本發(fā)明涉及一種適用于三相三電平三開關(guān)(Vienna)整流器的輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化控制方法,屬于電能變換領(lǐng)域。
背景技術(shù):
隨著全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重及能源日益緊缺,電動(dòng)汽車、多電飛機(jī)等領(lǐng)域得到飛速發(fā)展,大功率充電及用電設(shè)備需求急速增長(zhǎng)。三相有源功率因數(shù)校正PWM整流器廣泛應(yīng)用于大功率設(shè)備中,用于降低設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。其中三相三電平三開關(guān)(Vienna)整流器具有高效率、低諧波含量的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域中。
Vienna整流器有多種控制方式,其中傳統(tǒng)的平均模式控制方式也叫電壓電流雙環(huán)控制。電壓外環(huán)用于控制輸出電壓穩(wěn)定,誤差補(bǔ)償器的輸出信號(hào)與輸入電壓信號(hào)相乘,作為電流內(nèi)環(huán)的參考信號(hào);電流內(nèi)環(huán)用于控制輸入電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓波形,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。通常電流內(nèi)環(huán)帶寬設(shè)計(jì)得很高,確保輸入電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓,而電壓外環(huán)帶寬設(shè)計(jì)得很慢,往往低于工頻,防止電壓外環(huán)對(duì)電流內(nèi)環(huán)產(chǎn)生高頻干擾,影響輸入電流波形。
由于電壓環(huán)路帶寬極低,當(dāng)負(fù)載跳變時(shí),控制器難以快速響應(yīng),在較長(zhǎng)的瞬態(tài)階段中,輸入輸出瞬時(shí)功率的不平衡由輸出電容承擔(dān),導(dǎo)致輸出電壓大大偏離參考值。因此當(dāng)加載或卸載的幅度很大時(shí),輸出電壓也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的跌落和過沖,由于Vienna整流器通常作為大功率設(shè)備的前級(jí),為后級(jí)提供相對(duì)穩(wěn)定的母線直流電壓,而母線直流電壓瞬態(tài)的大幅波動(dòng)有可能影響后級(jí)變換器的正常工作,因此需要對(duì)Vienna整流器的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行優(yōu)化。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)Vienna整流器的輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化,解決負(fù)載突然跳變時(shí)輸出電壓嚴(yán)重過沖或跌落的問題。由于Vienna整流器通常作為AC-DC供電設(shè)備的前級(jí),當(dāng)負(fù)載突然跳變時(shí),如果前級(jí)輸出電壓即母線電壓有嚴(yán)重過沖或跌落,可能會(huì)影響后級(jí)正常工作。本發(fā)明提供了一種通過負(fù)載前饋補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制方法來(lái)解決負(fù)載跳變時(shí)輸出電壓嚴(yán)重過沖或跌落的問題。
本發(fā)明通過以下方案實(shí)施:
一種適用于Vienna整流器的輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化控制,該控制方法包括以下步驟;
1)數(shù)字控制器采樣三相輸入電壓信號(hào)ua、ub和uc,三相輸入電流信號(hào)ia、ib和ic,輸出電壓信號(hào)uo和輸出電流信號(hào)Io,初始化設(shè)置輸出電壓參考值Uo*,穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)Io1;
2)輸出電壓參考值Uo*減去輸出電壓信號(hào)uo得到輸出電壓誤差信號(hào),該輸出電壓誤差信號(hào)經(jīng)過電壓環(huán)比例-積分補(bǔ)償器運(yùn)算,得到電壓環(huán)補(bǔ)償輸出信號(hào)vm0;
3)將輸出電流信號(hào)Io送入負(fù)載跳變檢測(cè)單元,由負(fù)載跳變檢測(cè)算法判定負(fù)載跳變時(shí)刻,將負(fù)載跳變標(biāo)志位置為“1”;
4)當(dāng)負(fù)載跳變標(biāo)志位置為“1”時(shí),由負(fù)載前饋計(jì)算單元得到當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào),將電壓環(huán)比例-積分補(bǔ)償器輸出清零;當(dāng)負(fù)載跳變標(biāo)志位置為“0”時(shí),取上次負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)作為當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào);
5)將電壓環(huán)補(bǔ)償輸出信號(hào)vm0與當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)相加,得到電壓環(huán)最終輸出信號(hào)vm;
6)將步驟5所得電壓環(huán)最終輸出信號(hào)vm與三相輸入電壓采樣信號(hào)ua、ub和uc分別相乘,得到三相輸入電流參考信號(hào)ia*、ib*和ic*;
7)三相輸入電流參考信號(hào)ia*、ib*和ic*對(duì)應(yīng)減去各相輸入電流采樣信號(hào)ia、ib和ic,得到各相電流誤差信號(hào),各相電流誤差信號(hào)再經(jīng)過電流環(huán)比例-積分補(bǔ)償器運(yùn)算得到三相占空比;
8)將三相占空比輸入數(shù)字控制器的脈沖寬度調(diào)制解調(diào)器,得到三相PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于:
其中,步驟3)中負(fù)載跳變檢測(cè)算法的具體步驟如下:
1)負(fù)載跳變標(biāo)志位清零;
2)獲取上述輸出電流信號(hào)Io,與上述穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)Io1作差,判斷二者差值的絕對(duì)值是否大于預(yù)設(shè)閾值Ihys;
3)當(dāng)大于預(yù)設(shè)閾值Ihys時(shí),將負(fù)載跳變標(biāo)志位置為“1”,并將輸出電流信號(hào)送給負(fù)載前饋計(jì)算單元,將Io賦給Io1作為新的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流值,并將負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器清零;
當(dāng)小于預(yù)設(shè)閾值Ihys時(shí),負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器加1,直到負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)大于預(yù)設(shè)值后,將Io賦給Io1作為新的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流值,并將負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器清零。
其中,步驟3)中負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器用于計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)預(yù)設(shè)值代表在無(wú)負(fù)載跳變時(shí)穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)Io1更新時(shí)間間隔,該時(shí)間間隔可以取值等于100個(gè)開關(guān)周期。
其中,步驟4)中計(jì)算得到負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)vff的過程如下:按下式計(jì)算負(fù)載前饋:
其中Up是輸入相電壓峰值,Uo*是輸出電壓參考值。
其中,通過峰值電壓采樣算法得到Up過程如下:
1)初始化變量Umax為0,當(dāng)每個(gè)開關(guān)周期采樣得到的ua大于Umax時(shí),將ua賦值給Umax,并將定時(shí)計(jì)數(shù)器加1;
2)重復(fù)步驟1),當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到1個(gè)工頻周期時(shí),將Umax賦值給Up,并將定時(shí)計(jì)數(shù)器清0;
3)重復(fù)步驟1)和2)。
三相三電平三開關(guān)整流器的硬件電路拓?fù)渲饕呻娫础⒘鶄€(gè)快速恢復(fù)二極管、三個(gè)升壓電感、三個(gè)雙向功率開關(guān)、二組輸出電容以及負(fù)載構(gòu)成。
本發(fā)明中,關(guān)于利用公式(1)可實(shí)現(xiàn)變換器在負(fù)載跳變情況下通過前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化的依據(jù)說(shuō)明:
(a).當(dāng)變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí),輸入功率因數(shù)近似等于1,輸入電壓與輸入電流成正比,可設(shè)
uj=ij·Re (2)
其中j=a,b,c;
(b).根據(jù)控制框圖,穩(wěn)態(tài)時(shí)三相輸入電流值與輸入電壓有如下關(guān)系
ij=uj·vm (3)
將(2)(3)聯(lián)立可以得到
(c).根據(jù)輸入輸出功率平衡的關(guān)系,由(5)(6)可以推導(dǎo)得到(7)
Po=Uo·Io (6)
(d).將(7)代入(4)可以得到電壓環(huán)補(bǔ)償結(jié)果的表達(dá)式
因此當(dāng)負(fù)載跳變時(shí),對(duì)電壓環(huán)輸出進(jìn)行前饋補(bǔ)償,可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電壓環(huán)補(bǔ)償結(jié)果,大大縮短了電壓環(huán)控制的瞬態(tài)過程,優(yōu)化了輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
1、本發(fā)明優(yōu)化控制方法主要包括各電氣信號(hào)采樣、電壓誤差補(bǔ)償器、負(fù)載跳變判定、負(fù)載前饋補(bǔ)償計(jì)算、電流誤差補(bǔ)償器以及PWM信號(hào)的生成,實(shí)現(xiàn)負(fù)載前饋控制,優(yōu)化輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
2、本發(fā)明對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行采樣,當(dāng)負(fù)載波動(dòng)小于預(yù)設(shè)的固定值保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí),不進(jìn)行前饋補(bǔ)償計(jì)算,輸出電壓完全通過傳統(tǒng)電壓環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)負(fù)載跳變時(shí),通過負(fù)載跳變判定和前饋補(bǔ)償計(jì)算,對(duì)傳統(tǒng)電壓環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償,保持了傳統(tǒng)控制策略中的雙環(huán)控制,并有效實(shí)現(xiàn)了輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)化。
3、本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化,而且保持了穩(wěn)態(tài)下傳統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制,對(duì)穩(wěn)態(tài)輸入電流波形沒有影響,適用于Vienna整流器。
附圖說(shuō)明
圖1-1是本發(fā)明的Vienna整流器電路原理圖;
圖1-2是本發(fā)明的控制策略框圖;
圖2是本發(fā)明的負(fù)載跳變檢測(cè)算法流程圖;
圖3是TMS320F2808數(shù)字控制器控制流程圖;
圖4-1~圖4-4是采用3kW Vienna樣機(jī)驗(yàn)證本發(fā)明效果的實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比圖,
其中圖4-1和圖4-2分別是傳統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制策略的加載與卸載波形圖;
圖4-3和4-4分別是采用本發(fā)明控制方法的加載與卸載波形圖。
上述圖中的主要符號(hào)名稱:j=a,b,c;ua,ub,uc—變換器三相輸入電壓;La,Lb,Lc—變換器三相輸入電感;ia,ib,ic—變換器三相電感電流;Sa,Sb,Sc—變換器三相開關(guān)單元;Io—負(fù)載電流;uo—輸出電壓;RL—負(fù)載電阻;Rs—負(fù)載電流采樣電阻;Uo*—輸出電壓參考值;Up—輸入電壓峰值;vff—當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào);vm0—電壓環(huán)PI補(bǔ)償信號(hào);vm—電壓環(huán)最終補(bǔ)償信號(hào);PWMj—三相PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào);Ihys—負(fù)載跳變閾值。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一:
圖1-1為本發(fā)明的控制策略框圖,本發(fā)明Vienna整流器的硬件電路拓?fù)淙鐖D1-2,主要由電源、六個(gè)快速恢復(fù)二極管、三個(gè)升壓電感、三個(gè)雙向功率開關(guān)、二組輸出電容以及負(fù)載構(gòu)成,還配置有DSP數(shù)字控制器。
圖2所示為本發(fā)明的控制策略框圖及負(fù)載跳變檢測(cè)算法,本例中變換器開關(guān)頻率和控制器采樣頻率均為250kHz,本實(shí)例適用于輸入電壓三相平衡情況,對(duì)于輸入電壓三相不平衡情況可采用現(xiàn)有方法進(jìn)行控制。
本發(fā)明的負(fù)載跳變檢測(cè)算法流程如下:
1)首先DSP數(shù)字控制器采樣三相輸入電壓信號(hào)ua、ub和uc、三相輸入電流信號(hào)ia、ib和ic、輸出電壓信號(hào)uo、輸出電流信號(hào)Io,初始化設(shè)置輸出電壓參考值Uo*為輸出電壓控制目標(biāo)值、穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)Io1為0。
2)輸出電壓參考值Uo*減去輸出電壓信號(hào)uo得到輸出電壓誤差信號(hào),該輸出電壓誤差信號(hào)經(jīng)過比例-積分補(bǔ)償器運(yùn)算,得到電壓環(huán)補(bǔ)償輸出信號(hào)vm0。
3)本例中將預(yù)設(shè)閾值Ihys設(shè)置為滿載下負(fù)載電流的5%,穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值為100。當(dāng)輸出電流信號(hào)Io與穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)Io1差值的絕對(duì)值小于Ihys時(shí),負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器加1,直到穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)大于預(yù)設(shè)值100后,將Io賦給Io1作為新的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)。因此當(dāng)負(fù)載電流波動(dòng)小于滿載下負(fù)載電流的5%時(shí)不會(huì)被判定為跳變狀態(tài),且這種控制算法在無(wú)負(fù)載跳變情況下仍會(huì)每100個(gè)開關(guān)周期對(duì)穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行一次更新,這樣可以避免負(fù)載跳變檢測(cè)對(duì)輸出電流的低頻小波動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)。該預(yù)設(shè)閾值Ihys及計(jì)數(shù)器預(yù)設(shè)值也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更改。
當(dāng)輸出電流信號(hào)Io與穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào)Io1差值的絕對(duì)值大于預(yù)設(shè)閾值Ihys時(shí),負(fù)載跳變標(biāo)志位置為1,即當(dāng)負(fù)載電流瞬態(tài)變化值超過滿載下負(fù)載電流的5%時(shí),判定為負(fù)載跳變狀態(tài)。同時(shí)將負(fù)載電流采樣值送給負(fù)載前饋計(jì)算單元,
并將Io賦給Io1作為新的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流信號(hào),然后將負(fù)載穩(wěn)態(tài)計(jì)數(shù)器清零。
4)當(dāng)負(fù)載跳變標(biāo)志位為1時(shí),進(jìn)行負(fù)載前饋計(jì)算:
其中Up是輸入相電壓峰值,Uo*是輸出電壓參考值。
通過峰值電壓采樣算法得到Up過程如下:
1)初始化變量Umax為0,當(dāng)每個(gè)開關(guān)周期采樣得到的ua大于Umax時(shí),將ua賦值給Umax,并將定時(shí)計(jì)數(shù)器加1;
2)重復(fù)步驟1),當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到1個(gè)工頻周期時(shí),將Umax賦值給Up,并將定時(shí)計(jì)數(shù)器清零;
3)重復(fù)步驟1)和2)。
實(shí)施例二:
本發(fā)明Vienna整流器的輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化控制方法如下:
Vienna整流器的硬件電路拓?fù)淙鐖D1-1,本實(shí)例適用于輸入電壓三相平衡情況。
本發(fā)明采用DSP數(shù)字控制器(TMS320F2808)的控制過程如圖3所示:
1)DSP數(shù)字控制器的ADC采樣模塊和ePWM模塊初始化,并初始化設(shè)置輸出電壓參考值Uo*為輸出電壓控制目標(biāo)值,穩(wěn)態(tài)輸出電流信號(hào)為0,三相占空比da=0,db=0,dc=0。
2)DSP數(shù)字控制器進(jìn)入ADC中斷程序,進(jìn)行ADC采樣,采集三相輸入電壓信號(hào)ua、ub和uc、三相輸入電流信號(hào)ia、ib和ic、輸出電壓信號(hào)uo、輸出電流信號(hào)Io。
3)進(jìn)行電壓環(huán)比例-積分補(bǔ)償運(yùn)算:
vm0=v′m0+Kp_u·(erruo-err′uo)+Ki_u·erruo (10)
其中Kp_u,Ki_u分別是電壓環(huán)PI補(bǔ)償器的比例系數(shù)、積分系數(shù),可通過實(shí)驗(yàn)試湊法取值,erruo是本周期輸出電壓值與輸出電壓參考值的誤差,err′uo是前一周期輸出電壓值與輸出電壓參考值的誤差,vm0是本周期電壓環(huán)PI補(bǔ)償器計(jì)算結(jié)果,v′m0是前一周期電壓環(huán)PI補(bǔ)償器計(jì)算結(jié)果。
4)執(zhí)行負(fù)載跳變檢測(cè)算法,當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載跳變時(shí),負(fù)載跳變標(biāo)志位為“1”。
當(dāng)負(fù)載跳變標(biāo)志位為“1”時(shí),電壓環(huán)比例-積分補(bǔ)償運(yùn)算結(jié)果立刻清零,并進(jìn)行前饋補(bǔ)償計(jì)算得到當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)vff:
將電壓環(huán)比例-積分補(bǔ)償運(yùn)算結(jié)果(此刻為0)與當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)相加,作為電壓環(huán)補(bǔ)償器的最終計(jì)算結(jié)果vm。
當(dāng)負(fù)載跳變標(biāo)志位為“0”時(shí),取上次(或上一時(shí)刻)計(jì)算得到的負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)作為當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)vff;將電壓環(huán)比例-積分補(bǔ)償運(yùn)算結(jié)果與當(dāng)前負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)vff相加,作為電壓環(huán)補(bǔ)償器的最終計(jì)算結(jié)果vm。
5)將電壓環(huán)補(bǔ)償器最終計(jì)算結(jié)果vm分別與三相輸入電壓信號(hào)ua、ub和uc相乘,得到三相電流參考值ia*、ib*和ic*,然后分別進(jìn)行三相電流環(huán)比例-積分補(bǔ)償運(yùn)算:
vdj=v′dj+Kp_i·(errij-err′ij)+Ki_u·errij (11)
其中j=a,b,c,Kp_i,Ki_i分別是電流環(huán)PI補(bǔ)償器的比例系數(shù)和積分系數(shù),可通過實(shí)驗(yàn)試湊法取值,errij是本周期j相電流值與j相電流值參考值的誤差,err′ij是前一周期j相電流值與j相電流值參考值的誤差,vdj是本周期j相電流環(huán)PI補(bǔ)償器計(jì)算結(jié)果,v′dj是前一周期j相電流環(huán)PI補(bǔ)償器計(jì)算結(jié)果。
6)將三相電流環(huán)補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果vdj送入DSP數(shù)字控制器的ePWM模塊中,得到三相PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMj,從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載前饋補(bǔ)償控制策略,在保持穩(wěn)態(tài)下傳統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制的同時(shí),優(yōu)化了輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
7)重復(fù)步驟2)~6)
測(cè)試實(shí)例:
測(cè)試條件:輸入三相線電壓165V/50Hz,采用Chroma 61512三相可編程交流電源進(jìn)行供電;輸出電壓360V,負(fù)載采用大功率電阻箱,額定最大輸出功率3kW;測(cè)試示波器型號(hào)為泰克MDO3014。
三相三電平三開關(guān)整流器的硬件電路參數(shù)如下:三相升壓電感各90μH,輸出側(cè)上下2組母線電容分別由3個(gè)450V/150μF鋁電解電容并聯(lián)構(gòu)成,整流二極管型號(hào)為BYC10D-600,功率開關(guān)管選用MOSFET型號(hào)為IRFB4137PbF,開關(guān)頻率250kHz。
圖4-1~圖4-4是采用3kW三相三電平三開關(guān)Vienna整流器驗(yàn)證本發(fā)明效果的實(shí)驗(yàn)的波形對(duì)比圖。
其中圖4-1和圖4-2分別是采用傳統(tǒng)電壓電流雙環(huán)控制策略時(shí)的加載與卸載波形圖,此時(shí)負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)等于0;
圖4-3和4-4分別是采用本發(fā)明控制方法的加載與卸載波形圖,在傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了負(fù)載前饋補(bǔ)償信號(hào)對(duì)電壓環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。
從圖形對(duì)比中可以看出,在采用本發(fā)明的控制方法前,負(fù)載從2.1kW跳變到3kW時(shí),輸出電壓跌落值達(dá)到60V;負(fù)載從3kW跳變到2.1kW時(shí),輸出電壓過沖值達(dá)到70V。在采用本發(fā)明的控制方法后,輸出電壓的跌落和過沖幾乎為0,可以證明采用本發(fā)明的控制方法之后變換器的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到極大優(yōu)化,可以有效解決負(fù)載跳變?cè)斐傻腣ienna整流器輸出電壓過沖或跌落。同時(shí)從圖形中可以看出,采用本發(fā)明的控制方法對(duì)輸入電流波形沒有任何影響。