一種整流器和逆變器的統一控制方法與流程

2024-04-01 03:09:05

本發明涉及整流器和逆變器控制技術領域，尤其涉及一種整流器和逆變器的統一控制方法，即一種通用的整流器和逆變器的控制環路設計方法。

背景技術：

傳統三相四線pwm整流器的控制一般採用直流母線電壓外環，電感電流內環的雙閉環控制結構，其中的電感電流內環控制通常在dq0旋轉坐標系下進行。而傳統的三相四線pwm逆變器一般採用電壓有效值環、電壓瞬時值環和電感電流瞬時值環三個基本環路控制，同時由於要應對三相不平衡負載的要求，通常採用基於abc靜止坐標系的單相獨立控制方式。在一個由三相四線pwm整流器和逆變器組成的背靠背系統中，例如在線式ups系統，整流器和逆變器的控制系統通常需要各自單獨設計，工程設計人員必須掌握兩種不同的控制系統設計方法，不但增加了控制軟體開發周期，同時程序代碼的調試也更加複雜。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種整流器和逆變器的統一控制方法，從而實現整流器和逆變器控制程序框架和代碼的共享，縮短軟體開發周期，簡化程序代碼的調試和維護工作。

本發明採用的技術方案是：

該控制方法採用包括瞬時值控制模塊、諧波控制模塊和相位同步模塊的系統實現。將控制指令vref，第一反饋信號vf1，第二反饋信號vf2，第三反饋信號vf3，前饋信號vfd，相位參考信號θ和諧波控制信號xh作為瞬時值控制模塊的輸入信號，通過三個級聯的控制器單元對給定參考信號進行閉環調節，輸出調製信號vc。將被控信號x1和相位參考信號θ作為諧波控制模塊的輸入信號，對被控信號進行諧波的構造和提取，並在dq軸坐標系下進行閉環調節，輸出諧波控制信號xh。將被控信號x2和同步源信號vabc.g作為相位同步模塊3的輸入信號，提取被控信號與同步源的相位差並對其進行閉環調節得到相位參考信號θ。

當上述所有輸入信號為如下組合時：控制指令vref為母線電壓指令第一反饋信號vf1為母線電壓vsum，第二反饋信號vf2為整流器電感電流il，第三反饋信號vf3為0，前饋信號vfd為電網電壓vg，被控信號x1為整流器電感電流il，被控信號x2為整流器電感電流il，系統實現整流器的控制功能。

當所有輸入信號為如下組合時：控制指令vref為逆變輸出電壓有效值指令第一反饋信號vf1為逆變輸出電壓有效值vi.rms，第二反饋信號vf2為逆變輸出電壓vi，第三反饋信號vf3為逆變器電感電流il，前饋信號vfd為逆變輸出電壓vi，被控信號x1為逆變輸出電壓vi，被控信號x2為逆變輸出電壓vi，系統實現逆變器的控制功能。

各個模塊的具體實施步驟可以如下：

瞬時值控制模塊由第一控制器單元、乘法器單元、餘弦值計算單元、第二控制器單元、第一加法器單元、第三控制器單元和第二加法器單元構成。第一控制器單元的兩組輸入分別是控制指令vref和第一反饋信號vf1。餘弦值計算單元的輸入相角信號來自同步控制模塊的輸出信號θ。第一控制器單元的輸出與餘弦值計算單元的輸出經第一乘法器單元相乘，得到的結果輸入到第二控制器單元，第二控制器的另一個輸入來自第二反饋信號vf2。第二控制器的輸出與諧波控制模塊的輸出xh經第一加法器單元相加作為第三控制器單元的輸入，第三控制器單元的另一個輸入為第三反饋信號vf3。第三控制器單元的輸出與前饋量vfd經第二加法器單元相加，得到瞬時值控制模塊的輸出vc。當輸入信號來自如表1中的組合一時，瞬時值控制模塊完成整流器直流母線電壓的控制功能；當輸入信號來自如表1中的組合二時，瞬時值控制模塊完成逆變器輸出電壓的控制功能。

諧波控制模塊包括n次諧波提取和構造單元、坐標變換單元、n次諧波d軸控制器單元、n次諧波q軸控制器單元和坐標反變換單元。n次諧波提取和構造單元的輸入為被控信號x1，該單元通過延時算法從x1中提取出n次諧波的虛擬三相對稱分量，經過坐標變換單元後得到n次諧波分量的d軸分量和q軸分量，d軸分量和q軸分量分別輸入到n次諧波d軸控制器單元和n次諧波q軸控制器單元，兩個控制器的輸出作為坐標反變換單元的輸入，通過坐標反變換單元之後得到諧波控制模塊的輸出xh。當輸入信號來自如表1中的組合一時，諧波控制模塊完成整流器輸入電流的n次諧波抑制；當輸入信號來自如表1中的組合二時，諧波控制模塊2完成逆變器輸出電壓的n次諧波控制。

相位同步模塊包括鎖相環單元、三相系統構造單元、鑑相器單元、相角控制器單元、第三加法器單元和模值計算單元。鎖相環單元的輸入為同步源信號vabc.g，其輸出為同步源信號的相位信息θg，三相系統構造單元的輸入為被控信號x2，該單元通過延時算法得到x2的虛擬三相對稱信號xa，xb，xc。這組三相對稱信號與同步源信號的相位信息θg作為鑑相器單元的輸入，經過鑑相器後得到兩者的相位差信號xq。相位差信號xq經過相角控制器單元後得到相角補償量θcomp，該補償量再通過第三加法器單元與同步源信號的相位信號θg相加，最後通過模值計算單元得到相位同步模塊的輸出相位參考信號θ。當輸入信號來自如表1中的組合一時，相位同步模塊完成整流器輸入電流單位功率因數的控制功能；當輸入信號來自如表1中的組合二時，相位同步模塊完成逆變器輸出電壓與同步源電壓的同步功能。

本發明的有益效果如下：

本發明提供的一種整流器和逆變器的統一控制方法，可以應用於單相和三相獨立控制的整流器和逆變器。通過輸入信號的選擇以及三個控制模塊的功能，實現了整流器和逆變器控制程序框架和代碼的共享，縮短了軟體開發周期，簡化程序代碼的調試和維護工作。

附圖說明

圖1為本發明的整流器和逆變器的統一控制示意框圖。

圖2為本發明的整流器和逆變器統一控制方法的詳細控制環路示意圖。

圖中的各個單元說明：瞬時值控制模塊1、諧波控制模塊2、相位同步模塊3、母線電容4、功率器件橋臂5、lc濾波器6、負載/電網7、第一控制器單元8、第二控制器單元9、第三控制器單元10、餘弦值計算單元11、第一乘法器單元12、第一加法器單元13、第二加法器單元14、n次諧波提取和構造單元15、坐標變換單元16、n次諧波d軸控制器單元17、坐標反變換單元18、n次諧波q軸控制器單元19、第二乘法器單元20、鎖相環單元21、三相系統構造單元22、鑑相器單元23、相角控制器單元24、第三加法器單元25、模值計算單元26、有效值計算單元27、spwm調製單元28、切換開關29。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

如圖2所示，控制部分主要由三個模塊組成，包括瞬時值控制模塊1、諧波控制模塊2、相位同步模塊3。主電路包括直流母線電容4、功率器件橋臂5、lc濾波器6、負載/電網7，四部分依次串聯組成，切換開關29切到「1」時，主電路表示整流器模式，切換開關29切到「2」時，主電路表示逆變器模式。

瞬時值控制模塊1包括第一控制器單元8、第一乘法器單元12、餘弦值計算單元11、第二控制器單元9、第一加法器單元13、第三控制器單元10和第二加法器單元14。第一控制器單元8的兩組輸入分別是控制指令vref和第一反饋信號vf1。餘弦值計算單元11的輸入相角信息來自相位同步控制模塊3的輸出信號θ。第一控制器單元8的輸出與餘弦值計算單元11的輸出相乘，得到的結果輸入到第二控制器單元9，第二控制器的另一個輸入來自第二反饋信號vf2。第二控制器單元9的輸出與諧波控制模塊2的輸出xh相加作為第三控制器單元10的輸入，第三控制器單元10的另一個輸入為第三反饋信號vf3。第三控制器單元10的輸出與前饋量vfd相加，得到瞬時值控制模塊1的輸出vc。調製信號vc作為spwm調製模塊的輸入，經過spwm調製模塊後作為功率器件的驅動信號。當輸入信號來自表1中的組合一時，瞬時值控制模塊1完成整流器直流母線電壓的控制功能；當輸入信號來自表1中的組合二時，瞬時值控制模塊完成逆變器輸出電壓的控制功能。

諧波控制模塊2包括n次諧波提取和構造單元15、坐標變換單元16、n次諧波d軸控制器單元17、n次諧波q軸控制器單元19和坐標反變換單元18。n次諧波提取和構造單元15的輸入為被控信號x1，該單元通過延時算法從x1中提取出n次諧波的虛擬三相對稱分量，經過坐標變換單元16後得到n次諧波分量的d軸分量和q軸分量，d軸分量和q軸分量分別輸入到n次諧波d軸控制器單元17和n次諧波q軸控制器單元19，兩個控制器的輸出作為坐標反變換單元18的輸入，最後通過坐標反變換得到諧波控制模塊2的輸出xh。其中坐標變換單元16與坐標反變換單元18的參考相位信息均來自相位同步模塊3的輸出相位信號θ與對應諧波次數n的乘積。當輸入信號來自表1中的組合一時，諧波控制模塊2完成整流器輸入電流的n次諧波抑制功能；當輸入信號來自表1中的組合二時，諧波控制模塊2完成逆變器輸出電壓的n次諧波抑制功能。

相位同步模塊包括鎖相環單元21、三相系統構造單元22、鑑相器單元23、相角控制器單元24、第三加法器單元25和模值計算單元26。鎖相環單元21的輸入為同步源信號vabc.g，其輸出為同步源信號的相位信息θg，三相系統構造單元22的輸入為被控信號x2，該單元通過延時算法得到x2的虛擬三相對稱信號xa，xb，xc。這組三相對稱信號與同步源信號的相位信息θg作為鑑相器單元23的輸入，經過鑑相器單元23後得到兩者的相位差信號xq。相位差信號xq經過相角控制器單元24後得到相角補償量θcomp，該補償量再通過第三加法器單元25與同步源信號的相位信號θg相加，最後通過模值計算單元26得到相位同步模塊3的輸出相位參考信號θ。當輸入信號來自表1中的組合一時，同步控制模塊完成整流器輸入電流單位功率因數的控制；當輸入信號來自表1中的組合二時，完成逆變器輸出電壓與同步源電壓的同步功能。

當切換開關29為「1」時，各模塊的輸入信號控制指令vref、反饋信號vf1、反饋信號vf2、反饋信號vf3、前饋信號vfd、被控信號x1、被控信號x2來自組合一的信號，當切換開關29為「2」時，各模塊的輸入信號來自組合二的信號，這些信號分配如表1所示。表1中的母線電壓vsum來自母線電容4的電壓採樣，輸出電壓有效值vi.rms來自有效值計算單元27的輸出，電感電流il為lc濾波器6中電感l的電流採樣信號，電網電壓vg和輸出電壓vi來自負載/電網7處的電壓採樣信號。

表1輸入信號不同組合的信號分配