CN112737386A - 一种恒功率闭环控制的功率控制器 - Google Patents

一种恒功率闭环控制的功率控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒功率闭环控制的功率控制器，包括：电流内环控制结构，电压外环控制结构、SVPWM驱动模块与逆变电路；其中SVPWM驱动模块分别与电流内环控制结构、电压外环控制结构获取控制信号；逆变电路与SVPWM驱动模块相连，获取驱动信号；采集网侧三相电流、电压信号；将该三相电压信号变换到两相静止坐标系下的电压信号；通过给定电流上限值，使得电流环输出电流值趋近于给定电流，实现最大电流限幅值；通过实现对于给定电压的实时跟踪，实现对于功率输出的最大恒定控制。

Description

一种恒功率闭环控制的功率控制器
技术领域
本发明涉及功率控制器的技术领域，具体涉及一种恒功率闭环控制的功率控制器及其控制方法。
背景技术
在负载阻抗恒定的情况下，调节网侧输出功率的功率控制器可以动态的对输出功率进行调整，但是，当负载侧具有较大功率波动时，会对前级网侧的输出功率造成较大影响，甚至导致过流，导致触发网侧过流保护。在工业生产场合中，很多工况场景应用都对网侧输出功率的稳定性提出了更高的要求。
在传统网侧端AC/DC变换过程中，常采用两电平逆变器，由于其主电路拓扑结构简单而且控制方法也发展的比较成熟，因此在工业领域应用最为广泛。但是在大功率、高电能质量需求场合两电平逆变器仍要面对很多问题，在大功率场合通常需要配备变压器来使***正常工作，这使得***成本提高、体积变大，也增加了耗能。而多电平逆变器在一定程度上可以克服两电平逆变器存在的问题。
因此，需要在网侧多电平逆变器的基础上，对输出功率进行闭环控制，满足在多种功率场合的需求中，保持恒功率输出。
发明内容
本发明提供了一种恒功率闭环控制的功率控制器，以解决网侧在输出能量的过程中输出功率不可控与不稳定的问题。
本发明提供了一种恒功率闭环控制的功率控制器，包括：电流内环控制结构，电压外环控制结构，SVPWM驱动模块与逆变电路；
其中SVPWM驱动模块分别与电流内环控制结构、电压外环控制结构相连，用于获取控制信号；逆变电路与SVPWM驱动模块相连，用于获取驱动信号，通过逆变电路实现恒功率输出。
可选地，所述电流内环控制结构包括采样变换模块、锁相环模块、dq变换模块与PI调节器；
其中所述锁相环模块与采样变换模块相连，将采样变换模块输出静止坐标系下的电压信号解耦输出三相网侧电流角度信息；
所述dq变换模块与采样变换模块相连，用于解耦内环控制电流参数；
所述PI调节器与dq变换模块相连，用于调节内环控制电流参数iq至标定最大值i* q；
所述电压外环控制结构包括两个外环PI调节器，通过两个外环PI调节器相连实现直流输出电压对参考电压的跟踪。
可选地，所述电压外环控制结构包括两个外环PI调节器，通过两个外环PI调节器相连实现直流输出电压对参考电压的跟踪。
可选地，功率控制器控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，即输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式。
可选地，本发明提供了一种恒功率闭环控制的功率控制器的控制方法，包括：
步骤1，采集网侧电流信号ia、ib、ic；采集网侧电压信号ea、eb、ec，将该三相网侧电压信号变换到两相静止坐标系下的电压信号eα，eβ；
步骤2，将步骤1所述的ea、eb，导入锁相环获取网侧电压相位θ；
步骤3，采集负载侧电压Vdc，并与目标给定进行比较，其误差经电压外环PI控制器调节，输出作为电流内环d轴的给定，电压外环用于实现对输出电压的反馈控制。
步骤4，对网侧电流ia、ib、ic进行采样，经d变换得到电流在d轴和q轴的分量，其中d轴为有功分量，q轴为无功分量；将实际d轴电流分量id与目标给定比较，其误差送入d轴电流内环PI控制器；q轴电流iq与目标值0作差，将其误差送入q轴电流内环PI控制器；对dq轴电流环进行解耦及dq反变换，获取目标调制波，经SVPWM模块，得到PWM控制信号；通过实现对于给定电压的实时跟踪与最大电流限幅，实现对于功率输出的最大恒定控制。
可选地，所述的恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，通过给定电流上限值，使得电流环输出电流值id趋近于给定值i* d，通过实现对于给定电压的实时跟踪与最大电流限幅，实现对于功率输出的最大恒定控制。
本发明的有益效果：
1、本发明技术方案中的电压外环控制结构可以有效地钳位输出电压，实现对目标电压的实时跟踪。输出电压的波动值较小，响应跟踪速度快。
2、本发明技术方案中采用电流内环控制结构，输出电流质量高，有效抑制电流中的谐波分量，对最大目标电流值有充分的限幅效果，使得负载侧在限流值时达到恒功率控制效果。
3、本发明技术方案中采用解耦后的SVPWM对逆变器进行驱动控制，集成度高，成本较低，控制精度与稳定性较高。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明中一种恒功率控制流程图；
图2为本发明中一种恒功率闭环控制的功率控制器结构图；
图3为本发明中整流器电流内环控制传递函数框图；
图4为本发明中整流器电压外环控制传递函数框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种恒功率闭环控制的功率控制器，如图2所示：包括电流内环控制结构，电压外环控制结构、SVPWM驱动模块与逆变电路。其中SVPWM驱动模块分别与电流内环控制结构、电压外环控制结构获取控制信号；逆变电路与SVPWM驱动模块相连，获取驱动信号。
电流内环控制结构包括采样变换模块、锁相环模块、dq变换模块与PI调节器。其中锁相环模块与采样变换模块相连，将采样变换模块输出静止坐标系下的电压信号解耦输出三相网侧电流角度信息；dq变换模块与采样变换模块相连，用于解耦内环控制电流参数；PI调节器与dq变换模块相连，用于调节内环控制电流参数iq至标定最大值i* q。电压外环控制结构包括两个外环PI调节器，通过两个外环PI调节器相连实现直流输出电压对参考电压的跟踪。
功率控制器控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，即输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤S10，采集网侧电流信号ia、ib、ic。采集网侧电压信号ea、eb、ec，将该三相网侧电压信号变换到两相静止坐标系下的电压信号eα，eβ。
步骤S20，将步骤S10中ea、eb，导入锁相环获取网侧电压相位θ；
步骤S30，采集负载侧电压Vdc，并与目标给定进行比较，其误差经电压外环PI控制器调节，输出作为电流内环d轴的给定，电压外环用于实现对输出电压的反馈控制；
其中，整流器电压外环控制传递函数框图如图3所示。在对电压外环进行设计时，主要目标是实现直流侧电压对参考给定的稳定跟踪并希望电压外环具有很好的抗干扰能力。
其中，电压外环开环传递函数：
Figure BDA0002875677030000051
其中，中频带宽度hv满足
Figure BDA0002875677030000052
综合考虑***的跟踪性能和抗干扰能力，工程上通常取hv＝5，可得：
Figure BDA0002875677030000061
将hv＝5带入，可最终得控制器参数：
Figure BDA0002875677030000062
通过电压外环控制，实现对于给定电压的实时跟踪同监测负载侧反馈电压的幅值，通过调整PWM调制比参数，实现对于电压的稳定控制。
步骤S40，对网侧电流ia、ib、ic进行采样，经d变换得到电流在d轴和q轴的分量，其中d轴为有功分量，q轴为无功分量；将实际d轴电流分量id与目标给定比较，其误差送入d轴电流内环PI控制器；q轴电流iq与目标值0作差，将其误差送入q轴电流内环PI控制器；对dq轴电流环进行解耦及dq反变换，获取目标调制波，经SVPWM模块，得到PWM控制信号。
其中，整流器电流内环控制传递函数框图如图4所示：其中，KPWM为PWM等效增益系数，通常取值为1。ea电流环闭环传递函数为：
Figure BDA0002875677030000063
即可通过给定电流上限值，使得电流环输出电流值id趋近于给定值i* d，在开关频率较高时，电流内环的动态响应速度也较快。通过实现对于给定电压的实时跟踪与最大电流限幅，本发明实现了对于功率输出的最大恒定控制。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，包括：电流内环控制结构、电压外环控制结构、SVPWM驱动模块与逆变电路；
其中SVPWM驱动模块分别与电流内环控制结构、电压外环控制结构相连，用于获取控制信号；逆变电路与SVPWM驱动模块相连，用于获取驱动信号，通过逆变电路实现恒功率输出。
2.如权利要求1所述的恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，所述电流内环控制结构包括采样变换模块、锁相环模块、dq变换模块与PI调节器；
其中所述锁相环模块与所述采样变换模块相连，将所述采样变换模块输出静止坐标系下的电压信号解耦输出三相网侧电流角度信息；
所述dq变换模块与所述采样变换模块相连，用于解耦内环控制电流参数；
所述PI调节器与所述dq变换模块相连，用于调节内环控制电流参数iq至标定最大值i* q。
3.如权利要求1所述的恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，所述电压外环控制结构包括两个外环PI调节器，通过两个外环PI调节器相连实现直流输出电压对参考电压的跟踪。
4.如权利要求3所述的恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，功率控制器控制采用在dq同步旋转坐标系下，直流电压外环网侧电流内环的双闭环控制方式，即输出电压外环电感电流内环的双闭环控制方式。
5.如权利要求4所述的恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，功率控制器的功率控制方法包括以下步骤：
步骤1、采集网侧电流信号ia、ib、ic；采集网侧电压信号ea、eb、ec，将该三相网侧电压信号变换到两相静止坐标系下的电压信号eα，eβ；
步骤2、将步骤1所述的eα，eβ，导入锁相环获取网侧电压相位θ；
步骤3、采集负载侧电压Vdc，并与目标给定进行比较，其误差经电压外环PI控制器调节，输出作为电流内环d轴的给定，电压外环用于实现对输出电压的反馈控制；
步骤4、对网侧电流ia、ib、ic进行采样，经d变换得到电流在d轴和q轴的分量，其中d轴为有功分量，q轴为无功分量；将实际d轴电流分量id与目标给定比较，其误差送入d轴电流内环PI控制器；q轴电流iq与目标值0作差，将其误差送入q轴电流内环PI控制器；对dq轴电流环进行解耦及dq反变换，获取目标调制波，经SVPWM模块，得到PWM控制信号。
6.如权利要求5所述的恒功率闭环控制的功率控制器，其特征在于，通过给定电流上限值，使得电流环输出电流值id趋近于给定值i* d，通过实现对于给定电压的实时跟踪与最大电流限幅，实现对于功率输出的最大恒定控制。
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