一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置的製作方法

2023-11-09 20:07:32 1

專利名稱：一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種整流控制裝置，尤其涉及一種電壓定向能量雙向流動的整 流控制裝置。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，功率半導體開關器件性能不斷提高，促進了電 力電子變流裝置技術的迅速發展，出現了以脈寬調製(P麗)控制為基礎的各類變 流裝置，如變頻器、逆變電源、高頻開關電源以及各類特種變流器等，這些變 流裝置在國民經濟各領域中被廣泛應用。目前這些變流裝置很大一部分需要整 流環節以獲得直流電壓，由於常規整流環節廣泛採用二極體不可控整流電路或 晶閘管相控整流電路，對電網注入了大量諧波和無用功，給電網帶來嚴重的"汙 染"。治理這種電網"汙染"最根本的措施就是使變流裝置實現網側電流正弦化 且運行於單位功率因數。這樣作為電網主要"汙染"源的整流器，首先受到了 關注，並開展了大量的研究工作。其主要思路就是將P麗技術引入整流器的控 制之中，使整流器網側電流正弦化且可運行於單位功率因數，在此實現過程中， 主要核心控制系統必不可少。每次電機制動時，電機實際上是工作在發電狀態， 導致母線直流電壓上升，通常的做法是在直流母線上跨接釋放電阻，使多餘的 能量通過熱量釋放出去，這樣勢必會造成能源的浪費。
目前對整流器的控制，主流方式是採用DSP和MCU技術加軟體的方式實現， 這種方法的優點是比較靈活，可以實現複雜的算法，但一款新的控制器的開發 周期比較長，而且功能越多佔用CPU的資源也越多，使得系統整體性能下降； 另外，軟體方式的通用性也存在問題，因為不同廠家的產品其指令系統也不同， 這就使得用戶開發出的軟體代碼一般不能重用。因而急需一種基於電壓定向能 量雙向流動控制的裝置，來實現具有電壓定向、單位功率因數控制、能量雙向 流動的控制。 發明內容本發明針對以上問題的提出，而研製一種電壓定向能量雙向流動的整流控
制裝置。具體採用的技術手段如下
一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置，其特徵在於包括 相位檢測模塊，用於檢測電網電壓的頻率及相位，並向電流坐標變換模塊
和電壓坐標變換模塊提供坐標變換所需的相位角度；
電壓檢測模塊，用於接收來自電壓傳感器的直流母線電壓值； 電流檢測模塊，用於接收來自電流傳感器檢測到的網側三相電流值；
電流坐標變換模塊，用於對電流檢測模塊傳回的網側三相電流值進行坐標
變換，從三相靜止坐標系ABC轉換到兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電流；
電壓環數字PI調節器，用於對電壓環比較器比較後的差值進行PI調節，
得到兩相旋轉坐標系d-q下的d軸電流給定值；
電流環比較器，用於將電流坐標變換模塊變換後得到的兩相旋轉坐標系d-q
下兩相電流信號同電壓環數字PI調節器轉換後的兩相旋轉坐標系d-q下的d軸
有功電流給定，q軸無功電流給0信號，進行差值運算；
電壓環比較器，用於將電壓檢測模塊接收到的電壓值同直流母線電壓給定
值進行差值運算；
電流環數字PI調節器，用於將電流環比較器比較後得到的差值進行PI調 節，得到兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓；
計算調節模塊，用於對電流環數字PI調節器轉換後的兩相旋轉坐標系d-q 下的兩相電壓進行比例調節以得到所需比例下的兩相旋轉坐標系d-q下的兩相 電壓；
電壓坐標變換模塊，用於將計算調節模塊傳送過來的兩相旋轉坐標系d-q 下的兩相電壓經坐標旋轉變換後得到兩相靜止坐標系a ^下的兩相電壓值給定 SVP麗控制指令；
SVPWM模塊，用於根據電壓坐標變換模塊傳送過來的用坐標旋轉變換的方法 得到兩相靜止坐標系a /3下的兩相電壓指令，發出P麗控制信號；
所述相位檢測模塊分別同電流坐標變換模塊和電壓坐標變換模塊相連接， 用以提供坐標旋轉所需要的相角度，所述電壓檢測模塊同電壓環比較器相連接 將其檢測到的電壓信號同給定電壓信號進行比對，並將比對後的結果經與電壓環比較器相連接的電流環數字PI調節器調節後發送到電流環比較器上；所述電 流檢測模塊同電流坐標變換模塊相連接，所述電流坐標變換模塊變換後的兩相
旋轉坐標系d-q下的兩相電流信號和電壓環數字PI調節器轉換後的兩相旋轉坐 標系d-q下的d軸有功電流給定值指令經同其相連接的電流環比較器進行比較 (兩相旋轉坐標系d-q下的q軸無功電流給定值為O)後，將信號傳輸給同其連 接的電流環數字PI調節器進行信號進行PI調節，得到兩相旋轉坐標系d-q下的 兩相電壓調節，後傳輸給同電流環數字PI調節器相連接的計算調節模塊進行信 號比例調節的再次轉換，並將該轉換後的信號經同計算調節模塊相連接的電壓 坐標變換模塊進行兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓到兩相靜止坐標系ct iS下 的兩相電壓值給定轉換，最後將該轉換後的兩相靜止坐標系a iS下的兩相電壓 值給定信號傳輸給同其相連接的SVP麗模塊。
還包括通信接口模塊，用於使外部控制器對裝置的電壓給定信號和PI參 數進行給定和調節，或同總線進行連接將裝置內部的數據實時傳送到上位機上； 該通信接口模塊通過內部總線同各模塊進行連接。
所述的各模塊都集成在現場可編程門陣列FPGA中。
使用該裝置進行控制後，使得開關器件的開通和關斷均是可控的，所以P麗 整流器的電流波形也是可控的，其狀態是交流輸入電壓和電流可保持同相位或 反相位，即整流時為同相位，逆變時為反相位。此時網側功率因數近似為l，輸 入電流的諧波含量接近零，消除對電網的諧波汙染。由於P麗整流器採樣直流 輸出電壓，因此還能對直流電壓進行調整，在負載變化時，具有較快的響應速 度，使直流輸出電壓穩定在一定的設定值。因此說採用P麗整流器取代傳統交 -直-交變頻器中不可控整流部分，不僅克服了傳統電源的缺點，還具有網側電 流為正弦波、網側功率因數近似為1、較快的動態響應、易於模塊化、電能雙向 傳輸等諸多優點。
基於現場可編程門陣列(FPGA)及EDA方法學的硬體實現技術。根據自己 的需要來自主地定製功能結構，並在實驗室裡設計出符合自己需要的專用晶片， 而且不需要半導體廠商的參與。由於它以純硬體的方式實現並行處理，而且不 佔用CPU的資源，所以其速度可以達到晶片本身所具有的最高等級，而與算法 的複雜程度基本無關。採用該種方法，克服採用DSP和MCU技術軟體方式實現
6的缺點，儘量較少的佔用CPU的時間，使得系統整體性能上升；而且避免廠家 CPU的升級導致指令系統變化、軟體代碼無法重用。另外，由於其結構簡單，便 於生產，成本低廉適於在應用整流器領域廣泛推廣。


圖1為本發明的整流控制裝置的結構框圖； 圖2為本發明的整流控制過程的流程圖； 圖3為本發明實施例整個系統的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明是通過電壓矢量定向方法，把對網側電流的控制轉化為對該電流矢 量在d軸和q軸的直流分量的控制，使輸入電流波形正弦化、輸入電流相位與 電壓相位同相或反相化，單位功率因數，實現能量的雙向流動。
如圖1所示該電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置的核心控制功能主要 分為兩個環節電壓外環和電流內環。電壓外環用以穩定整流器直流側電壓，
根據直流電壓的大小決定能量流動的大小和方向。主要由A/D檢測模塊(電壓
檢測模塊)接收來自電壓傳感器的直流母線電壓值，與給定的母線電壓指令進
行比較，通過電壓環數字PI調節器後生成兩相旋轉坐標系d-q下的d軸有功電 流給定值送到電流內環。電流內環用以使實際電流能夠跟蹤來自電壓外環的 電流指令，實現單位功率因數控制。主要由A/D檢測模塊(電流檢測模塊)接 收來自電流傳感器檢測到的網側三相電流值，通過電流坐標變換模塊計算後與 來自電壓外環的指令進行比較，通過電流環數字PI調節器、計算模塊和電壓坐 標變換模塊，計算出SVP麗模塊需要的指令，SVP麗模塊根據指令發出P麗控制 信號，該P麗信號經過光電耦合器後發送到整流器的控制，完成了能量的雙向 流動控制。另外還設有通信接口模塊可以保證專用晶片與其他控制器進行數據 交換；相位檢測模塊用於檢測電網電壓的頻率及相位，並且可以判斷電壓相序 以及是否缺相；A/D檢測模塊，用於接收電流傳感器(檢測電網電流)和電壓傳 感器(檢測直流母線電壓)的信號；電壓空間矢量脈寬調製SVP麗模塊，採用 純硬體產生P麗控制脈衝，此方法控制簡單，電流波形畸變小，數位化實現方 便，能明顯減少交流側電流的諧波成分，提高電壓利用率(比SP麗高15%); 坐標變換模塊，負責旋轉坐標系與靜止坐標系之間的變換，便於算法的數字實現；數字PI調節器模塊，調試得到系統合適的PI參數後，加快系統的響應速 度，使系統快速跟隨外界條件的變化。
另外，本發明採用EDA方法學硬體實現技術將基於FPGA的電壓定向能量雙 向流動控制裝置設計成專用晶片。因為現場可編程門陣列(FPGA)內部包括可 配置邏輯模塊CLB (Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊I0B (Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。用戶可對FPGA內部的 邏輯模塊和I/0模塊重新配置，以實現用戶的邏輯。它還具有靜態可重複編程 和動態系統重構的特性，使得硬體的功能可以像軟體一樣通過編程來修改。作 為專用晶片(ASIC)領域中的一種半定製電路，定製的專用晶片能完成任何數 字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡單的74電路，都可以用實現。打破傳統 CPU依靠系統時鐘串行執行方式，實現高速並行處理，滿足實時性高的算法處理 和控制。還包括通信接口模塊(包括傳輸速率為100Mbps的GLINK現場總線接 口和傳輸速率可配置的串行接口 )。
如圖2整流控制過程的流程和圖3所示該裝置的具體工作過程如下相位 檢測電路，用於對電網的電壓波形進行整形濾波處理。首先利用分壓電路將電 網電壓進行降壓處理，然後把降壓得到正弦波進行整形濾波處理，得到純淨的 方波信號，送給專用晶片的相位檢測模塊。相位檢測模塊，分析相位檢測電路 送來的方波信號，得到電網電壓的頻率及相位角度信息，判斷是否缺相，並向 電流坐標變換模塊和電壓坐標變換模塊實時提供坐標變換做需的相位角度；所 述相位檢測模塊分別同電流環中的電流坐標變換模塊和電壓坐標變換模塊相連 接，用以實時提供同步坐標旋轉變換所需要的相位角度，為達到母線直流電壓 受控的控制目的，所述電壓檢測模塊同電壓環比較器相連接將其檢測到的電壓 信號同直流母線電壓給定信號進行比對，並將比對後的結果經與電壓環比較器 相連接的電流環數字PI調節器調節後發送到電流環比較器上；所述電流檢測模 塊同電流坐標變換模塊相連接，所述電流坐標變換模塊把電流檢測模塊接收到 的三相靜止坐標系下的電流值經坐標旋轉變換到兩相旋轉坐標系d-q下的兩相 電流信號(d軸有功電流分量和q軸無功電流分量)，然後和電壓環數字PI調節 器轉換後的兩相旋轉坐標系d-q下的d軸有功電流給定值指令經同其相連接的電 流環比較器進行比較(兩相旋轉坐標系d-q下的q軸無功電流給定值為0)後，將信號傳輸給同其連接的電流環數字PI調節器進行進行PI調節，得到兩相旋 轉坐標系d-q下的兩相電壓，後傳輸給同電流環數字PI調節器相連接的計算調 節模塊進行信號的比例變換調節的再次轉換，並將該轉換後的信號經同計算調 節模塊相連接的電壓坐標變換模塊進行兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓到兩 相靜止坐標系a /3下的兩相電壓值轉換，最後將該轉換後得到的兩相靜止坐標 系a ]3下的兩相電壓值給定信號傳輸給同其相連接的SVP麗模塊；SVP麗模塊， 報據電壓坐標變換模塊傳送過來的兩相靜止坐標系a ^下的兩相電壓指令，使 用電壓空間矢量脈寬調製技術，發出P麗控制信號給功率開關管。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局 限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本 發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護 範圍之內。
權利要求
1、一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置，其特徵在於包括相位檢測模塊，用於檢測電網電壓的頻率及相位，並向電流坐標變換模塊和電壓坐標變換模塊提供坐標變換所需的相位角度；電壓檢測模塊，用於接收來自電壓傳感器的直流母線電壓值；電流檢測模塊，用於接收來自電流傳感器檢測到的網側三相電流值；電流坐標變換模塊，用於對電流檢測模塊傳回的網側三相電流值進行坐標變換，從三相靜止坐標系ABC轉換到兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電流；電壓環數字PI調節器，用於對電壓環比較器比較後的差值進行PI調節，得到兩相旋轉坐標系d-q下的d軸電流給定值；電流環比較器，用於將電流坐標變換模塊變換後得到的兩相旋轉坐標系d-q下兩相電流信號同電壓環數字PI調節器轉換後的兩相旋轉坐標系d-q下的d軸有功電流給定，q軸無功電流給0信號，進行差值運算；電壓環比較器，用於將電壓檢測模塊接收到的電壓值同直流母線電壓給定值進行差值運算；電流環數字PI調節器，用於將電流環比較器比較後得到的差值進行PI調節，得到兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓；計算調節模塊，用於對電流環數字PI調節器轉換後的兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓進行比例調節以得到所需比例下的兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓；電壓坐標變換模塊，用於將計算調節模塊傳送過來的兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓經坐標旋轉變換後得到兩相靜止坐標系αβ下的兩相電壓值給定SVPWM控制指令；SVPWM模塊，用於根據電壓坐標變換模塊傳送過來的用坐標旋轉變換的方法得到兩相靜止坐標系αβ下的兩相電壓指令，發出PWM控制信號；所述相位檢測模塊分別同電流坐標變換模塊和電壓坐標變換模塊相連接，用以提供坐標旋轉所需要的相角度，所述電壓檢測模塊同電壓環比較器相連接將其檢測到的電壓信號同給定電壓信號進行比對，並將比對後的結果經與電壓環比較器相連接的電流環數字PI調節器調節後發送到電流環比較器上；所述電流檢測模塊同電流坐標變換模塊相連接，所述電流坐標變換模塊變換後的兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電流信號和電壓環數字PI調節器轉換後的兩相旋轉坐標系d-q下的d軸有功電流給定值指令經同其相連接的電流環比較器進行比較(兩相旋轉坐標系d-q下的q軸無功電流給定值為0)後，將信號傳輸給同其連接的電流環數字PI調節器進行信號進行PI調節，得到兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓調節，後傳輸給同電流環數字PI調節器相連接的計算調節模塊進行信號比例調節的再次轉換，並將該轉換後的信號經同計算調節模塊相連接的電壓坐標變換模塊進行兩相旋轉坐標系d-q下的兩相電壓到兩相靜止坐標系αβ下的兩相電壓值給定轉換，最後將該轉換後的兩相靜止坐標系αβ下的兩相電壓值給定信號傳輸給同其相連接的SVPWM模塊。
2、 根據權利要求l所述的一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置，其特徵在於還包括通信接口模塊，用於使外部控制器對裝置的電壓給定信號和PI參數進行給定和調節，或同總線進行連接將裝置內部的數據實時傳送到上位機上；該通信接口模塊通過內部總線同各模塊進行連接。
3、 根據權利要求1或2所述的一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置，其特徵在於，所述的各模塊都集成在現場可編程門陣列FPGA中。
全文摘要
本發明公開了一種電壓定向能量雙向流動的整流控制裝置，其特徵在於包括相位檢測模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、電流坐標變換模塊、電壓環數字PI調節器、電流環比較器、電壓環比較器、電流環數字PI調節器、計算調節模塊、電壓坐標變換模塊和SVPWM模塊；通過電壓矢量定向方法，把對網側電流的控制轉化為對該電流矢量在d軸和q軸的直流分量的控制，使輸入電流波形正弦化、輸入電流相位與電壓相位同相或反相化，單位功率因數，實現能量的雙向流動。該整流裝置取代傳統交-直-交變頻器中不可控整流部分，不僅克服了傳統電源的缺點，還具有網側電流為正弦波、網側功率因數近似為1、較快的動態響應、易於模塊化、電能雙向傳輸等諸多優點。
文檔編號H02M7/04GK101667787SQ20091018781
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者丁雲飛, 吉 馮, 馮兆冰, 張贊秋, 李文慶, 楊立波, 王慶朋, 蒙 金 申請人:大連光洋科技工程有限公司