專利名稱：兩相逆變電源系統(tǒng)及其綜合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩相逆變電源系統(tǒng)及其綜合控制方法。
背景技術(shù)：
在工業(yè)和居民用電中，用電負(fù)荷大多為三相負(fù)載和單相負(fù)載。但在一些特殊的工業(yè)場(chǎng)合，存在兩相負(fù)荷。例如，在冶金連鑄行業(yè)中，冶金連鑄電磁攪拌器需要兩相低頻正交電源供給勵(lì)磁；單相異步電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)正交的定子繞組，也需要兩相電源勵(lì)磁。兩相電源所作用的兩相電機(jī)在應(yīng)用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制時(shí)，由于其定子兩相繞組自然正交，所以與三相電機(jī)應(yīng)用矢量控制相比，它減少了一個(gè)從三相坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換，減少了計(jì)算量， 從理論上說(shuō)，還可以提高控制的精度。因此，兩相逆變電源在工業(yè)應(yīng)用中的需求使其受到重視和研究，并得到應(yīng)用。目前兩相逆變電源有兩種技術(shù)方案。一種是采用一個(gè)不可控整流橋和兩個(gè)單相逆變橋及其輸出電感構(gòu)成的兩相逆變電源。兩單相逆變橋均含有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)輸出電感，并共用直流側(cè)電容。該兩相電源中兩單相逆變橋采取電流跟蹤控制使兩單相逆變器輸出期望電流。該逆變電源結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是逆變器中含有8個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，硬件成本較高， 電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低。另一種技術(shù)方案是采用一個(gè)不可控整流橋和一個(gè)三橋臂逆變橋構(gòu)成兩相逆變電源系統(tǒng)。該兩相逆變電源由一個(gè)三相不可控整流橋、一個(gè)三相逆變器和兩個(gè)輸出電感組成。三相逆變器中兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)經(jīng)輸出電感與兩單相負(fù)載連接，第三橋臂的中點(diǎn)作為地，與單相負(fù)載地線連接。該方案中三相逆變器的三線電流輸出采取電流跟蹤控制方法實(shí)現(xiàn)三相逆變器輸出期望電流。該結(jié)構(gòu)與由兩個(gè)單相電源構(gòu)成的兩相逆變電源相比，功率開(kāi)關(guān)器件減少到6個(gè)，硬件成本有所降低。但一般情況下，作為地線的橋臂中兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的電流等級(jí)要高于其他兩橋臂的功率開(kāi)關(guān)管。電網(wǎng)側(cè)電流功率因數(shù)低，諧波含量大的缺點(diǎn)仍然沒(méi)有克服。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種結(jié)構(gòu)更精簡(jiǎn)、成本低和可靠性高的兩相逆變電源系統(tǒng)以及一種適用于該兩相逆變電源系統(tǒng)的綜合控制方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種兩相逆變電源系統(tǒng)，包括一個(gè)三相PWM整流器、一個(gè)兩相逆變器和兩個(gè)輸出濾波電感，所述三相PWM整流器為含有6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的三橋臂整流橋，與電網(wǎng)側(cè)三相電源連接；所述兩相逆變器由兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容和含有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的兩相逆變橋并聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容與三相PWM整流器的直流側(cè)連接，兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容的公共連接點(diǎn)為兩相逆變器的輸出地線，兩相逆變橋的輸出經(jīng)通過(guò)兩個(gè)輸出電感與單相負(fù)載連接。本發(fā)明還提出了一種兩相電源的綜合控制方法，包括以下方面
1)三相PWM整流器采用直流電壓外環(huán)，電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定和保證三相電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為1 ；2)兩相逆變器采取直流均壓外環(huán)，逆變輸出電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，使得逆變器輸出參考指令電流。三相PWM整流器直流電壓外環(huán)、電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略包括以下步驟
1)檢測(cè)兩串聯(lián)直流電容的總電壓，與參考直流電壓作差，得到直流側(cè)電壓控制誤差；
2)直流側(cè)電壓控制誤差經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器后，得到電網(wǎng)側(cè)有功電流幅值；
3)電網(wǎng)側(cè)有功電流幅值乘以由鎖相環(huán)得到的三相電網(wǎng)電壓?jiǎn)挝煌叫盘?hào)，作為電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的三相電流參考指令；
4)電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)三相電流參考指令減去檢測(cè)到的實(shí)際三相電網(wǎng)側(cè)電流，得到電網(wǎng)側(cè)三相電流跟蹤控制誤差；
5)電網(wǎng)側(cè)三相電流跟蹤控制誤差送比例積分調(diào)節(jié)器后，得到調(diào)制波信號(hào)；
6)調(diào)制波信號(hào)經(jīng)三角載波脈寬調(diào)制，得到PWM整流器各開(kāi)關(guān)管的控制脈沖。兩相電源中兩相逆變器采取直流均壓外環(huán)，逆變輸出電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略包括以下步驟
1)分別檢測(cè)兩串聯(lián)直流電容各自的直流電壓，將兩直流電容電壓作差得到兩直流電容均壓誤差；
2)兩直流電容均壓誤差經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器得到直流電流偏置量；
3)直流電流偏置量分別與預(yù)先設(shè)定的兩相逆變器的輸出電流參考指令相加，得到兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令；
4)兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令減去檢測(cè)到的兩相逆變器實(shí)際輸出電流，得到兩相逆變器的電流跟蹤誤差；
5)兩相逆變器的電流跟蹤誤差送比例積分調(diào)節(jié)器后，得到兩相逆變器的脈寬調(diào)制信
號(hào)；
6)兩相逆變器的脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)三角載波調(diào)制后，得到兩相逆變器各開(kāi)關(guān)管的脈寬控制信號(hào)。本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明采用三相PWM整流器獲得直流側(cè)電壓，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)，減少能量的損耗；同時(shí)本發(fā)明的兩相逆變器只包含4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管與傳統(tǒng)的兩相逆變電源相比要少一個(gè)開(kāi)關(guān)臂，使兩相電源的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本大幅度降低，并提高了系統(tǒng)的可靠性；PWM整流器采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓高精度的控制和電網(wǎng)側(cè)電流的高功率因數(shù)控制；直流側(cè)兩串聯(lián)電容的均壓外環(huán)控制和輸出電流內(nèi)環(huán)控制構(gòu)成的雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的快速跟蹤和兩個(gè)直流側(cè)電容的均壓。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中兩種兩相逆變電源系統(tǒng)(a)不可控整流橋和兩個(gè)單相逆變橋及其輸出電感構(gòu)成的兩相逆變電源系統(tǒng)；(b)不可控整流橋和一個(gè)三橋臂逆變橋構(gòu)成兩相逆變電源系統(tǒng)； 圖2為本發(fā)明兩相逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明三相PWM整流器電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制框圖；圖4為本發(fā)明兩相逆變器直流側(cè)電容均壓外環(huán)，輸出電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制框圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1 (a)，為現(xiàn)有技術(shù)中兩種逆變電源系統(tǒng)圖。其中，圖1 (a)為采用一個(gè)不可控整流橋和兩個(gè)單相逆變橋及其輸出電感構(gòu)成的兩相逆變電源。不可控整流橋含有6個(gè)二極管和一個(gè)直流電容，通過(guò)二極管整流為兩單相逆變橋提供直流電壓。兩單相逆變橋分別含有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)輸出電感，并共用直流側(cè)電容。兩單相逆變橋可以輸出參考指令信號(hào)的兩單相電流供給兩單相負(fù)載。該逆變電源結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是逆變器中功率開(kāi)關(guān)器件較多，電網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低。圖1 (b)為采用一個(gè)不可控整流橋和一個(gè)三橋臂逆變橋構(gòu)成的兩相逆變電源系統(tǒng)圖。該兩相逆變電源由一個(gè)三相不可控整流橋、一個(gè)三相逆變器和兩個(gè)輸出電感組成。三相逆變器中兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)經(jīng)輸出電感與兩單相負(fù)載連接，第三橋臂的中點(diǎn)作為地，與單相負(fù)載地線連接。該結(jié)構(gòu)與由兩個(gè)單相電源構(gòu)成的兩相逆變電源相比，功率器件減少2個(gè)， 成本有所降低。但一般情況下，作為地線的橋臂中兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的功率等級(jí)要高于其他兩橋臂的功率開(kāi)關(guān)管。電網(wǎng)側(cè)電流功率因數(shù)低，諧波含量大的缺點(diǎn)仍然沒(méi)有克服。參見(jiàn)圖2，為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)三相PWM整流器、一個(gè)兩相逆變器和兩個(gè)輸出濾波電感。所述PWM整流器為含有6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的三橋臂整流橋，與電網(wǎng)側(cè)三相電源連接；其特征在于，所述兩相逆變器由兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容(
C1 , Ci2)和含有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的兩相逆變橋構(gòu)成，兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容與脈寬調(diào)制
整流器的直流側(cè)連接，且兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容的公共連接點(diǎn)作為兩相逆變器的輸出地
線，兩相逆變橋的輸出經(jīng)兩個(gè)輸出電感(4 , 4 )供給兩單相負(fù)載。本發(fā)明與傳統(tǒng)兩種兩相逆變電源相比，采用三相PWM整流器替代了不可控整流器，保證了電網(wǎng)側(cè)電流高功率因數(shù)和低諧波的高電能質(zhì)量；兩相逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)一步減少到4個(gè)，結(jié)構(gòu)更精簡(jiǎn)，降低了硬件的成本和復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。參見(jiàn)圖3，為本發(fā)明所提綜合控制方法中PWM整流器直流電壓外環(huán)、電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制框圖。為了實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制，直流側(cè)電壓外環(huán)采用了一個(gè)比例積分(PI)控制器。直流電壓跟蹤誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后分別乘以三相電流同步信號(hào)得到三相電網(wǎng)側(cè)電流參考指令信號(hào)。在電流內(nèi)環(huán)跟蹤控制中，電網(wǎng)側(cè)電流指令信號(hào)與檢測(cè)到的實(shí)際電網(wǎng)側(cè)電流作差，其輸出經(jīng)PI控制器后及脈寬調(diào)制后，得到PWM整流器中的各功率開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)，保證了三相電網(wǎng)側(cè)電流具有低諧波、高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。參見(jiàn)圖4，為本發(fā)明所提綜合控制方法中兩相逆變器直流均壓外環(huán)，逆變輸出電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制框圖。為實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容均壓，本發(fā)明提出直流均壓外環(huán)控制方法將檢測(cè)到的兩直流電容電壓作差，經(jīng)一個(gè)PI控制器后輸出為AL7oaf，將疊加到兩相逆變器輸出電流控制內(nèi)環(huán)的參考指令信號(hào)中
權(quán)利要求
1.一種兩相逆變電源系統(tǒng)，包括一個(gè)三相PWM整流器、一個(gè)兩相逆變器和兩個(gè)輸出濾波電感，其特征在于，所述三相PWM整流器為含有6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的三橋臂整流橋，與電網(wǎng)側(cè)三相電源連接；所述兩相逆變器由兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容和含有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的兩相逆變橋并聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容與三相PWM整流器的直流側(cè)連接，兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容的公共連接點(diǎn)為兩相逆變器的輸出地線，兩相逆變橋的輸出經(jīng)通過(guò)兩個(gè)輸出電感與單相負(fù)載連接。
2.—種兩相逆變電源系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，該方法采取以下策略進(jìn)行控制1)三相PWM整流器采用直流電壓外環(huán)，電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定和保證三相電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波且功率因數(shù)為1 ；2)兩相逆變器采取直流均壓外環(huán)，逆變輸出電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，使得逆變器輸出參考指令電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩相逆變電源系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，三相PWM整流器直流電壓外環(huán)、電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略包括以下步驟1)檢測(cè)兩串聯(lián)直流電容的總電壓，與參考直流電壓作差，得到直流側(cè)電壓控制誤差；2)直流側(cè)電壓控制誤差經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器后，得到電網(wǎng)側(cè)有功電流幅值；3)電網(wǎng)側(cè)有功電流幅值乘以由鎖相環(huán)得到的三相電網(wǎng)電壓?jiǎn)挝煌叫盘?hào)，作為電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的三相電流參考指令；4)電網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)三相電流參考指令減去檢測(cè)到的實(shí)際三相電網(wǎng)側(cè)電流，得到電網(wǎng)側(cè)三相電流跟蹤控制誤差；5)電網(wǎng)側(cè)三相電流跟蹤控制誤差送比例積分調(diào)節(jié)器后，得到調(diào)制波信號(hào)；6)調(diào)制波信號(hào)經(jīng)三角載波脈寬調(diào)制，得到PWM整流器各開(kāi)關(guān)管的控制脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的所述的兩相逆變電源系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，兩相電源中兩相逆變器采取直流均壓外環(huán)，逆變輸出電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略包括以下步驟1)分別檢測(cè)兩串聯(lián)直流電容各自的直流電壓，將兩直流電容電壓作差得到兩直流電容均壓誤差；2)兩直流電容均壓誤差經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器得到直流電流偏置量；3)直流電流偏置量分別與預(yù)先設(shè)定的兩相逆變器的輸出電流參考指令相加，得到兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令；4)兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令減去檢測(cè)到的兩相逆變器實(shí)際輸出電流，得到兩相逆變器的電流跟蹤誤差；5)兩相逆變器的電流跟蹤誤差送比例積分調(diào)節(jié)器后，得到兩相逆變器的脈寬調(diào)制信號(hào)；6)兩相逆變器的脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)三角載波調(diào)制后，得到兩相逆變器各開(kāi)關(guān)管的脈寬控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種兩相逆變電源系統(tǒng)及其控制方法，采用三相PWM整流器獲得直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)，減少能量的損耗；同時(shí)本發(fā)明的兩相逆變器只包含4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管與傳統(tǒng)的兩相逆變電源相比要少一個(gè)開(kāi)關(guān)臂，使兩相電源的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本大幅度降低，并提高了系統(tǒng)的可靠性；三相PWM整流器采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓高精度的控制和電網(wǎng)側(cè)電流的高功率因數(shù)控制；直流側(cè)兩串聯(lián)電容的均壓外環(huán)控制和輸出電流內(nèi)環(huán)控制構(gòu)成的雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了輸出電流的快速跟蹤和兩個(gè)直流側(cè)電容的均壓。
文檔編號(hào)H02M7/48GK102255545SQ20111020975
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者吳傳平, 孫運(yùn)賓, 楚烺, 王曉, 羅安, 肖華根, 馬伏軍 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)