CN102638186A - 一种三相电压型整流器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过提供了一种鲁棒性高的三相电压型整流器，在保证电网电压高利用率的同时，对***的超调、稳态误差都有较好的抑制作用。本发明的优点是：1、采用SVPWM(空间矢量调制)方法，可以比普通PWM调制方法的电网利用率调高15.4%；2、电压环采用滑模变结构算法（VSC）替代传统的PID控制算法，可以快速应对直流侧电压的变化；3、电流环采用组合控制算法（PID+VSC）替代传统的PID控制算法，既可以快速响应电流的变化，又可以输出稳定的控制信号，减小直流侧超调和稳态误差。
Description
技术领域
本发明涉及整流装置，尤其涉及一种三相电压型整流器及其控制方法。
背景技术
在国民经济各领域中广泛应用的大部分变流装置都需要整流器，以获得稳定的直流电压，但常规的整流电路大多采用二极管不控整流或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量的谐波和无功电能，造成了严重的电网污染。治理这种电网污染最根本的措施是使变流装置网侧电流正弦化和功率因数为1。
PWM 控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手段，结合了PWM 控制技术的新型整流器称为PWM 整流器。由于PWM整流器实现了输入电流的正弦化，且运行于单位功率因数，能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。
目前整流器电网侧的传统控制方法是采用矢量控制法，控制结构如图1所示。主要由供电电网（含电网侧LC滤波器）、采样模块（交流电压、电流，直流侧电压采样）、坐标变换模块①（Clark变换及park正、反变换）、电压外环调节器②、电流内环调节器③、解耦模块④及IGBT模块直流环节组成。矢量控制法采集直流侧的电压进行反馈控制，并且同时根据功率需求给出矢量电流参考值。电流控制模块对矢量电流进行控制，给出脉宽调制因数，最后输出由PWM模块给出的开关信号驱动IGBT模块上、下桥臂的开通与关断。
PWM整流器的核心是电流控制，如何提高整流器的功率因数并改善输入电流波形是人们追求的目标。往往电流环输出信号的好坏对整流器的影响是至关重要的。矢量控制法的控制目标主要在于电流信号的控制，矢量控制法中的电流控制模块控制敏感度较高，整流***的电路参数、测量延时以及锁相环性能对电流控制都具有较大的影响，这些因素造成了矢量控制法的鲁棒性偏低。
通常的三相电压型整流器的电压环、电流环采用PID调节器为主，当电路参数，测量延时以及其他因素发生变化时，调节器稳定性会发生明显改变，加大了调节器参数的调试难度，给整流器应用的调试实施带来了实际困难。
因此，提供一种能够在保证效率的同时提高***稳定性的三相整流器及其控制方法就显得尤为重要了。
发明内容
本发明的目的是避免出现现有技术中的三相电压型整流器因为电路中某些因素变化而影响调节器稳定性所导致的整流器调试困难的情况。
本发明公开一种三相电压型整流器，其中，包括：连接供电电网的采样模块、所述采样模块具有：直流侧电压(Uref)采样模块，连接电压环调节器的输入端，交流侧电压(ea,eb,ec)、电流(Ia,Ib,Ic)采样模块，连接坐标变换模块的输入端，电压环调节器的输出端和所述坐标变换模块的输出端分别连接电流环调节器的参考电流输入端、电流输入端以及电压输入端，所述电流环调节器的输出端通过Park逆变换器和SVPWM模块连接IGBT模块，其中，所述电压环调节器为第一滑模变结构调节器，所述电流环调节器为加权组合调节器，所述加权组合调节器包括：
第二滑模变结构调节器，用于将实现快速跟踪相应；
PID调节器，用于实现无超调、无静差控制；
可变加权因子模块，当所述电流环调节器输入的参考电流和电流的差值大于误差值时，所述可变加权因子模块切换至所述第二滑模变结构调节器工作，当所述电流环调节器输入的参考电流和电流的差值不大于误差值时，所述可变加权因子模块切换至所述PID调节器工作。
上述的三相电压型整流器，其中，所述采样模块为DSP处理器，用于进行ADC采样。
上述的三相电压型整流器，其中，所述加权组合调节器还包括可变加权因子，其取值范围为0至1。
上述的三相电压型整流器，其中，所述可变加权因子为0.01或0.09。
根据本发明的另一个方面，还公开一种述三相电压型整流器的控制方法，其中，包括如下步骤：
供电电网提供三相交流电，采样后将直流侧实时电压值与设电压值进行比较，电压环滑模调节器根据控制变量参考值以及实测控制变量建立滑模平面函数，电压环调节器输出电流经限幅后送至电流环调节器；
提供坐标变换模块将三相电压、三相电流从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系，转换后的电压输出信号作为电流环调节器的输入信号，电流输出信号作为电流环调节器中输入电流的参考电流；
若电流环调节器的输入电流以及参考电流的差值大小大于误差值，则进行滑模调节，若电流环调节器的输入电流以及参考电流的差值大小不大于误差值，则进行PID调节，输出电压经限幅后送至电流环调节器Park逆变换器；
利用空间矢量调制产生六路固定开关频率、不同占空比的PWM波，驱动IGBT模块的开关管的开通与关断。
上述的方法，其中，所述三相电压、三相电流从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系的步骤中，包括先Clark变换，再进行Park变换。
上述的方法，其中，还包括提供锁相环模块，计算三相电压的相位角θ，用于Park变换。
本发明通过提供了一种鲁棒性高的三相电压型整流器，在保证电网电压高利用率的同时，对***的超调、稳态误差都有较好的抑制作用。
本发明的优点是：
1、采用SVPWM(空间矢量调制)方法，可以比普通PWM调制方法的电网利用率调高15.4%；
2、电压环采用滑模变结构算法（VSC）替代传统的PID控制算法，可以快速应对直流侧电压的变化；
3、电流环采用组合控制算法（PID+VSC）替代传统的PID控制算法，既可以快速响应电流的变化，又可以输出稳定的控制信号，减小直流侧超调和稳态误差。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了部分部件。
图1示出了现有技术的，一种三相电压型整流器的结构示意图；
图2示出了根据本发明的，一种三相电压型整流器的结构示意图；
图3为滑模变结构调节器的传递函数框图；
图4示出了根据本发明的，三相电压型整流器中的电压环滑模调节器；
图5为加权组合调节器的传递函数框图；
图6示出了根据本发明的，三相电压型整流器中的电压环加权组合调节器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
结合参考图2至图6，相比如图1所示的现有技术，本发明的三相电压型整流器采用图4所示的第一滑模变结构调节器201替代如图1所示的现有技术中的电压外环调节器②，采用图6所示的加权组合调节器替代如图1所示的现有技术中的电流内环调节器③。具体地，本发明包括：连接供电电网的采样模块（图2中未示出）、具体地，所述采样模块具有直流侧电压(Uref)采样模块，连接电压环调节器102的输入端，交流侧电压(ea,eb,ec)、电流(Ia,Ib,Ic)采样模块，连接坐标变换模块①的输入端，电压环调节器102的输出端和所述坐标变换模块①的输出端分别连接电流环调节器103的参考电流输入端、电流输入端以及电压输入端（图2中未示出），所述电流环调节器103的输出端通过Park逆变换器105和SVPWM模块连接IGBT模块，其中，所述电压环调节器102为第一滑模变结构调节器201，所述电流环调节器103为加权组合调节器，所述加权组合调节器包括：第二滑模变结构调节器202，用于将实现快速跟踪相应；PID调节器203，用于实现无超调、无静差控制；可变加权因子模块，当所述电流环调节器103输入的参考电流和电流的差值大于误差值时，所述可变加权因子模块切换至所述第二滑模变结构调节器202工作，当所述电流环调节器103输入的参考电流和电流的差值不大于误差值时，所述可变加权因子模块切换至所述PID调节器203工作。
优选地，所述采样模块为DSP处理器，用于进行ADC采样。
本领域技术人员理解，所述加权组合调节器还包括可变加权因子，其取值范围为0至1。
具体地，电流环调节器103中，利用可变加权因子切换第二滑模变结构调节器202和PID调节器203所占的比重以实现两种算法之间的切换。
更为具体地，所述可变加权因子为0.01或0.99，即使第二滑模变结构调节器202和PID调节器203所占比例为1:99或99:1。
上述的三相电压型整流器的控制方法，包括如下步骤：
供电电网提供三相交流电，采样后将直流侧实时电压值与设电压值进行比较，电压环滑模调节器根据控制变量参考值以及实测控制变量建立滑模平面函数，电压环调节器102输出电流经限幅后送至电流环调节器103；
提供坐标变换模块①将三相电压、三相电流从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系，转换后的电压输出信号作为电流环调节器103的输入信号，电流输出信号作为电流环调节器103中输入电流的参考电流；
若电流环调节器103的输入电流以及参考电流的差值大小大于误差值，则进行滑模调节，若电流环调节器103的输入电流以及参考电流的差值大小不大于误差值，则进行PID调节，然后输出电压经限幅后送至Park逆变换器105；
利用空间矢量调制产生六路固定开关频率、不同占空比的PWM波，驱动IGBT模块的开关管的开通与关断。
图2中的SVPWM模块根据park反变换的输出值产生六路固定开关频率、不同占空比的PWM波，从而驱动IGBT模块的开关管的开通与关断。IGBT具有三相桥臂分别连接三相电压ａ相，ｂ相，ｃ相，每个桥臂的上、下开关交互打开，即当上桥臂导通时，下桥臂关断；当上桥臂关断时，下桥臂导通。上、下桥臂开关切换时加入死区时间保护，以避免上、下桥臂同时导通的情况发生。六路不同占空比的PWM波决定IGBT六个桥臂开通关断的时间，从而可以保持直流侧电压的的稳定。
进一步地，所述三相电压、三相电流从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系的步骤中，包括先Clark变换，再进行Park变换。
如图2所示，三相电压ea、eb、ec经过Clark、park坐标变换将电压信号从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系，坐标变换的输出ed，eq分别为解耦模块④中的输入信号。
三相电流ia、ib、ic经过Clark、park坐标变换将电流信号从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系，坐标变换的输出id，iq分别为作为电流环调节器103中输入电流的参考电流。
电流环103的两组调节器，分别对有功电流和无功电流进行调节。以有功电流调节为例，|idref-id|>0. 05时，a=0.01，电流环切换至第二滑模变结构调节器202实现快速跟踪相应；当|idref-id|<0.05时，a=0.99，由PID调节器203使整流***实现无超调、无静差控制。当电流环103的输入信号发生突变时，电流环103可以快速、平稳的输出控制信号ud、uq，进行park反变换。
更进一步地，还包括提供锁相环模块，计算三相电压的相位角θ，用于Park变换。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种三相电压型整流器，其特征在于，包括：连接供电电网的采样模块、所述采样模块具有：直流侧电压(Uref)采样模块，连接电压环调节器的输入端，交流侧电压(ea,eb,ec)、电流(Ia,Ib,Ic)采样模块，连接坐标变换模块的输入端，电压环调节器的输出端和所述坐标变换模块的输出端分别连接电流环调节器的参考电流输入端、电流输入端以及电压输入端，所述电流环调节器的输出端通过Park逆变换器和SVPWM模块连接IGBT模块，其中，所述电压环调节器为第一滑模变结构调节器，所述电流环调节器为加权组合调节器，所述加权组合调节器包括：
第二滑模变结构调节器，用于将实现快速跟踪相应；
PID调节器，用于实现无超调、无静差控制；
可变加权因子模块，当所述电流环调节器输入的参考电流和电流的差值大于误差值时，所述可变加权因子模块切换至所述第二滑模变结构调节器工作，当所述电流环调节器输入的参考电流和电流的差值不大于误差值时，所述可变加权因子模块切换至所述PID调节器工作。
2.根据权利要求1所述的三相电压型整流器，其特征在于，所述采样模块为DSP处理器，用于进行ADC采样。
3.根据权利要求1所述的三相电压型整流器，其特征在于，所述加权组合调节器还包括可变加权因子，其取值范围为0至1。
4.根据权利要求3所述的三相电压型整流器，其特征在于，所述可变加权因子为0.01或0.09。
5.一种权利要求1至4中任意一项所述三相电压型整流器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
供电电网提供三相交流电，采样后将直流侧实时电压值与设电压值进行比较，电压环滑模调节器根据控制变量参考值以及实测控制变量建立滑模平面函数，电压环调节器输出电流经限幅后送至电流环调节器；
提供坐标变换模块将三相电压、三相电流从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系，转换后的电压输出信号作为电流环调节器的输入信号，电流输出信号作为电流环调节器中输入电流的参考电流；
若电流环调节器的输入电流以及参考电流的差值大小大于误差值，则进行滑模调节，若电流环调节器的输入电流以及参考电流的差值大小不大于误差值，则进行比例-积分-微分调节，输出电压经限幅后送至电流环调节器Park逆变换器；
利用空间矢量调制产生六路固定开关频率、不同占空比的PWM波，驱动IGBT模块的开关管的开通与关断。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述三相电压、三相电流从三相静止坐标系转变为两相同步旋转坐标系的步骤中，包括先Clark变换，再进行Park变换。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括提供锁相环模块，计算三相电压的相位角θ，用于Park变换。
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