基于d-q坐標(biāo)的單相PWM整流器的優(yōu)化控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單相PWM整流器的控制，尤其是一種基于d-q坐標(biāo)的優(yōu)化控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 單相PWM整流器，主要需要完成以下兩種控制目標(biāo)：第一，直流側(cè)電壓保持在允許 的偏差范圍內(nèi)；第二，交流側(cè)的功率因數(shù)接近于1或者-1，即單位功率因數(shù)控制。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)以上的兩種控制目標(biāo)，PWM整流器的控制系統(tǒng)廣泛采用以電壓為外環(huán)和 電流為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，目前主要使用的電流控制有瞬態(tài)電流控制，其本質(zhì)是擾動(dòng)量前饋 的電壓電流雙閉環(huán)控制。根據(jù)u ab (t) =Us (?)_ω LIcosot-P [Isino t_is(t)]得到如圖1 所示的控制框圖。其中P是比例調(diào)節(jié)器，L是變換器交流側(cè)連接電抗，ω是網(wǎng)側(cè)電壓角頻 率。該控制有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但這種控制策略不能提供系統(tǒng)需要的無(wú)功分量，即不能控制 其功率因數(shù)。另一種控制方案是基于d-q坐標(biāo)系的解耦控制，如圖2所示。其變換器端口 電壓在d軸的分量U d由三個(gè)分量組成，分別是單相交流電源電壓有效值U s、ω LIq及（R-Lp) Id;變換器端口電壓在q軸的分量Uq由兩個(gè)分量組成，分別是ω LIdP (R-Lp) I 其中L是 變換器交流側(cè)連接電抗，R是電感電阻，ω是網(wǎng)側(cè)電壓角頻率，該控制方法較為復(fù)雜，并且 計(jì)算過(guò)程包含微分算子，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍，控制器實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于d-q坐標(biāo)的單相PWM整流器的優(yōu)化控制方案，使之 在控制實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制及交流側(cè)的功率因數(shù)控制基礎(chǔ)上，使控制構(gòu)更加簡(jiǎn)單明 了、動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏，并且能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體方案是：
[0006] 基于d-q坐標(biāo)的單相PWM整流器的優(yōu)化控制，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán) 實(shí)現(xiàn)整流器電流的無(wú)功分量和功率因數(shù)控制，包含如下的步驟：
[0007] 1)通過(guò)單相鎖相環(huán)PLL，得到與電源電壓同相位的正弦信號(hào)Sii^s及反相位的余 弦信號(hào)，再根據(jù)基于單相電路瞬時(shí)功率的有功無(wú)功電流檢測(cè)方法檢測(cè)出的交流電流 中有功在d軸的直流分量、和交流電流中的無(wú)功在q軸的直流分量I
[0008] 2)電壓外環(huán)控制：將電容電壓實(shí)際值Vd與給定值Vd*之差經(jīng)過(guò)比例微分控制器 (PIl)后，得到交流電流中有功分量的參考值I dref;
[0009] 3)電流內(nèi)環(huán)控制：根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型
[0010] Ud= -OLI q (7)
[0011] Uq=WLId (8)
[0012] 將Idrrf與Id之差經(jīng)過(guò)比例微分控制器（PI2)計(jì)算后，作為變換器端口電壓在q軸 上的分量Uq;平行地，將I 與I ,之差經(jīng)過(guò)比例微分控制器（PI3)計(jì)算，再乘以-1后作為 變換器端口電壓在d軸上的分量Ud;
[0013] 4)將3)步驟得到的UJPUtl與1)步驟得到的正弦信號(hào)sin代和余弦信號(hào)cos代分 別相乘，將二乘積之和作為單相整流器控制的正弦調(diào)制波，在所選擇的調(diào)制方式下可得到 控制變換器開(kāi)關(guān)管通斷的開(kāi)關(guān)信號(hào)（PWMs)。
[0014] 本發(fā)明在傳統(tǒng)的單相d_q解耦控制的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了單相整流器的數(shù)學(xué)模型，變 換器的端口電壓在d，q坐標(biāo)系上的分量U d，Uq分別僅由一個(gè)分量組成，且采用有功無(wú)功交 叉控制。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是：
[0016] 1、相對(duì)于傳統(tǒng)的d_q解耦控制，本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單明了，易于控制器的 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間更短。
[0017] 2、相對(duì)于瞬態(tài)電流控制方法，本發(fā)明可以控制整流器電流的無(wú)功分量，易于實(shí)現(xiàn) 任意功率因數(shù)控制。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是傳統(tǒng)的瞬態(tài)電流控制框圖；
[0019] 圖2是傳統(tǒng)的d_q解耦控制框圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明提出的優(yōu)化后的d_q控制框圖；
[0021] 圖4是單相PWM整流器的結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 圖3是本發(fā)明提出的基于d-q坐標(biāo)的單相PWM整流器的優(yōu)化控制。具體分為兩個(gè) 部分：優(yōu)化后的d_q控制的數(shù)學(xué)模型、有功電流和無(wú)功電流的檢測(cè)。1、優(yōu)化后的d-q解耦 控制的數(shù)學(xué)模型
[0024] 對(duì)圖4所示的整流器采用基爾霍夫電壓定律，可得：
[0025] uab (t) = us(t)-Ris(t)-Ldis/dt (4)
[0026] 其中，Uab是交流端口電壓，u s是單相電源電壓，L是交流側(cè)連接電感，R是電感內(nèi) 阻。
[0027] 將式（1)-⑶帶入式⑷中，可得整流器在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：
[0028] Ud= Us-QLIq-(R-Lp)Id (5)
[0029] Uq=QLId-(R-Lp)Iq (6)
[0030] 其中，p是微分算子。
[0031] 式（5)、（6)是現(xiàn)有d-q控制的數(shù)學(xué)模型，其因由三個(gè)分量組成，較為復(fù)雜，且含有 微分算子，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍，控制器實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜等缺點(diǎn)。由于其中電壓有效值分 量1為常數(shù)，可等效為比例微分控制器（PI)的一個(gè)初始值；而（R-Lp) Id分量值相對(duì)于其他 通道值很小，也可通過(guò)調(diào)節(jié)比例微分控制器（PI)來(lái)達(dá)到其效果。故而，提出優(yōu)化的d-q控 制，其數(shù)學(xué)模型為：
[0032] Ud=-QLIq (7)
[0033] Uq= c〇LId (8)
[0034] 由式（7)、（8)可知，變換器端口電壓在d軸上的分量?jī)H與交流電流中的有功在q 軸的直流分量Iq有關(guān)，端口電壓在q軸上的分量?jī)H與交流電流中的有功在d軸的直流分量 Id有關(guān)，優(yōu)化了控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功交叉控制。
[0035] 2、有功電流和無(wú)功電流的檢測(cè)
[0036] 本發(fā)明引入了一種單相有功無(wú)功電流的檢測(cè)方法，即基于單相電路瞬時(shí)功率的單 相有功無(wú)功電流檢測(cè)。其中單相PWM整流器中電壓電流方向如圖4所示。
[0037] 將整流器交流電流表示為：
[0038] is (t) = id(t)+iq(t)+ih(t) = Issin(〇t) (9)
[0039] 其中：
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于d_q坐標(biāo)的單相PWM整流器的優(yōu)化控制，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)實(shí) 現(xiàn)整流器電流的無(wú)功分量和功率因數(shù)控制，包含如下的步驟： 1) 通過(guò)單相鎖相環(huán)PLL，得到與電源電壓同相位的正弦信號(hào)sin代及反相位的余弦信號(hào) cos代，再根據(jù)基于單相電路瞬時(shí)功率的有功無(wú)功電流檢測(cè)方法檢測(cè)出的交流電流中有功 在d軸的直流分量^和交流電流中的無(wú)功在q軸的直流分量Iq; 2) 電壓外環(huán)控制：將電容電壓實(shí)際值^與給定值vd*之差經(jīng)過(guò)比例微分控制器（PI1) 后，得到交流電流中有功分量的參考值IdMf; 3) 電流內(nèi)環(huán)控制：根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型 Ud=_?LIq (7) Uq=d (8) 將IdMf與Id之差經(jīng)過(guò)比例微分控制器（PI2)計(jì)算后，作為變換器端口電壓在q軸上的 分量Uq;平行地，將I_與Iq之差經(jīng)過(guò)比例微分控制器（PI3)計(jì)算，再乘以-1后作為變換 器端口電壓在d軸上的分量Ud; 4) 將3)步驟得到的Ud和1與1)步驟得到的正弦信號(hào)sin代和余弦信號(hào)cos&分別相 乘，將二乘積之和作為單相整流器控制的正弦調(diào)制波，在所選擇的調(diào)制方式下可得到控制 變換器開(kāi)關(guān)管通斷的開(kāi)關(guān)信號(hào)（PWMs)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于d-q坐標(biāo)的單相PWM整流器的優(yōu)化控制方法，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)整流器電流的無(wú)功分量和功率因數(shù)控制，在傳統(tǒng)的單相d-q解耦控制的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了單相整流器的數(shù)學(xué)模型，變換器的端口電壓在d，q坐標(biāo)系上的分量Ud，Uq分別僅由一個(gè)分量組成，且采用有功無(wú)功交叉控制。相對(duì)于傳統(tǒng)的d-q解耦控制，本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單明了，易于控制器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間更短，可以控制整流器電流的無(wú)功分量，易于實(shí)現(xiàn)任意功率因數(shù)控制。
【IPC分類(lèi)】H02J5-00, H02M1-42, H02M7-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104779648
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510136650
【發(fā)明人】舒澤亮, 宋莎莎, 林靜英, 陳亞軍, 何曉瓊
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月26日