CN102255541B - dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器及控制方法，涉及单相功率变换电路，该单相逆变器包括功率变换电路、LC滤波电路、电压检测电路和数字控制电路，功率变换电路的功率输入端与外部直流电源的输出端相连，功率变换电路的输出端与LC滤波电路的输入端相连，LC滤波电路的输出端与电压检测电路的输入端相连，电压检测电路的输出端与数字控制电路的输入端相连，数字控制电路的输出端与功率变换电路的驱动信号输入端相连。本发明能在dq坐标下利用PI调节器瞬时控制输出电压波形，稳态精度高、动态响应速度快，且鲁棒性强、控制参数容易设计，控制方法的实现比较简单，与三相逆变器基本相同，可降低软件开发工作量。

Description

dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器及控制方法

技术领域

本发明涉及单相功率变换电路，特别是涉及一种dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器及控制方法。

背景技术

随着太阳能电池、直流发电机、蓄电池等直流电源在人类社会生产和生活中的应用越来越广，能够将直流电能逆变为交流电能的高性能逆变器也越来越受到人们的重视。

对于三相逆变器的输出电压控制而言，通过dq变换可以将abc三相坐标系下的电压、电流等交流量转换到dq坐标系下变为直流量，通过PI调节器可以实现无稳态静差的反馈控制，同时保证良好的动态响应速度。在dq坐标系下，由于三相逆变器是对等效的直流量进行反馈控制，因此PI调节器不仅控制效果好，并且鲁棒性强，控制参数容易设计。

而对于单相逆变器而言，因为只有一相的电压参数，无法直接利用dq变换转换为直流量加以控制，所以传统的单相逆变器一般只对交流电压幅值进行控制。由于对交流电压的幅值检测需要的检测时间较长，因此传统的单相逆变器动态响应速度较慢，突加、减负载时电压幅值的波动较大。

近年来也出现了采用PI调节器对电压波形直接进行瞬时反馈控制的单相逆变器，但由于PI调节器无法对交流指令信号做到稳态无静差的跟踪，因此PI调节器的设计十分困难，相关设计开发工作需要的时间长、成本大。例如，名称为《一种多维状态数字控制的逆变电源》中国发明专利(专利申请号为201010284052.8)，提出了基于多维状态空间的逆变器反馈控制方法，该发明虽然能够取得较好的性能指标，但需要检测逆变器输出电压和电流两个电参数，还需要准确测定LC滤波器的电感量和电容量才能设计控制参数，并且控制算法较为复杂，实现起来较为困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器及控制方法，不仅能够在dq坐标下利用PI调节器瞬时控制输出电压波形，稳态精度高、动态响应速度快，而且鲁棒性强、控制参数容易设计，控制方法的实现比较简单，与三相逆变器基本相同，控制软件稍加修改即可实现共用，可大大节约同一系列型号中三相和单相逆变器的设计开发工作。

本发明提供的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器，包括功率变换电路、LC滤波电路、电压检测电路和数字控制电路，所述功率变换电路的功率输入端与外部直流电源的输出端相连，功率变换电路的输出端与LC滤波电路的输入端相连，LC滤波电路的输出端与电压检测电路的输入端相连，电压检测电路的输出端与数字控制电路的输入端相连，数字控制电路的输出端与功率变换电路的驱动信号输入端相连。

在上述技术方案中，所述数字控制电路包括数字控制器，所述数字控制器包括虚拟化运算器、dq变换矩阵、第一减法器、第二减法器、第一PI调节器、第二PI调节器和反dq变换运算器，所述虚拟化运算器经dq变换矩阵分别与第一减法器和第二减法器相连，第一减法器和第二减法器分别经第一PI调节器和第二PI调节器与反dq变换运算器相连。

在上述技术方案中，所述数字控制电路用于：将采集到的当前输出电压Ua(k)送入虚拟化运算器计算得到变量Ub(k)、Uc(k)，再将变量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)送到dq变换矩阵计算得到变量Ud(k)、Uq(k)，将Ud(k)送到第一减法器的“-”号端，d轴指令值Udref送到第一减法器的“+”号端，计算得到变量Ek₁，将Ek₁送入第一PI调节器计算得到d轴调节变量Udo(k)；将Uq(k)送到第二减法器的“-”号端，q轴指令值Uqref送到第二减法器的“+”号端，计算得到变量Ek₂，将Ek₂送入第二PI调节器计算得到q轴坐标调节变量Uqo(k)；将变量Udo(k)和变量Uqo(k)送到反dq变换运算器计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器根据Uk产生对应的PWM驱动信号，控制功率变换电路输出相应的电压波形。

在上述技术方案中，所述数字控制器采用数字信号处理器DSP、单片机或者现场可编程门阵列FPGA。

在上述技术方案中，所述功率变换电路采用单相全桥或单相半桥的逆变器拓扑结构。

本发明提供的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器的控制方法，包括以下步骤：A、从直流电源输出的直流电由功率变换电路逆变，再经过LC滤波电路后形成交流正弦电压波形，电压检测电路检测LC滤波电路的输出电压Uo，形成检测信号Ua；B、数字控制电路采样检测信号Ua，在数字控制器中得到采样信号Ua(k)，并通过在数字控制器中运算的虚拟化运算器、dq变换矩阵、减法器、PI调节器和反dq变换运算器，计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器根据Uk产生对应的PWM驱动信号，控制功率变换电路输出相应的电压波形，完成反馈控制过程。

在上述技术方案中，步骤B中所述反馈控制变量Uk的计算过程如下：数字控制电路将采集到的当前输出电压Ua(k)送入虚拟化运算器计算得到变量Ub(k)、Uc(k)，再将变量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)送到dq变换矩阵计算得到变量Ud(k)、Uq(k)，将Ud(k)送到第一减法器的“-”号端，d轴指令值Udref送到第一减法器的“+”号端，计算得到变量Ek₁，将Ek₁送入第一PI调节器计算得到d轴调节变量Udo(k)；将Uq(k)送到第二减法器的“-”号端，q轴指令值Uqref送到第二减法器的“+”号端，计算得到变量Ek₂，将Ek₂送入第二PI调节器计算得到q轴坐标调节变量Uqo(k)；将变量Udo(k)和变量Uqo(k)送到反dq变换运算器计算得到反馈控制变量Uk。

在上述技术方案中，所述数字控制器采用数字信号处理器DSP、单片机或者现场可编程门阵列FPGA。

在上述技术方案中，所述功率变换电路采用单相全桥或单相半桥的逆变器拓扑结构。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)具有良好的稳态性能和动态性能，稳态电压精度小于1％，动态电压变化率小于5％。

(2)具有良好的输出电压正弦性，额定满载下输出电压波形总体畸变小于1.5％。

(3)只用检测输出电压，即可满足控制要求，不需要检测电流环节，有利于降低设备成本。

(4)控制算法可与三相逆变器的设计开发统一，可降低软件开发工作量。

附图说明

图1是本发明实施例中dq坐标系下瞬时控制单相逆变器的电路结构框图；

图2是图1中数字控制电路中数字控制器运行的控制算法的原理框图；

图3是图1中数字控制电路中数字控制器运行的控制算法的程序流程图。

图中：1-直流电源，2-功率变换电路，3-LC滤波电路，4-电压检测电路，5-数字控制电路，501-虚拟化运算器，502-dq变换矩阵，503-第一减法器，504-第二减法器，505-第一PI调节器，506-第二PI调节器，507-反dq变换运算器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器，包括功率变换电路2、LC滤波电路3、电压检测电路4和数字控制电路5，功率变换电路2的功率输入端与外部直流电源1的输出端相连，功率变换电路2的输出端与LC滤波电路3的输入端相连，LC滤波电路3的输出端与电压检测电路4的输入端相连，电压检测电路4的输出端与数字控制电路5的输入端相连，数字控制电路5的输出端与功率变换电路2的驱动信号输入端相连。

直流电源1可以为任意通用直流电源，功率变换电路2采用单相全桥或单相半桥的逆变器拓扑结构，LC滤波器3可选用通常的电感和电容组成。数字控制电路5由数字控制器和常见的电源电路、输入输出电路组成，数字控制器可采用DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、单片机或者FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等具有数字信号处理和控制能力的芯片构成，本实施例中选用TI公司的DSP芯片TMS2407，该芯片运行速度高达40MHz，并且具有6路全比较PWM输出端，拥有足够的运算能力和控制能力。电压检测电路4可选择电压霍尔或者电压互感器等测量器件构成，本实施例中采用电压霍尔检测逆变器的输出电压，其具有检测精度高、动态响应速度快的特点。

参见图2所示，数字控制器包括虚拟化运算器501、dq变换矩阵502、第一减法器503、第二减法器504、第一PI调节器505、第二PI调节器506和反dq变换运算器507，虚拟化运算器501经dq变换矩阵502分别与第一减法器503和第二减法器504相连，第一减法器503和第二减法器504分别经第一PI调节器505和第二PI调节器506与反dq变换运算器507相连。

数字控制电路5用于：将采集到的当前输出电压Ua(k)送入虚拟化运算器501计算得到变量Ub(k)、Uc(k)，再将变量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)送到dq变换矩阵502计算得到变量Ud(k)、Uq(k)，将Ud(k)送到第一减法器503的“-”号端，d轴指令值Udref送到第一减法器503的“+”号端，计算得到变量Ek₁，将Ek₁送入第一PI调节器505计算得到d轴调节变量Udo(k)；将Uq(k)送到第二减法器504的“-”号端，q轴指令值Uqref送到第二减法器504的“+”号端，计算得到变量Ek₂，将Ek₂送入第二PI调节器506计算得到q轴坐标调节变量Uqo(k)；将变量Udo(k)和变量Uqo(k)送到反dq变换运算器507计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器根据Uk产生对应的PWM驱动信号，控制功率变换电路2输出相应的电压波形。

本发明实施例提供的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器的控制方法，包括以下步骤：

A、从直流电源1输出的直流电由功率变换电路2逆变，功率变换电路2采用单相全桥或单相半桥的逆变器拓扑结构，再经过LC滤波电路3后形成交流正弦电压波形，电压检测电路4检测LC滤波电路3的输出电压Uo，形成检测信号Ua；

B、数字控制电路5采样检测信号Ua，在数字控制器中得到采样信号Ua(k)，并通过在数字控制器中运算的虚拟化运算器501、dq变换矩阵502、减法器、PI调节器和反dq变换运算器，计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器采用数字信号处理器DSP、单片机或者现场可编程门阵列FPGA，数字控制器根据Uk产生对应的PWM驱动信号，控制功率变换电路2输出相应的电压波形，完成反馈控制过程。

步骤B中所述反馈控制变量Uk的计算过程如下：数字控制电路5将采集到的当前输出电压Ua(k)送入虚拟化运算器501计算得到变量Ub(k)、Uc(k)，再将变量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)送到dq变换矩阵502计算得到变量Ud(k)、Uq(k)，将Ud(k)送到第一减法器503的“-”号端，d轴指令值Udref送到第一减法器503的“+”号端，计算得到变量Ek₁，将Ek₁送入第一PI调节器505计算得到d轴调节变量Udok；将Uq(k)送到第二减法器504的“-”号端，q轴指令值Uqref送到第二减法器504的“+”号端，计算得到变量Ek₂，将Ek₂送入第二PI调节器506计算得到q轴坐标调节变量Uqo(k)；将变量Udo(k)和变量Uqo(k)送到反dq变换运算器507计算得到反馈控制变量Uk。

参见图3所示，本发明实施例数字控制电路中的数字控制器具体按以下步骤实施控制：

步骤S1：数字控制器设置数据变量空间并初始化。在数字控制器的数据存储区中设置三组具有N个单元的数据变量空间，分别用于存放变量Ua、Ub、Uc的数值，其中N为每个工频周波内电压信号的采样次数，并且N为6的倍数。数据变量空间内各数据单元的初始值赋为0。

步骤S2：采集电压检测电路4得到的当前拍的输出电压Ua(k)，在数字控制***中一个采用周期T称为一拍，离散时刻用kT表示，简写为k，表示第k个离散时刻。

步骤S3：利用公式(1)计算当前拍的Ub(k)，利用公式(2)计算当前拍的Uc(k)：

$\mathrm{Ub}\left(k\right)=-\mathrm{Ua}(k-\frac{N}{6})---\left(1\right)$

Uc(k)＝-Ua(k)-Ub(k)    (2)

步骤S4：利用公式(3)计算Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)在dq坐标系下的变量Ud(k)、Uq(k)：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ud}\left(k\right)\\ \mathrm{Uq}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\sin \left(\mathrm{kT}\right)& \sin (\mathrm{kT}-2\mathrm{\π}/3)& \sin (\mathrm{kT}+2\mathrm{\π}/3)\\ \cos \left(\mathrm{kT}\right)& \cos (\mathrm{kT}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{kT}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{Ua}\left(k\right)\\ \mathrm{Ub}\left(k\right)\\ \mathrm{Uc}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

步骤S5：用d轴指令值Udref减去变量Ud(k)得到d轴下的误差量Ek₁，即Ek₁＝Udref-Ud(k)；用q轴指令值Uqref减去变量Ud(k)得到d轴下的误差量Ek₂，即Ek₂＝Uqref-Uq(k)。

步骤S6：将变量Ek₁和Ek₂分别送入第一PI调节器505(d轴PI调节器)和第二PI调节器506(q轴PI调节器)计算得到变量Udo(k)和Uqo(k)。

步骤S7：将变量Udo(k)和Uqo(k)利用公式(4)计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器利用反馈控制变量Uk形成相应的PWM驱动信号，控制功率变换电路2输出相应的电压波形。

Uk＝Udo(k)·sin(kT)+Uqo(k)·cos(kT)    (4)

步骤S8：令k＝k+1，若k等于N时，将k重新赋值为0，返回步骤S2，再次执行步骤S2至S8各步骤，直至逆变器工作结束。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器，其特征在于：包括功率变换电路(2)、LC滤波电路(3)、电压检测电路(4)和数字控制电路(5)，所述功率变换电路(2)的功率输入端与外部直流电源(1)的输出端相连，功率变换电路(2)的输出端与LC滤波电路(3)的输入端相连，LC滤波电路(3)的输出端与电压检测电路(4)的输入端相连，电压检测电路(4)的输出端与数字控制电路(5)的输入端相连，数字控制电路(5)的输出端与功率变换电路(2)的驱动信号输入端相连；所述数字控制电路(5)包括数字控制器，所述数字控制器包括虚拟化运算器(501)、dq变换矩阵(502)、第一减法器(503)、第二减法器(504)、第一PI调节器(505)、第二PI调节器(506)和反dq变换运算器(507)，所述虚拟化运算器(501)经dq变换矩阵(502)分别与第一减法器(503)和第二减法器(504)相连，第一减法器(503)和第二减法器(504)分别经第一PI调节器(505)和第二PI调节器(506)与反dq变换运算器(507)相连；

所述数字控制电路(5)用于：将采集到的当前输出电压Ua(k)送入虚拟化运算器(501)计算得到变量Ub(k)、Uc(k)：

数字控制器设置数据变量空间并初始化，在数字控制器的数据存储区中设置三组具有N个单元的数据变量空间，分别用于存放变量Ua、Ub、Uc的数值，其中N为每个工频周波内电压信号的采样次数，并且N为6的倍数，数据变量空间内各数据单元的初始值赋为0；采集电压检测电路(4)得到的当前拍的输出电压Ua(k)，在数字控制***中一个采用周期T称为一拍，离散时刻用kT表示，简写为k，表示第k个离散时刻，虚拟化运算器(501)利用公式(1)计算当前拍的Ub(k)，利用公式(2)计算当前拍的Uc(k)：

$\mathrm{Ub}\left(k\right)=-\mathrm{Ua}(k-\frac{N}{6})---\left(1\right)$

Uc(k)＝-Ua(k)-Ub(k)        (2)；

虚拟化运算器(501)再将变量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)送到dq变换矩阵(502)计算得到变量Ud(k)、Uq(k)，将Ud(k)送到第一减法器(503)的“-”号端，d轴指令值Udref送到第一减法器(503)的“+”号端，计算得到变量Ek₁，将Ek₁送入第一PI调节器(505)计算得到d轴调节变量Udo(k)；将Uq(k)送到第二减法器(504)的“-”号端，q轴指令值Uqref送到第二减法器(504)的“+”号端，计算得到变量Ek₂，将Ek₂送入第二PI调节器(506)计算得到q轴坐标调节变量Uqo(k)；将变量Udo(k)和变量Uqo(k)送到反dq变换运算器(507)计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器根据Uk产生对应的PWM驱动信号，控制功率变换电路(2)输出相应的电压波形。

2.如权利要求1所述的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器，其特征在于：所述数字控制器采用数字信号处理器DSP、单片机或者现场可编程门阵列FPGA。

3.如权利要求1所述的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器，其特征在于：所述功率变换电路(2)采用单相全桥或单相半桥的逆变器拓扑结构。

4.一种dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

A、从直流电源(1)输出的直流电由功率变换电路(2)逆变，再经过LC滤波电路(3)后形成交流正弦电压波形，电压检测电路(4)检测LC滤波电路(3)的输出电压Uo，形成检测信号Ua；

B、数字控制电路(5)采样检测信号Ua，在数字控制器中得到采样信号Ua(k)，并通过在数字控制器中运算的虚拟化运算器(501)、dq变换矩阵(502)、减法器、PI调节器和反dq变换运算器，计算得到反馈控制变量Uk，数字控制器根据Uk产生对应的PWM驱动信号，控制功率变换电路(2)输出相应的电压波形，完成反馈控制过程；

所述反馈控制变量Uk的计算过程如下：数字控制电路(5)将采集到的当前输出电压Ua(k)送入虚拟化运算器(501)计算得到变量Ub(k)、Uc(k)：

数字控制器设置数据变量空间并初始化，在数字控制器的数据存储区中设置三组具有N个单元的数据变量空间，分别用于存放变量Ua、Ub、Uc的数值，其中N为每个工频周波内电压信号的采样次数，并且N为6的倍数，数据变量空间内各数据单元的初始值赋为0；采集电压检测电路(4)得到的当前拍的输出电压Ua(k)，在数字控制***中一个采用周期T称为一拍，离散时刻用kT表示，简写为k，表示第k个离散时刻，虚拟化运算器(501)利用公式(1)计算当前拍的Ub(k)，利用公式(2)计算当前拍的Uc(k)：

$\mathrm{Ub}\left(k\right)=-\mathrm{Ua}(k-\frac{N}{6})---\left(1\right)$

Uc(k)＝-Ua(k)-Ub(k)         (2)；

虚拟化运算器(501)再将变量Ua(k)、Ub(k)、Uc(k)送到dq变换矩阵(502)计算得到变量Ud(k)、Uq(k)，将Ud(k)送到第一减法器(503)的“-”号端，d轴指令值Udref送到第一减法器(503)的“+”号端，计算得到变量Ek₁，将Ek₁送入第一PI调节器(505)计算得到d轴调节变量Udo(k)；将Uq(k)送到第二减法器(504)的“-”号端，q轴指令值Uqref送到第二减法器(504)的“+”号端，计算得到变量Ek₂，将Ek₂送入第二PI调节器(506)计算得到q轴坐标调节变量Uqo(k)；将变量Udo(k)和变量Uqo(k)送到反dq变换运算器(507)计算得到反馈控制变量Uk。

5.如权利要求4所述的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器的控制方法，其特征在于：所述数字控制器采用数字信号处理器DSP、单片机或者现场可编程门阵列FPGA。

6.如权利要求5所述的dq坐标系下瞬时控制的单相逆变器的控制方法，其特征在于：所述功率变换电路(2)采用单相全桥或单相半桥的逆变器拓扑结构。

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