CN102005948A - 一种三相有源功率因数校正整流方法 - Google Patents

一种三相有源功率因数校正整流方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种三相有源功率因数校正整流方法，根据干扰观测的设计思想，结合周期性变化负载的特点，提出了一种负载观测器，实时对直流母线侧的负载进行观测，得到每相的交流侧的等效电阻，再根据负载的变化周期对观测出的负载进行滑动平均，可以得到一个变化周期内稳态的负载平均等效估计值，再依据该平均等效估计值配合本发明提出的占空比处理方法，可以实现稳定几乎无畸变的输入电流。本发明适合于直流母线侧负载周期性(频率大于5Hz)变化的数字控制、控制效果好。

Description

一种三相有源功率因数校正整流方法
技术领域
本发明涉及一种三相有源功率因数校正、降低三相输入电流谐波的方法，具体是一种可实现在整流输出直流母线侧负载周期性变化时有源功率因数校正的方法，属于电工技术领域。
背景技术
目前，一般三相有源功率因数校正整流器设计时以一种直流母线输出侧的负载恒定时的状态进行分析，控制方法的主要目的确保直流母线输出电压的恒定。该方法首先检测直流母线输出侧的电压，然后将该电压与期望的输出电压进行比较，得到的偏差量输入三相有源功率因数校正整流控制***中，最后控制***根据该信号和检测到的三相输入电压和电流信号进行综合处理后控制主回路功率管的PWM信号的占空比，从而实现提高输入功率因数降低输入电流的谐波，同时控制输出电压的恒定。采用这种常规的控制方法进行控制时，在负载突变时输入电流波形和输出电压都能自动调节且响应速度快，输出直流母线的电压稳定控制效果好。但将这种常规的控制方法应用于直流母线负载是周期性变化的整流器时，由于负载的周期性变化引起输出母线电压周期性变化，使得控制***周期性的进行调整，最终尽管直流母线输出电压是恒定的，但由于对输入电流的周期性调整而导致输入电流波形畸变严重，还会导致每相输入电流不平衡，每相输入电流有存在直流分量，而且当负载变化周期为任意周期时输入电流还会存在严重的间谐波成分，这些都会严重恶化对电网的危害。
发明内容
本发明提供一种适合于直流母线侧负载周期性（频率大于5Hz）变化的数字控制、控制效果好的三相有源功率因数校正整流方法。
本发明实现上述目的的技术方案是， 一种针对周期性变化负载的三相有源功率因数校正整流方法，其创新点在于：采用该方法的控制***有两个控制环路，控制环路A采用PI控制方法进行控制；控制环路B采用负载观测器进行控制，具体实现的步骤如下：
1）控制***启动，选择开关K接入占空比1；
2）控制***对主电路的输出直流母线电压                                                和输入两相电流ia、ib进行采样，采用PI控制方法计算出三相占空比D（Da，Db，Dc）；
3）负载观测器根据直流母线电压和输入两相电流ia、ib以及当前的输出的三相占空比D（Da，Db，Dc）观测出三相等效负载的观测值；
4）将负载观测器观测出的三相等效负载依照负载的变化周期进行滑动平均；
5）根据滑动平均后的三相等效负载进行处理，计算出三相占空比D（Da，Db，Dc）；
6）当控制***启动超过1.5倍的负载变化周期后，选择开关K接入占空比2。
步骤3中所述负载观测器观测三相等效负载的观测值的方法为：
负载观测器是通过对三相当前PWM控制周期的占空比D（Da，Db，Dc）、直流母线电压Udc和输入两相电流ia、ib进行综合处理得到三相等效负载的观测值，具体实现的步骤如下：
1）在每一个PWM周期的时间中点采样直流母线电压Udc以及输入的两相电流ia和ib，并且保存此PWM周期三相对应的输出占空比D（Da，Db，Dc）；
2）应用以下的公式进行计算三相等效负载：
Figure 175972DEST_PATH_IMAGE003
式中：j=a,b,c, 
Figure 970753DEST_PATH_IMAGE004
为j相在第n个PWM周期的等效负载，
Figure 350525DEST_PATH_IMAGE005
为j相第n个PWM周期的占空比，
Figure 126720DEST_PATH_IMAGE006
第n个PWM周期时的直流母线输出电压，
Figure 109720DEST_PATH_IMAGE007
为j相在第n个PWM周期中点采样到的输入电流，其中
Figure 193344DEST_PATH_IMAGE008
。
步骤5中所述根据等效负载滑动平均后获得三相占空比D（Da，Db，Dc）的处理方法，具体实现的步骤如下：
1）控制***获取当前PWM周期三相等效负载滑动平均值
Figure 866771DEST_PATH_IMAGE009
、直流母线电压Udc以及输入两相电流ia和ib；
2）应用以下的公式进行占空比处理，计算三相下一个PWM控制周期的占空比： 
Figure 680953DEST_PATH_IMAGE011
              
式中：
j=a,b,c, 
Figure 817536DEST_PATH_IMAGE012
期望输出的的直流母线输出电压。
本发明基于干扰观测器原理，利用干扰观测器可以将***的扰动、惯性等一些会对***控制产生影响的因素全部估计为等价扰动，从而实现***控制扰动的消除。根据干扰观测的设计思想，结合周期性变化负载的特点，提出了一种负载观测器，实时对直流母线侧的负载进行观测，得到每相的交流侧的等效电阻，再根据负载的变化周期对观测出的负载进行滑动平均，可以得到一个变化周期内稳态的负载平均等效估计值，再依据该平均等效估计值配合本发明提出的占空比处理方法，可以实现稳定几乎无畸变的输入电流。
本发明采用DSP作为控制核心，三相三开关三电平电路作为主电路拓扑，根据采样到的每相输入电流、实际输出直流电压、期望输出直流电压，通过公式推导出下一个PWM控制周期的三个双向开关PWM的占空比，即使当直流母线侧的负载周期性变化时，也可以实现接近单位功率因数的三相有源功率因数校正整流。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图； 
图2是本发明控制方法的控制原理框图； 
图3为负载变化为50Hz时采用常规控制方法A、B两相输入电流波形图；
图4为负载变化为50Hz时采用本发明控制方法A、B两相输入电流波形图。
[其中，图1中，
Figure 407786DEST_PATH_IMAGE013
Figure 292828DEST_PATH_IMAGE014
是输入三相电源，
Figure 908803DEST_PATH_IMAGE016
Figure 485201DEST_PATH_IMAGE018
是三个输入功率因数校正PFC电感，
Figure 585881DEST_PATH_IMAGE019
Figure 64267DEST_PATH_IMAGE020
Figure 396154DEST_PATH_IMAGE021
是三个双向功率开关，
Figure 793637DEST_PATH_IMAGE022
~是6个整流二极管，
Figure 598443DEST_PATH_IMAGE024
Figure 719590DEST_PATH_IMAGE025
是输出滤波电容，
Figure 350291DEST_PATH_IMAGE002
是检测到的输出直流母线的电压；图2中，Udc是直流母线的输出电压，ia 、ib是A、B两相的输入电流，D是输出占空比，K是控制选择开关] 。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
一种针对周期性变化负载的三相有源功率因数校正整流方法，采用该方法的控制***有两个控制环路，控制环路A采用PI控制方法进行控制；控制环路B采用负载观测器进行控制，具体实现的步骤如下：
1）控制***启动，选择开关K接入占空比1；
2）控制***对主电路的输出直流母线电压
Figure 192607DEST_PATH_IMAGE001
和输入两相电流ia、ib进行采样，采用PI控制方法计算出三相占空比D（Da，Db，Dc）；
3）负载观测器根据直流母线电压
Figure 262064DEST_PATH_IMAGE002
和输入两相电流ia、ib以及当前的输出的三相占空比D（Da，Db，Dc）观测出三相等效负载的观测值；
4）将负载观测器观测出的三相等效负载依照负载的变化周期进行滑动平均；
5）根据滑动平均后的三相等效负载进行处理，计算出三相占空比D（Da，Db，Dc）；
6）当控制***启动超过1.5倍的负载变化周期后，选择开关K接入占空比2。
上述6个步骤即可实现三相有源功率因数校正整流。
步骤3中所述负载观测器观测三相等效负载的观测值的方法为：
负载观测器是通过对三相当前PWM控制周期的占空比D（Da，Db，Dc）、直流母线电压Udc和输入两相电流ia、ib进行综合处理得到三相等效负载的观测值，具体实现的步骤如下：
1）在每一个PWM周期的时间中点采样直流母线电压Udc以及输入的两相电流ia和ib，并且保存此PWM周期三相对应的输出占空比D（Da，Db，Dc）；
2）应用以下的公式进行计算三相等效负载：
Figure 552231DEST_PATH_IMAGE003
式中：j=a,b,c, 为j相在第n个PWM周期的等效负载，
Figure 742833DEST_PATH_IMAGE005
为j相第n个PWM周期的占空比，
Figure 101133DEST_PATH_IMAGE006
第n个PWM周期时的直流母线输出电压，为j相在第n个PWM周期中点采样到的输入电流，其中
Figure 47672DEST_PATH_IMAGE008
。
Figure 97536DEST_PATH_IMAGE004
即为求得的三相等效负载。
步骤5中所述根据等效负载滑动平均后获得三相占空比D（Da，Db，Dc）的处理方法，具体实现的步骤如下：
1）控制***获取当前PWM周期三相等效负载滑动平均值
Figure 7330DEST_PATH_IMAGE009
、直流母线电压Udc以及输入两相电流ia和ib；
2）应用以下的公式进行占空比处理，计算三相下一个PWM控制周期的占空比： 
Figure 681074DEST_PATH_IMAGE011
              
式中：
j=a,b,c, 
Figure 782016DEST_PATH_IMAGE012
期望输出的的直流母线输出电压。
所求得的
Figure 482119DEST_PATH_IMAGE010
就为所述根据等效负载滑动平均后获得三相占空比D（Da，Db，Dc）。
图1的整流器具有6只整流二极管（~
Figure 929073DEST_PATH_IMAGE023
）的主电路通过三个输入PFC电感（
Figure 641484DEST_PATH_IMAGE018
）接入三相输入电源（
Figure 392271DEST_PATH_IMAGE013
Figure 527193DEST_PATH_IMAGE014
Figure 257514DEST_PATH_IMAGE015
），三个双向功率开关（Ka Kb Kc）的一端公共点接入两个输出电容（C1，C2）的中点，DSP控制***输入PWM信号经驱动电路驱动后控制主电路中的三个双向功率开关（Ka 、Kb 、Kc）。
图2是本发明的控制框图，控制***有两个控制环路，一个环路是采样主电路的输出直流母线电压
Figure 538322DEST_PATH_IMAGE027
和输入两相电流，根据这两种信号采用文献1的常规控制方法进行控制，产生占空比信号1；另一个环路是负载观测器根据直流母线电压
Figure 754333DEST_PATH_IMAGE002
和输入两相电流
Figure 553924DEST_PATH_IMAGE029
以及输出占空比D观测出每相的等效负载的估计值，再将该估计值滑动平均之后由占空比处理后得到占空比信号2，***根据不同的情况选择占空比信号经占空比选择开关K接入主电路产生PWM信号控制三个双向开关。
如图3为负载变化为50Hz时采用常规控制方法A、B两相输入电流波形图，图4为负载变化为50Hz时采用本发明控制方法A、B两相输入电流波形图。可见本发明的控制方法取得了良好的效果。

Claims (3)

1.一种针对周期性变化负载的三相有源功率因数校正整流方法，其特征在于：采用该方法的控制***有两个控制环路，控制环路A采用PI控制方法进行控制；控制环路B采用负载观测器进行控制，具体实现的步骤如下：
1）控制***启动，选择开关K接入占空比1；
2）控制***对主电路的输出直流母线电压                                                
Figure 2010105614919100001DEST_PATH_IMAGE001
和输入两相电流ia、ib进行采样，采用PI控制方法计算出三相占空比D（Da，Db，Dc）；
3）负载观测器根据直流母线电压和输入两相电流ia、ib以及当前的输出的三相占空比D（Da，Db，Dc）观测出三相等效负载的观测值；
4）将负载观测器观测出的三相等效负载依照负载的变化周期进行滑动平均；
5）根据滑动平均后的三相等效负载进行处理，计算出三相占空比D（Da，Db，Dc）；
6）当控制***启动超过1.5倍的负载变化周期后，选择开关K接入占空比2。
2.根据权利要求1所述的针对周期性变化负载的三相有源功率因数校正整流方法，其特征在于：步骤3中所述负载观测器观测三相等效负载的观测值的方法为：
负载观测器是通过对三相当前PWM控制周期的占空比D（Da，Db，Dc）、直流母线电压Udc和输入两相电流ia、ib进行综合处理得到三相等效负载的观测值，具体实现的步骤如下：
1）在每一个PWM周期的时间中点采样直流母线电压Udc以及输入的两相电流ia和ib，并且保存此PWM周期三相对应的输出占空比D（Da，Db，Dc）；
2）应用以下的公式进行计算三相等效负载：
式中：j=a,b,c, 
Figure 930892DEST_PATH_IMAGE004
为j相在第n个PWM周期的等效负载，
Figure 2010105614919100001DEST_PATH_IMAGE005
为j相第n个PWM周期的占空比，
Figure 151657DEST_PATH_IMAGE006
第n个PWM周期时的直流母线输出电压，为j相在第n个PWM周期中点采样到的输入电流，其中
Figure 223781DEST_PATH_IMAGE008
。
3.根据权利要求1所述的针对周期性变化负载的三相有源功率因数校正整流方法，其特征在于：步骤5中所述根据等效负载滑动平均后获得三相占空比D（Da，Db，Dc）的处理方法，具体实现的步骤如下：
1）控制***获取当前PWM周期三相等效负载滑动平均值
Figure 2010105614919100001DEST_PATH_IMAGE009
、直流母线电压Udc以及输入两相电流ia和ib；
2）应用以下的公式进行占空比处理，计算三相下一个PWM控制周期的占空比
Figure 125788DEST_PATH_IMAGE010
： 
Figure 2010105614919100001DEST_PATH_IMAGE011
              
式中：
j=a,b,c, 期望输出的的直流母线输出电压。
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