專利名稱：一種注入虛擬電流的單周期控制三相pwm整流方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種基于載波調(diào)制的無(wú)位置傳感器PWM整流方法。
背景技術(shù)：
永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)軸與葉輪直接連接的驅(qū)動(dòng)方式，不僅具有傳動(dòng)鏈損失少、維護(hù)費(fèi)用低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且簡(jiǎn)化了機(jī)艙設(shè)計(jì)、降低了噪音，受到人們?nèi)找鎻V泛的關(guān)注。發(fā)電機(jī)側(cè)的整流變換器通常采用:(I) 二極管不控整流器附加斬波升壓(Boost)電路；(2)由全控器件構(gòu)成的脈寬調(diào)制(PWM)整流器。前者具有成本低、無(wú)位置傳感器及控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，僅需控制Boost電路中的功率開(kāi)關(guān)管，即可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)低諧波整流；但該方案要另外增加儲(chǔ)能電感，并且為了降低儲(chǔ)能電感中的電流紋波(電流紋波通過(guò)整流橋直接影響發(fā)電機(jī)的定子電流，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng))，通常需選取感值較大的升壓電感，勢(shì)必增加變換器的體積和成本。三相PWM整流方案不需要增加儲(chǔ)能電感，在當(dāng)今大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用較為廣泛。最常用的控制技術(shù)主要是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，兩種技術(shù)各有特點(diǎn)，但一般都需增加位置傳感器，由此降低了系統(tǒng)的可靠性并增加了系統(tǒng)成本。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的環(huán)境一般是非常嚴(yán)酷的，特別是近海風(fēng)場(chǎng)和海上風(fēng)場(chǎng)，鹽霧、高溫等因素都會(huì)增加傳感器故障的幾率，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組被迫退出運(yùn)行。因此，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)成為永磁同步發(fā)電機(jī)PWM研究的熱點(diǎn)，學(xué)者們陸續(xù)提出了基于推廣卡爾曼濾波器、全階狀態(tài)觀測(cè)器、參考自適應(yīng)系統(tǒng)、高頻注入法等的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法。單周期控制方案是20世紀(jì)90年代末，由美國(guó)加州大學(xué)的K.M.Smedley教授等人提出的一種功率因數(shù)校正方案，利用復(fù)位積分器使被控量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)跟蹤給定參考變化，從而將非線性開(kāi)關(guān)變換成線性開(kāi)關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)三相PWM整流器的解耦控制。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)，都能確保受控量的平均值跟蹤控制參考量，具有開(kāi)關(guān)頻率恒定、抗電源擾動(dòng)、響應(yīng)速度較快，易于實(shí)現(xiàn)，而且不涉及電源頻率和相位信息等特點(diǎn)。將靜止變流器中的單周期控制技術(shù)引入三相永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以電樞電感和漏感作為儲(chǔ)能電感，無(wú)需位置傳感器即可實(shí)現(xiàn)三相PWM整流。但該方案存在兩方面的問(wèn)題:(1)靜止變流器中，一定輸入電流紋波要求下，高頻開(kāi)關(guān)電源的儲(chǔ)能電感可以取較小的值，儲(chǔ)能電感兩端的電壓降近似為零，因此基波相移可忽略不計(jì)，即功率因數(shù)接近于I。而在直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)中，電樞電感包含繞組自感和互感，其值較大，基波相移忽略不計(jì)的條件已不再成立；(2)輕載運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能電感中的電流大小接近于零，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件無(wú)法滿足，電感電流會(huì)出現(xiàn)較大的失真甚至系統(tǒng)失控。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中三相PWM整流方法的上述不足，本發(fā)明提供一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法，具體步驟如下:
(1)利用單周期控制模塊計(jì)算得到三相全控橋的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)，結(jié)合負(fù)載上的直流母線電壓，構(gòu)造全控橋輸入電壓；
(2)采用低通濾波單元濾除全控橋輸入電壓中的高頻脈動(dòng)并產(chǎn)生所需的信號(hào)延時(shí)；
(3)將全控橋輸入電壓乘以適當(dāng)比例系數(shù)慫/TPv得到虛擬電流產(chǎn)生的等效壓降，與各相輸入電流采樣電阻上的壓降分別求和，作為最終的合成調(diào)制波。進(jìn)一步，中載與重載狀態(tài)下，通過(guò)注入虛擬電流實(shí)現(xiàn)對(duì)三相等效負(fù)載相位的調(diào)節(jié)，消除傳統(tǒng)單周期控制方案存在的基波相位差；輕載狀態(tài)下，通過(guò)注入虛擬電流提高合成調(diào)制波幅值，拓寬控制系統(tǒng)的工作范圍。進(jìn)一步，所述比例系數(shù)T s/7 v的確定依據(jù)為:以確保系統(tǒng)空載狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的比例系數(shù)慫/VPv為下限值；負(fù)載增加時(shí)，采用合適的搜索方法，尋求滿足電樞電流最小的比例系數(shù)慫/V v，由此實(shí)現(xiàn)低諧波高功率因數(shù)整流。進(jìn)一步，所述搜索方法采用爬山搜索法。本發(fā)明的有益效果是:
(1)傳統(tǒng)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整流方案，需要增加儲(chǔ)能電感，或需要安置位置傳感器(速度傳感器)，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。將靜止變流器中的單周期控制技術(shù)引入三相永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雖然不存在上述問(wèn)題，但存在基波相移和輕載失控現(xiàn)象；
(2)采用所提出的輸入電流采樣中注入相位可調(diào)的虛擬電流，從而改變等效負(fù)載的特性，易于實(shí)現(xiàn)；
(3)通過(guò)實(shí)施本發(fā)明技術(shù)后，中載與重載狀態(tài)下，可消除傳統(tǒng)單周期控制方案存在的基波相位差，輕載時(shí)還可顯著拓寬控制系統(tǒng)的工作范圍；
(4)利用單周期控制計(jì)算得到三相全控橋的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)，結(jié)合直流母線電壓，構(gòu)造全控橋輸入電壓并產(chǎn)生虛擬電流，無(wú)需交流電壓采樣通道，因此對(duì)裝置的成本和可靠性沒(méi)有不利影響。


圖1是本發(fā)明一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法的控制框 圖2是注入虛擬電流的單周期控制三相等效平均電路模型；
圖3是額定負(fù)載下改變比例系數(shù)對(duì)電樞電流影響的仿真波形 圖4是額定負(fù)載下的電樞電流和整流輸出電壓波形的仿真波形 圖5是額定負(fù)載下的電樞電流波形諧波分析的仿真波形 圖6是空載下的電樞電流和整流輸出電壓波形的仿真波形 圖7是空載下的電樞電流波形諧波分析的仿真波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法的控制框圖如圖1所示，包括直驅(qū)發(fā)電機(jī)、三相全控橋、負(fù)載、取樣電阻、單周期控制模塊、開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)、輸入電壓構(gòu)造模塊、各相求和模塊、比例系數(shù)慫/7 v、低通濾波單元。三相全控橋的輸入接直驅(qū)發(fā)電機(jī)，輸出接負(fù)載，其中直驅(qū)發(fā)電機(jī)為反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的永磁同步電機(jī)和混合勵(lì)磁同步電機(jī)。將電流傳感器采樣獲得的三相電樞電流在采樣電阻上的壓降慫Xi(aA。)和虛擬電流產(chǎn)生的等效壓降慫Xiv(aA。)在各相求和模塊疊加，并以此作為單周期控制模塊的調(diào)制波。單周期控制技術(shù)基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)控制原理，變換器在相鄰若干開(kāi)關(guān)周期內(nèi)近似為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的DC/DC變換器，配合輸出電壓反饋，將合成調(diào)制波與鋸齒波進(jìn)行比較，就能產(chǎn)生變換器開(kāi)關(guān)管的門(mén)極脈沖。圖2給出了三相等效平均電路模型，其中Vn為發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，4為發(fā)電機(jī)電樞電感，等效負(fù)載上的壓降I為
,式中n=a，b，c，Uic為整流得到的直流電壓，兄為輸入電流采樣電阻，/En為采樣
電流In與虛擬電流Zvn疊加得到的合成電流，Vw為鋸齒載波的幅值，Td為合成電流的相位角，A為發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的基波周期。發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)和電樞電感為確定值，電樞電流In的大小和相位完全由決定。未注入虛擬電流時(shí)，/En=/n，rD=o,等效負(fù)載呈純
電阻特性，其大小為,電樞電感和漏感導(dǎo)致Jn滯后于^。通過(guò)注入虛擬電流，控制Gn的
幅值和相位可對(duì)Ua超前In的相位進(jìn)行調(diào)整，使得等效負(fù)載呈適度的容性，以抵消電樞電感上的感性壓降，達(dá)到減小甚至完全消除基波相移角的目的。這正是提出通過(guò)注入虛擬電流改變負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)中載與重載狀態(tài)下滯后相位補(bǔ)償方案的依據(jù)。傳統(tǒng)單周期控制方案實(shí)現(xiàn)PWM整流的重要前提是電流連續(xù)，并且要求電流紋波足夠小，而輕載時(shí)電流紋波較大，甚至?xí)霈F(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。通過(guò)注入虛擬電流，/En的幅值得以提升，且容性等效負(fù)載與電樞電感的合成阻抗值變小，使得輕載(或空載)狀態(tài)的電樞電流/ 維持在較低值。這正是提出通過(guò)注入虛擬電流提升合成電流幅值，實(shí)現(xiàn)輕載(或空載)狀態(tài)的直流輸出電壓保持恒定，拓寬控制系統(tǒng)工作范圍的依據(jù)。將直流母線電壓Uic和單周期控制模塊產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)&，5；，Sc輸入電壓構(gòu)造模塊，依據(jù)下式即可得到整流器輸入側(cè)的高頻脈動(dòng)電壓KB0, Vco。
權(quán)利要求
1.一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法，具體步驟如下: (1)利用單周期控制模塊計(jì)算得到三相全控橋的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)，結(jié)合負(fù)載上的直流母線電壓，構(gòu)造全控橋輸入電壓； (2)采用低通濾波單元濾除全控橋輸入電壓中的高頻脈動(dòng)并產(chǎn)生所需的信號(hào)延時(shí)； (3)將全控橋輸入電壓乘以適當(dāng)比例系數(shù)得到虛擬電流產(chǎn)生的等效壓降，與各相輸入電流采樣電阻上的壓降分別求和，作為最終的合成調(diào)制波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法，其特征在于:中載與重載狀態(tài)下，通過(guò)注入虛擬電流實(shí)現(xiàn)對(duì)三相等效負(fù)載相位的調(diào)節(jié)，消除傳統(tǒng)單周期控制方案存在的基波相位差；輕載狀態(tài)下，通過(guò)注入虛擬電流提高合成調(diào)制波幅值，拓寬控制系統(tǒng)的工作范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法，其特征在于:所述比例系數(shù)的確定依據(jù)為:以確保系統(tǒng)空載狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的比例系數(shù)為下限值；負(fù)載增加時(shí)，采用合適的搜索方法，尋求滿足電樞電流最小的比例系數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)低諧波高功率因數(shù)整流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法，其特征在于:所述搜索方法為爬山搜索法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種注入虛擬電流的單周期控制三相PWM整流方法，通過(guò)注入虛擬電流，中載與重載狀態(tài)下，可消除傳統(tǒng)單周期控制方案存在的基波相位差，輕載時(shí)還可顯著拓寬控制系統(tǒng)的工作范圍。首先，利用單周期控制計(jì)算得到三相全控橋的開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)，結(jié)合負(fù)載上的直流母線電壓，構(gòu)造全控橋輸入電壓；其次，采用低通濾波單元濾除其中的高頻脈動(dòng)并產(chǎn)生所需的信號(hào)延時(shí)；再次，乘以適當(dāng)比例系數(shù)得到虛擬電流產(chǎn)生的等效壓降，與各相輸入電流采樣電阻上的壓降分別求和，作為最終的合成調(diào)制波。本發(fā)明所述控制方法無(wú)需位置傳感器(或鎖相環(huán))、坐標(biāo)變換以及交流電壓采樣通道，具有成本低，控制方法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M1/14GK103117663SQ201310078728
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者許澤剛, 謝少軍 申請(qǐng)人:常州工學(xué)院