一種三相電壓型整流器及其控制方法
2023-05-16 10:15:56 2
專利名稱：一種三相電壓型整流器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及整流裝置，尤其涉及一種三相電壓型整流器及其控制方法。
背景技術：
在國民經濟各領域中廣泛應用的大部分變流裝置都需要整流器，以獲得穩定的直流電壓，但常規的整流電路大多採用二極體不控整流或晶閘管相控整流電路，因而對電網注入了大量的諧波和無功電能，造成了嚴重的電網汙染。治理這種電網汙染最根本的措施 是使變流裝置網側電流正弦化和功率因數為I。PWM控制技術的應用與發展為整流器性能的改進提供了變革性的思路和手段，結合了 PWM控制技術的新型整流器稱為PWM整流器。由於PWM整流器實現了輸入電流的正弦化，且運行於單位功率因數，能量可雙向傳輸，因而真正實現了 「綠色電能變換」。目前整流器電網側的傳統控制方法是採用矢量控制法，控制結構如圖I所示。主要由供電電網(含電網側LC濾波器)、採樣模塊(交流電壓、電流，直流側電壓採樣)、坐標變換模塊①(Clark變換及park正、反變換)、電壓外環調節器②、電流內環調節器③、解耦模塊④及IGBT模塊直流環節組成。矢量控制法採集直流側的電壓進行反饋控制，並且同時根據功率需求給出矢量電流參考值。電流控制模塊對矢量電流進行控制，給出脈寬調製因數，最後輸出由PWM模塊給出的開關信號驅動IGBT模塊上、下橋臂的開通與關斷。PWM整流器的核心是電流控制，如何提高整流器的功率因數並改善輸入電流波形是人們追求的目標。往往電流環輸出信號的好壞對整流器的影響是至關重要的。矢量控制法的控制目標主要在於電流信號的控制，矢量控制法中的電流控制模塊控制敏感度較高，整流系統的電路參數、測量延時以及鎖相環性能對電流控制都具有較大的影響，這些因素造成了矢量控制法的魯棒性偏低。通常的三相電壓型整流器的電壓環、電流環採用PID調節器為主，當電路參數，測量延時以及其他因素發生變化時，調節器穩定性會發生明顯改變，加大了調節器參數的調試難度，給整流器應用的調試實施帶來了實際困難。因此，提供一種能夠在保證效率的同時提高系統穩定性的三相整流器及其控制方法就顯得尤為重要了。
發明內容
本發明的目的是避免出現現有技術中的三相電壓型整流器因為電路中某些因素變化而影響調節器穩定性所導致的整流器調試困難的情況。本發明公開一種三相電壓型整流器，其中，包括連接供電電網的採樣模塊、所述採樣模塊具有直流側電壓(Uref)採樣模塊，連接電壓環調節器的輸入端，交流側電壓(ea, eb, ec)、電流(la, lb, Ic)採樣模塊,連接坐標變換模塊的輸入端，電壓環調節器的輸出端和所述坐標變換模塊的輸出端分別連接電流環調節器的參考電流輸入端、電流輸入端以及電壓輸入端，所述電流環調節器的輸出端通過Park逆變換器和SVPWM模塊連接IGBT模塊，其中，所述電壓環調節器為第一滑模變結構調節器，所述電流環調節器為加權組合調節器，所述加權組合調節器包括
第二滑模變結構調節器，用於將實現快速跟蹤相應；
PID調節器，用於實現無超調、無靜差控制；
可變加權因子模塊，當所述電流環調節器輸入的參考電流和電流的差值大於誤差值時，所述可變加權因子模塊切換至所述第二滑模變結構調節器工作，當所述電流環調節器輸入的參考電流和電流的差值不大於誤差值時，所述可變加權因子模塊切換至所述PID調節器工作。上述的三相電壓型整流器，其中，所述採樣模塊為DSP處理器，用於進行ADC採樣。
上述的三相電壓型整流器，其中，所述加權組合調節器還包括可變加權因子，其取值範圍為O至I。上述的三相電壓型整流器，其中，所述可變加權因子為0.01或O. 09。根據本發明的另一個方面，還公開一種述三相電壓型整流器的控制方法，其中，包括如下步驟
供電電網提供三相交流電，採樣後將直流側實時電壓值與設電壓值進行比較，電壓環滑模調節器根據控制變量參考值以及實測控制變量建立滑模平面函數，電壓環調節器輸出電流經限幅後送至電流環調節器；
提供坐標變換模塊將三相電壓、三相電流從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系，轉換後的電壓輸出信號作為電流環調節器的輸入信號，電流輸出信號作為電流環調節器中輸入電流的參考電流；
若電流環調節器的輸入電流以及參考電流的差值大小大於誤差值，則進行滑模調節，若電流環調節器的輸入電流以及參考電流的差值大小不大於誤差值，則進行PID調節，輸出電壓經限幅後送至電流環調節器Park逆變換器；
利用空間矢量調製產生六路固定開關頻率、不同佔空比的PWM波，驅動IGBT模塊的開關管的開通與關斷。上述的方法，其中，所述三相電壓、三相電流從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系的步驟中，包括先Clark變換，再進行Park變換。上述的方法，其中，還包括提供鎖相環模塊，計算三相電壓的相位角Θ，用於Park變換。本發明通過提供了一種魯棒性高的三相電壓型整流器，在保證電網電壓高利用率的同時，對系統的超調、穩態誤差都有較好的抑制作用。本發明的優點是
1、採用SVPWM(空間矢量調製)方法，可以比普通PWM調製方法的電網利用率調高15. 4% ；
2、電壓環採用滑模變結構算法(VSC)替代傳統的PID控制算法，可以快速應對直流側電壓的變化； 3、電流環採用組合控制算法(PID+VSC)替代傳統的PID控制算法，既可以快速響應電流的變化，又可以輸出穩定的控制信號，減小直流側超調和穩態誤差。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特徵、夕卜形和優點將會變得更明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。並未刻意按照比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。在附圖中，為清楚明了，放大了部分部件。圖I示出了現有技術的，一種三相電壓型整流器的結構示意 圖2示出了根據本發明的，一種三相電壓型整流器的結構示意 圖3為滑模變結構調節器的傳遞函數框 圖4示出了根據本發明的，三相電壓型整流器中的電壓環滑模調節器； 圖5為加權組合調節器的傳遞函數框 圖6示出了根據本發明的，三相電壓型整流器中的電壓環加權組合調節器。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施方式
對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施方式
僅用於解釋本發明，並不用於限定本發明的保護範圍。結合參考圖2至圖6，相比如圖I所示的現有技術，本發明的三相電壓型整流器採用圖4所示的第一滑模變結構調節器201替代如圖I所示的現有技術中的電壓外環調節器②，採用圖6所示的加權組合調節器替代如圖I所示的現有技術中的電流內環調節器③。具體地，本發明包括連接供電電網的採樣模塊(圖2中未示出)、具體地，所述採樣模塊具有直流側電壓(Uref)採樣模塊，連接電壓環調節器102的輸入端，交流側電壓(ea，eb, ec)、電流(Ia，lb, Ic)採樣模塊，連接坐標變換模塊①的輸入端，電壓環調節器102的輸出端和所述坐標變換模塊①的輸出端分別連接電流環調節器103的參考電流輸入端、電流輸入端以及電壓輸入端(圖2中未示出)，所述電流環調節器103的輸出端通過Park逆變換器105和SVPWM模塊連接IGBT模塊，其中，所述電壓環調節器102為第一滑模變結構調節器201，所述電流環調節器103為加權組合調節器，所述加權組合調節器包括第二滑模變結構調節器202，用於將實現快速跟蹤相應；PID調節器203，用於實現無超調、無靜差控制；可變加權因子模塊，當所述電流環調節器103輸入的參考電流和電流的差值大於誤差值時，所述可變加權因子模塊切換至所述第二滑模變結構調節器202工作，當所述電流環調節器103輸入的參考電流和電流的差值不大於誤差值時，所述可變加權因子模塊切換至所述PID調節器203工作。優選地，所述採樣模塊為DSP處理器，用於進行ADC採樣。本領域技術人員理解，所述加權組合調節器還包括可變加權因子，其取值範圍為O至I。具體地，電流環調節器103中，利用可變加權因子切換第二滑模變結構調節器202和PID調節器203所佔的比重以實現兩種算法之間的切換。更為具體地，所述可變加權因子為O. 01或O. 99，即使第二滑模變結構調節器202和PID調節器203所佔比例為1:99或99: I。上述的三相電壓型整流器的控制方法，包括如下步驟
供電電網提供三相交流電，採樣後將直流側實時電壓值與設電壓值進行比較，電壓環滑模調節器根據控制變量參考值以及實測控制變量建立滑模平面函數，電壓環調節器102輸出電流經限幅後送至電流環調節器103 ；
提供坐標變換模塊①將三相電壓、三相電流從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系，轉換後的電壓輸出信號作為電流環調節器103的輸入信號，電流輸出信號作為電流環調節器103中輸入電流的參考電流；
若電流環調節器103的輸入電流以及參考電流的差值大小大於誤差值，則進行滑模調節，若電流環調節器103的輸入電流以及參考電流的差值大小不大於誤差值，則進行PID調節，然後輸出電壓經限幅後送至Park逆變換器105 ；
利用空間矢量調製產生六路固定開關頻率、不同佔空比的PWM波，驅動IGBT模塊的開關管的開通與關斷。圖2中的SVPWM模塊根據park反變換的輸出值產生六路固定開關頻率、不同佔空比的PWM波，從而驅動IGBT模塊的開關管的開通與關斷。IGBT具有三相橋臂分別連接三相電壓a相，b相，c相，每個橋臂的上、下開關交互打開，即當上橋臂導通時，下橋臂關斷；當上橋臂關斷時，下橋臂導通。上、下橋臂開關切換時加入死區時間保護，以避免上、下橋臂同時導通的情況發生。六路不同佔空比的PWM波決定IGBT六個橋臂開通關斷的時間，從而可以保持直流側電壓的的穩定。進一步地，所述三相電壓、三相電流從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系的步驟中，包括先Clark變換，再進行Park變換。如圖2所示,三相電壓ea、eb、ec經過Clark、park坐標變換將電壓信號從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系，坐標變換的輸出ed，eq分別為解耦模塊④中的輸入信號。三相電流ia、ib、ic經過Clark、park坐標變換將電流信號從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系，坐標變換的輸出id，iq分別為作為電流環調節器103中輸入電流的參考電流。電流環103的兩組調節器，分別對有功電流和無功電流進行調節。以有功電流調節為例，I idref-id|>0. 05時，a=0. 01，電流環切換至第二滑模變結構調節器202實現快速跟蹤相應；當I idref-id |〈O. 05時，a=0. 99，由PID調節器203使整流系統實現無超調、無靜差控制。當電流環103的輸入信號發生突變時，電流環103可以快速、平穩的輸出控制信號ud、uq,進行park反變換。
更進一步地，還包括提供鎖相環模塊，計算三相電壓的相位角Θ，用於Park變換。本領域技術人員應該理解，本領域技術人員結合現有技術以及上述實施例可以實現所述變化例，在此不予贅述。這樣的變化例並不影響本發明的實質內容，在此不予贅述。以上對本發明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結構應該理解為用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這並不影響本發明的實質內容。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種三相電壓型整流器，其特徵在於，包括連接供電電網的採樣模塊、所述採樣模塊具有直流側電壓(Uref)採樣模塊，連接電壓環調節器的輸入端，交流側電壓(ea, eb, ec)、電流(la, lb, Ic)採樣模塊,連接坐標變換模塊的輸入端，電壓環調節器的輸出端和所述坐標變換模塊的輸出端分別連接電流環調節器的參考電流輸入端、電流輸入端以及電壓輸入端，所述電流環調節器的輸出端通過Park逆變換器和SVPWM模塊連接IGBT模塊，其中，所述電壓環調節器為第一滑模變結構調節器，所述電流環調節器為加權組合調節器，所述加權組合調節器包括 第二滑模變結構調節器，用於將實現快速跟蹤相應； PID調節器，用於實現無超調、無靜差控制； 可變加權因子模塊，當所述電流環調節器輸入的參考電流和電流的差值大於誤差值時，所述可變加權因子模塊切換至所述第二滑模變結構調節器工作，當所述電流環調節器輸入的參考電流和電流的差值不大於誤差值時，所述可變加權因子模塊切換至所述PID調節器工作。
2.根據權利要求I所述的三相電壓型整流器，其特徵在於，所述採樣模塊為DSP處理器，用於進行ADC米樣。
3.根據權利要求I所述的三相電壓型整流器，其特徵在於，所述加權組合調節器還包括可變加權因子，其取值範圍為O至I。
4.根據權利要求3所述的三相電壓型整流器，其特徵在於，所述可變加權因子為O.Ol或 O. 09。
5.一種權利要求I至4中任意一項所述三相電壓型整流器的控制方法，其特徵在於，包括如下步驟 供電電網提供三相交流電，採樣後將直流側實時電壓值與設電壓值進行比較，電壓環滑模調節器根據控制變量參考值以及實測控制變量建立滑模平面函數，電壓環調節器輸出電流經限幅後送至電流環調節器； 提供坐標變換模塊將三相電壓、三相電流從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系，轉換後的電壓輸出信號作為電流環調節器的輸入信號，電流輸出信號作為電流環調節器中輸入電流的參考電流； 若電流環調節器的輸入電流以及參考電流的差值大小大於誤差值，則進行滑模調節，若電流環調節器的輸入電流以及參考電流的差值大小不大於誤差值，則進行比例-積分-微分調節，輸出電壓經限幅後送至電流環調節器Park逆變換器； 利用空間矢量調製產生六路固定開關頻率、不同佔空比的PWM波，驅動IGBT模塊的開關管的開通與關斷。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述三相電壓、三相電流從三相靜止坐標系轉變為兩相同步旋轉坐標系的步驟中，包括先Clark變換，再進行Park變換。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，還包括提供鎖相環模塊，計算三相電壓的相位角Θ，用於Park變換。
全文摘要
本發明通過提供了一種魯棒性高的三相電壓型整流器，在保證電網電壓高利用率的同時，對系統的超調、穩態誤差都有較好的抑制作用。本發明的優點是1、採用SVPWM(空間矢量調製)方法，可以比普通PWM調製方法的電網利用率調高15.4%；2、電壓環採用滑模變結構算法(VSC)替代傳統的PID控制算法，可以快速應對直流側電壓的變化；3、電流環採用組合控制算法(PID+VSC)替代傳統的PID控制算法，既可以快速響應電流的變化，又可以輸出穩定的控制信號，減小直流側超調和穩態誤差。
文檔編號H02M7/217GK102638186SQ20121015540
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月18日 優先權日2012年5月18日
發明者王雲濤, 蔣正友, 陳廣博 申請人:上海三一精機有限公司