：

首先在交-直-交变换系统启动时刻，由于系统中不存在能量，能量全部需要从电网侧吸收，直流母线电压以及网侧电流几乎为0，系统估算出的电感与电容功率较大，而整流器电压外环调节主要是以PI控制器为主，以电感电容估算功率作为补偿。为防止系统启动时不稳定，可提前在DSP程序内设定估算功率上限值，但上限值不宜过低否则会影响系统的控制精度，减少系统响应速度。

其次，在系统接近稳定时，整流器输出电流接近稳态，整流器输出功率接近负载功率，但电压外环调节仍处于调节状态。此时提高估算功率上限值，以电感电容估算功率作为主要，补偿整流器输出有功功率。

最后根据调整整流器有功功率的输出直至系统达到稳态。在负载功率跳变时，采用负载功率与电感电容估算功率相结合的控制方法实现对整流器输出功率的动态补偿。经过功率动态补偿后，能够减少整流器输出有功功率误差，实现功率的快速跟踪，减少直流母线电压波动。

Claims (1)

1.基于功率动态前馈的整流器电压外环调整电路，其特征在于：包括电压误差调节模块（1）、电容功率估算模块（2）、电感功率估算模块（3）、有功功率指令值矫正模块（4）、有功功率误差控制模块（5）、无功功率误差控制模块（6）、系统功率控制模块（7）和IGBT模块（8），其中，所述电压误差调节模块（1）检测直流母线电压实际值并经A/D转换后与直流母线电压指令值做差，将差值分别传递给PI控制器和电容功率估算模块（2），PI控制器运算输出有功功率误差值至有功功率指令值矫正模块（4）；

所述电容功率估算模块（2）将接收的差值和直流母线电压指令值进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电容功率，并将该电容功率输入给有功功率指令值矫正模块（4）；

所述电感功率估算模块（3）采集网侧电流d轴分量和d轴分量指令值进行做差，并将差值与进行乘法运算，得到每周期系统需补偿的电感功率，并将该电感功率输入给有功功率指令值矫正模块（4）；

所述有功功率指令值矫正模块（4）根据将接收到的数据与逆变器输出负载功率计算得到整流器输出有功功率指令值，并将输入给有功功率误差控制模块（5）；

所述有功功率误差控制模块（5）根据和采集的整流器输出有功功率值进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块（7）内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的d轴分量，并将传递给系统功率控制模块（7）中的空间电压矢量控制模块SVPWM；

所述无功功率误差控制模块（6）根据整流器输出无功功率值和整流器输出无功功率指令值进行做差运算，得到的运算结果传递给系统功率控制模块（7）内的一个PI控制器进行运算，得到整流器输入电压的q轴分量，并将传递给系统功率控制模块（7）中的空间电压矢量控制模块SVPWM；

所述系统功率控制模块（7）中的空间电压矢量控制模块SVPWM根据接收的数据进行运算，并输出六桥臂功率器件开关信号、、、、、至IGBT模块（8），进而控制IGBT模块（8）输出经过功率补偿后的直流母线电压值，并根据控制整流器功率开关器件。