一种三相整流器控制方法、装置及三相整流器系统与流程

1.本发明涉及电力电源技术领域，尤其涉及一种三相整流器控制方法、装置及三相整流器系统。


背景技术：

2.vienna整流器因其结构简单、无直通危险、谐波含量少等优点具有，在输出功率要求大、功率因数高要求的场合广泛引用。针对vienna整流器的控制策略的研究也很多，需要满足交流侧电流跟踪电网波动,直流侧电压稳定,实现单位功率因数矫正以及中点电位平衡等条件。常见的控制模式有固定开关频率pwm电流控制和滞环pwm控制，算法较为成熟，但存在直流电压利用率低或开关频繁动作等问题。
3.现有固定开关频率pwm电流控制具有算法简便、物理意义清晰，且实现较为方便。另外由于开关频率固定，因而其网侧电感设计较容易，且有利于限制功率开关管损耗。现有技术中的整流器控制算法采用基于d-q两相旋转坐标系双闭环控制方法,选取d轴为有功功率轴,q轴为无功功率轴,实现对有功和无功分量的独立控制。电压外环调节整流器直流侧输出电压,得到内环d轴参考电流i
dref
,电流内环根据i
dref
值进行正弦波电流控制。双闭环控制策略得到的电压d-q信号,经过两相d-q坐标至三相abc坐标系变换并进行pwm调制,得到开关管的脉冲信号。而采用现有技术的控制方法，在整流电路运行系统中，直流电压利用率不到0.9，并且开关动作频繁。


技术实现要素：

4.基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种三相整流器控制方法及装置，以提高三相整流器系统的功率因数，使系统运行于单位功率因数。
5.为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种三相整流器控制方法，包括步骤：
6.采样整流器的三相交流输入电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic；
7.对三相交流输入电压和三相电感电流进行坐标变换以获得d、q轴电压ud、uq和电流分量id、iq；
8.将直流输出电压u
dcs
与直流电压参考值u
dref
比较的差值经过电压环pi控制器，得到d轴电流参考值i
dref
；
9.将所述d轴电流参考值i
dref
与电流的d轴分量id比较的差值经过有功电流pi控制器，得到i
dout
；
10.将q轴电流参考值i
qref
与电流的q轴分量iq比较的差值经过无功电流pi控制器，得到i
qout
；
11.分别采用ud和uq对d、q轴电流值进行前馈解耦补偿，得到i
ddec
和i
qdec
；
12.将i
ddec
和i
qdec
进行反坐标变换以获得abc坐标系下的电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
；
13.对所得到电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
采用输出电容中点平衡方式进行补偿后，生成整流器的三相调制波。
14.进一步的，所述对三相交流输入电压和三相电感电流进行坐标变换，包括：
15.将三相交流输入电压经过锁相环，得到用于坐标变换的相位角ωt；
16.利用相位角ωt进行abc-dq坐标变换，以获得d、q轴电压ud、uq和电流分量id、iq。
17.进一步的，所述abc-dq坐标变换采用如下变换公式：
18.xd＝(cos(ωt)*xa cos(ωt-2π/3)*xb cos(ωt 2π/3)*xc)*2/3
19.xq＝(-sin(ωt)*x
a-sin(ωt-2π/3)*x
b-sin(ωt 2π/3)*xc)*2/3
20.其中，x为u或i。
21.进一步的，所述q轴电流参考值i
qref
为0。
22.进一步的，所述采用ud和uq对d、q轴电流值进行前馈解耦补偿，包括采用如下公式进行补偿：
23.i
ddec
＝u
d-i
dout
iq*ωl
24.i
qdec
＝u
q-i
qout
id*ωl
25.其中，ω为三相交流角频率，l为三相整流器的电感值。
26.进一步的，所述将i
ddec
和i
qdec
进行反坐标变换以获得abc坐标系下的电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
，采用如下公式：
27.i
amod
＝cos(ωt)*i
ddec-sin(ωt)*i
qdec
28.i
bmod
＝cos(ωt-2π/3)*i
ddec-(sin(ωt-2π/3)*i
qdec
29.i
cmod
＝cos(ωt 2π/3)*i
ddec-(sin(ωt 2π/3)*i
qdec
。
30.进一步的，所述对所得到电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
采用输出电容中点平衡方式进行补偿，包括采用如下公式进行补偿：
31.i
xdec-new
＝abs{i
xdec
(min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)-max(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
))*u
cap-min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)}，(x＝a,b,c)
32.其中，abs{}为绝对值函数，min()为最小值函数，max()为最大值函数，u
cap
为三相整流器直流输出两个电容的输出电压差。
33.根据本发明的第二个方面，提供了一种三相整流器控制装置，包括采样模块、坐标变换模块、d轴电流参考值生成模块、dq轴电流调节解耦模块、反坐标变换模块、以及调制波补偿模块；
34.所述采样模块，采样整流器的三相交流输入电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic；
35.所述坐标变换模块，对三相交流输入电压和三相电感电流进行坐标变换以获得d、q轴电压ud、uq和电流分量id、iq；
36.所述d轴电流参考值生成模块，将直流输出电压u
dcs
与直流电压参考值u
dref
比较的差值经过电压环pi控制器，得到d轴电流参考值i
dref
；
37.所述dq轴电流调节解耦模块，将所述d轴电流参考值i
dref
与电流的d轴分量id比较的差值经过有功电流pi控制器，得到i
dout
；将q轴电流参考值i
qref
与电流的q轴分量iq比较的差值经过无功电流pi控制器，得到i
qout
；分别采用ud和uq对d、q轴电流值进行前馈解耦补偿，得到i
ddec
和i
qdec
；
38.所述反坐标变换模块，将i
ddec
和i
qdec
进行反坐标变换以获得abc坐标系下的电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
；
39.所述调制波补偿模块，对所得到电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
采用输出电容中点平衡方式进行补偿后，生成整流器的三相调制波。
40.进一步的，所述调制波补偿模块采用如下公式进行补偿：
41.i
xdec-new
＝abs{i
xdec
(min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)-max(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
))*u
cap-min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)}，(x＝a,b,c)
42.其中，abs{}为绝对值函数，min()为最小值函数，max()为最大值函数，u
cap
为三相整流器直流输出两个电容的输出电压差。
43.根据本发明的第三个方面，提供了一种三相整流器系统，包括三相整流器和三相整流器控制装置；其中，
44.所述三相整流器包括输入三相电感、三相整流桥和两个直流输出电容；
45.所述输入三相电感一端连接交流电压的三相，另一端连接三相整流桥；
46.所述三相整流桥的输出连接两个直流输出电容，以输出整流器的三相输出电压；
47.所述三相整流器控制装置包括如本发明第二个方面所述的三相整流器控制装置，以对三相整流桥的通断进行控制。
48.综上所述，本发明提供了一种三相整流器控制方法、装置及三相整流器系统，在三相整流器的控制过程中，利用三相中瞬时值最大或最小的一相作为标准，采用输出电容中点平衡方式进行补偿后对三相调制波注入，提高了三相整流器的功率因数值，使三相整流系统在单位功率因数下运行，从而提高了直流电压利用率，降低三相整流器中开关的频繁动作。
附图说明
49.图1是三相vienna整流器系统的电路结构示意图；
50.图2是本发明三相整流器控制方法的流程图；
51.图3是本发明三相整流器控制装置的构成框图。
具体实施方式
52.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
53.下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种三相整流器控制方法，该控制方法针对三相vienna整流器，三相vienna整流器系统的电路结构示意图如图1所示，其中包括输入三相电感l、三相整流桥和两个直流输出电容u
c1
和u
c2
，输入三相电感l一端连接交流电压的三相，另一端连接三相整流桥；三相整流桥的输出连接输出电容u
c1
和u
c2
，以输出整流器的三相输出电压。该控制方法的流程图如图2所示，包括步骤：
54.采样整流器的三相交流输入电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic，采样周期例如
可以控制为10us。
55.对三相交流输入电压和三相电感电流进行坐标变换以获得d、q轴电压ud、uq和电流分量id、iq。该步骤中的坐标变换包括abc-dq坐标变换，可以采用如下方式进行变换：
56.将三相交流输入电压经过锁相环，可以采用软件锁相spll，得到用于坐标变换的相位角ωt；
57.利用相位角ωt进行abc-dq坐标变换，以获得d、q轴电压ud、uq和电流分量id、iq，坐标变换的公式为：
58.xd＝(cos(ωt)*xa cos(ωt-2π/3)*xb cos(ωt 2π/3)*xc)*2/3
59.xq＝(-sin(ωt)*x
a-sin(ωt-2π/3)*x
b-sin(ωt 2π/3)*xc)*2/3
60.其中，x为u或i。
61.在pwm中断服务程序中进行以下电压环和电流环计算，采用电压外环和电流内环双环路控制，电压外环控制系统输出电压稳定，电压外环输出作为电流内环给定；电流内环控制输入电流具有很好的波形正弦度，确保系统在单位功率因数下运行。该中断周期例如可以为10us。
62.将直流输出电压u
dcs
与直流电压参考值u
dref
比较的差值经过电压环pi控制器，得到d轴电流参考值i
dref
，将d轴电流参考值i
dref
作为电流环的输入，电压环可以采用增量式pi控制器。
63.两路电流环均可以采用增量式pi控制器。id有功电流回路输入为i
dref
和id，iq无功电流回路输入为i
qref
和iq，将i
qref
设置为0，输出为i
dout
和i
qout
。将所述d轴电流参考值i
dref
与电流的d轴分量id比较的差值经过有功电流pi控制器，得到i
dout
；将q轴电流参考值i
qref
与电流的q轴分量iq比较的差值经过无功电流pi控制器，得到i
qout
。电压外环和电流内环均采用增量式pi控制算法，该算法简单且可靠性高，在两相dq旋转坐标系下，对直流量的控制可以做到无静态误差控制。通过pi算法控制q轴无功分量恒为0，使电网电压合成矢量定向于d轴分量，实现对三相输入电压的快速锁相；pi调节器的输出与实际电网额定频率相叠加即为spll锁相环的输出频率。
64.进行电流前馈解耦补偿，以实现电流有功分量与电流无功分量的分离：分别采用ud和uq对d、q轴电流值进行前馈解耦补偿，得到i
ddec
和i
qdec
，包括采用如下公式进行补偿：
65.i
ddec
＝u
d-i
dout
iq*ωl
66.i
qdec
＝u
q-i
qout
id*ωl
67.其中，ω为三相交流角频率，l为三相整流器的电感值。
68.把所得到的dq坐标系下的i
ddec
和i
qdec
转换至abc坐标系，输出电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
，将i
ddec
和i
qdec
进行反坐标变换以获得abc坐标系下的电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
。
69.对所得到电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
采用输出电容中点平衡方式进行补偿后，生成整流器的三相调制波，采用如下公式进行补偿：
70.i
xdec-new
＝abs{i
xdec
(min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)-max(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
))*u
cap-min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)}，(x＝a,b,c)
71.其中，abs{}为绝对值函数，min()为最小值函数，max()为最大值函数，u
cap
为三相整流器直流输出两个电容的输出电压差。
72.补偿完成之后，用i
xdec-new
(x＝a,b,c)设置pwm的计数比较模块的cmp比较寄存器，输出脉宽可变的pwm波控制三相整流桥臂开通与关断时间，以调节pwm波形脉宽输出。本实施例所提供的控制方法，基于输出电容中点平衡策略，将两个直流输出电容的差值作为零序注入中的零序因数注入到三相调制波，0即达到提高功率因数，进而提高直流电压利用率，同时确保输出电容中点平衡，稳定直流母线电压。
73.根据本发明的第二个实施例，提供了一种三相整流器控制装置，该控制装置的构成框图如图3所示，包括采样模块、坐标变换模块、d轴电流参考值生成模块、dq轴电流调节解耦模块、反坐标变换模块、以及调制波补偿模块。
74.采样模块，采样整流器的三相交流输入电压ua、ub、uc和三相电感电流ia、ib、ic。
75.坐标变换模块，对三相交流输入电压和三相电感电流进行坐标变换以获得d、q轴电压ud、uq和电流分量id、iq；
76.d轴电流参考值生成模块，将直流输出电压u
dcs
与直流电压参考值u
dref
比较的差值经过电压环pi控制器，得到d轴电流参考值i
dref
；
77.dq轴电流调节解耦模块，将所述d轴电流参考值i
dref
与电流的d轴分量id比较的差值经过有功电流pi控制器，得到i
dout
；将q轴电流参考值i
qref
与电流的q轴分量iq比较的差值经过无功电流pi控制器，得到i
qout
；分别采用ud和uq对d、q轴电流值进行前馈解耦补偿，得到i
ddec
和i
qdec
；
78.反坐标变换模块，将i
ddec
和i
qdec
进行反坐标变换以获得abc坐标系下的电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
；
79.调制波补偿模块，对所得到电流调制分量i
amod
、i
bmod
、i
cmod
采用输出电容中点平衡方式进行补偿后，生成整流器的三相调制波，可以采用如下公式进行补偿：
80.i
xdec-new
＝abs{i
xdec
(min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)-max(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
))*u
cap-min(i
amod
，i
bmod
，i
cmod
)}，(x＝a,b,c)
81.其中，abs{}为绝对值函数，min()为最小值函数，max()为最大值函数，u
cap
为三相整流器直流输出两个电容的输出电压差。
82.该三相整流器控制装置中各个模块的具体功能和实现方式与本发明第一个实施例所提供的控制方法均相同，在此不再赘述。
83.根据本发明的第三个实施例，提供了一种三相整流器系统，包括三相整流器和三相整流器控制装置。该三相整流器采用vienna整流器拓扑结构，包括输入三相电感、三相整流桥和两个直流输出电容；输入三相电感一端连接交流电压的三相，另一端连接三相整流桥；三相整流桥的输出连接两个直流输出电容，以输出整流器的三相输出电压。三相整流器控制装置可以采用如本发明第二个实施例所提供的三相整流器控制装置，以对三相整流桥的通断进行控制。
84.综上所述，本发明涉及一种三相整流器控制方法、装置及三相整流器系统，在三相整流器的控制过程中，利用三相中瞬时值最大或最小的一相作为标准，采用输出电容中点平衡方式进行补偿后对三相调制波注入，提高了三相整流器的功率因数值，使三相整流系统在单位功率因数下运行，从而提高了直流电压利用率，降低三相整流器中开关的频繁动作。
85.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的
原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。