本發(fā)明涉及直流-交流電能變換裝置，具體涉及一種基于PR內(nèi)環(huán)控制的三相逆變電源。

背景技術(shù)：

逆變電源可以將直流電制變換為交流電制，提供具有良好品質(zhì)的各種交流用電。隨著社會(huì)工業(yè)需求的提高，對(duì)逆變電源功率需求越來越高，而大功率逆變電源由于使用的開關(guān)器件性能的限制，其開關(guān)頻率有限，控制性能會(huì)受到很大制約，然而另一方面，隨著工業(yè)負(fù)荷多樣性增加，獨(dú)立交流電網(wǎng)中負(fù)荷投切變的更加頻繁，對(duì)逆變電源輸出電壓的穩(wěn)定度、各種大負(fù)載投切下的快速響應(yīng)能力、惡劣不平衡負(fù)載下的電壓均衡度、對(duì)短路故障的保護(hù)能力等等方面均提出了很高的要求。

傳統(tǒng)的三相逆變電源通?？刂粕喜捎猛叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓PI控制，基于這種拓?fù)浜涂刂平Y(jié)構(gòu)的逆變電源三相輸出電壓相互耦合，任意一相負(fù)載狀態(tài)或外電路狀態(tài)發(fā)生變化，就會(huì)嚴(yán)重影響其他兩相電壓的輸出，此外采用單電壓環(huán)控制方案的逆變電源穩(wěn)定性差。也有采用電壓PI外環(huán)、電流單P內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)來改善逆變電源穩(wěn)定性，同時(shí)也具備了一定的短路限流能力，然而限流能力十分有限且限流值不恒定，且三相耦合依然嚴(yán)重。還有采用電壓PI外環(huán)、電流PI內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)短路限流能力，但同樣的存在三相相互耦合的問題，且采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)后受到內(nèi)環(huán)控制影響，外環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服三相逆變電源相間相互耦合、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性難以兼顧的問題。提高極端不平衡負(fù)載下三相電壓平衡度，提高逆變電源輸出交流電壓穩(wěn)態(tài)品質(zhì)和大負(fù)載投切時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

具體而言，本發(fā)明提供一種基于PR內(nèi)環(huán)控制的組合式三相逆變電源，其特征在于，所述組合式三相逆變電源包括：

對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波處理的直流濾波電路，ABC三相獨(dú)立的橋式高頻調(diào)制電路，ABC三相獨(dú)立的交流濾波電路，分別采集三相輸出電壓和輸出電流的傳感器組以及隔離型的三相變壓器，以及各自獨(dú)立的三相控制電路，

每相的控制電路包括：虛擬靜止-同步旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算器(6)、電壓D軸PI運(yùn)算器(7)、電壓Q軸PI運(yùn)算器(8)、同步-靜止變換運(yùn)算器(9)、帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器(10)、諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器(11)和驅(qū)動(dòng)生成器(12)，

所述虛擬靜止-同步旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算器(6)接收電壓當(dāng)前值Ui_0和k拍前的歷史值Ui_k以及相位信號(hào)Phi，并進(jìn)行虛擬坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到單相電壓D軸分量Ui_D和Q軸分量Ui_Q，其中i為ABC三相中的任意一相；

電壓D軸PI運(yùn)算器(7)接收D軸設(shè)定指令值Ui_Dref和D軸電壓分量Ui_D，經(jīng)過PI運(yùn)算后得到結(jié)果Ii_Dref；

電壓Q軸PI運(yùn)算器(8)接收Q軸設(shè)定指令值Ui_Qref和Q軸電壓分量Ui_Q，經(jīng)過PI運(yùn)算后得到結(jié)果Ii_Qref；

同步-靜止變換運(yùn)算器(9)接收Ii_Dref、Ii_Qref以及i相相位信號(hào)Phi，經(jīng)過坐標(biāo)變換計(jì)算得到靜止坐標(biāo)系下i相電流交流指令值Ii_ref；

帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器(10)接收指令值Ii_ref和i相電流當(dāng)前采樣值Ii_0，計(jì)算得到i相的占空比控制信號(hào)Di_out；

諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器(11)接收i相電壓當(dāng)前值Ui_0，并提取電壓中的諧波分量進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)償控制；

驅(qū)動(dòng)生成器(12)接收運(yùn)算后得到的主動(dòng)諧波補(bǔ)償量Di_hout，用以生成三相逆變電源的i相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

優(yōu)選地，所述的虛擬靜止-同步旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算器(6)利用公式(I)和(II)計(jì)算得到UA_D和UA_Q：

其中，PhA為程序自生成的A相相位，一個(gè)采樣周期表示為T_s，交流電壓的基波周期為T，N表示當(dāng)前時(shí)刻是一個(gè)基波周期T內(nèi)的第N個(gè)采樣周期，UA_0是當(dāng)前采樣時(shí)刻的電壓瞬時(shí)值，UA_k是k個(gè)采樣周期前的電壓瞬時(shí)值。

優(yōu)選地，所述的電壓D軸PI運(yùn)算器(7)和電壓Q軸PI運(yùn)算器(8)利用常規(guī)的PI運(yùn)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后得到IA_Dref和IA_Qref，

所述的同步-靜止變換運(yùn)算器(9)采用下述公式(IV)計(jì)算得到IA_ref，

IA_ref＝IA_Dref×sin(PhA)+IA_Qref×cos(PhA) (IV)

優(yōu)選地，所述帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器(10)包括誤差減法器(10-1)、抗飽和減法器(10-2)、PR比例運(yùn)算器(10-3)、帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器(10-4)、加法器(10-5)、抗飽和運(yùn)算器(10-6)、幅值限定器(10-7)和幅值限定減法器(10-8)，

誤差減法器(10-1)接收IA_ref和IA_0、進(jìn)行減法運(yùn)算，計(jì)算得到二者之間的誤差I(lǐng)A_err；

PR比例運(yùn)算器(10-3)接收IA_err并將IA_err乘以系數(shù)KP_PR后輸出計(jì)算結(jié)果IA_KPo；

抗飽和減法器(10-2)接收誤差I(lǐng)A_err，其中，IA_err送入到抗飽和減法器(10-2)的“-”端，經(jīng)運(yùn)算后得到IA_errR；IA_errR送入帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器(10-4)，經(jīng)過基于基波頻率的諧振算法計(jì)算后，得到輸出結(jié)果IA_GRo；IA_GRo和IA_KPo同時(shí)送入加法器(10-5)，相加得到IA_out；IA_out送入幅值限定器(10-7)計(jì)算后得到DA_out；IA_out和DA_out分別送入到幅值限定減法器(10-8)的“+”端和“-”端，相減得到IA_outm；IA_outm送入到抗飽和運(yùn)算器(10-6)計(jì)算，抗飽和運(yùn)算器(10-6)將IA_outm乘以系數(shù)Klim后輸出結(jié)果IA_errm，結(jié)果送入到抗飽和減法器(10-2)的“-”端。

優(yōu)選地，所述的帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器(10-4)的計(jì)算公式如公式(V)所示，其中KR是諧振運(yùn)算器增益系數(shù)，w₀是交流電壓基波角頻率，w_c是基波相位補(bǔ)償角；

優(yōu)選地，所述的諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器(11)包括基波陷波器(11-1)、n個(gè)單次諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器(11-2)和加法器(11-3)。

本發(fā)明控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)三相完全獨(dú)立控制，互不耦合，極端不平衡負(fù)載下仍能保證輸出電壓高平衡度；

(2)虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系外環(huán)電壓PI控制可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的無靜差控制；

(3)PR電流內(nèi)環(huán)提供了極其快速的內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度，保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且具備準(zhǔn)確快速的短路限流能力；

(4)PR電流內(nèi)環(huán)只對(duì)基波頻率成分起作用，保證了穩(wěn)態(tài)諧波電壓低，以及短路限流值的穩(wěn)定度；

(5)PR輸出抗飽和幅值限定器能夠保證逆變電源在直流電壓不足時(shí)仍能維持良好的正弦波形輸出；

(6)諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器可以有效定點(diǎn)補(bǔ)償逆變電源輸出電壓中由系統(tǒng)外部負(fù)載特性引入的特征次諧波。

附圖說明

圖1為基于PR內(nèi)環(huán)控制的組合式三相逆變電源的系統(tǒng)框圖；

圖2為圖1中帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為圖1中諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明中抗飽和運(yùn)算器的控制效果；

圖5為本發(fā)明中主動(dòng)諧波補(bǔ)償控制器的效果；

圖6為逆變電源在極端不平衡工況時(shí)的控制效果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的基于PR內(nèi)環(huán)控制的組合式三相逆變電源包括對(duì)直流電壓進(jìn)行濾波處理的直流濾波電路1，三相分別獨(dú)立的A(BC)相橋式高頻調(diào)制電路2，三相獨(dú)立的A(BC)相交流濾波電路3，分別采集三相輸出電壓和輸出電流的傳感器組4以及隔離型的三相變壓器5。

本發(fā)明對(duì)各相進(jìn)行獨(dú)立的基于PR電流內(nèi)環(huán)控制、虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI電壓外環(huán)控制的雙環(huán)控制。每相的控制模塊包括獨(dú)立的虛擬靜止-同步旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算器6、電壓D軸PI運(yùn)算器7、電壓Q軸PI運(yùn)算器8、同步-靜止變換運(yùn)算器9、帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器10、諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11和驅(qū)動(dòng)生成器12，A、B、C三相均包含上述功能完備的所有控制模塊。

下面以A相為例進(jìn)行介紹。將A相電壓當(dāng)前值UA_0和k拍前的歷史值UA_k以及控制模塊自生成的A相相位信號(hào)PhA送入虛擬靜止-同步旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算器6，經(jīng)過虛擬坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到A相電壓D軸分量UA_D和Q軸分量UA_Q；將D軸設(shè)定指令值UA_Dref和D軸電壓分量UA_D送入電壓D軸PI運(yùn)算器7，將Q軸設(shè)定指令值UA_Qref和Q軸電壓分量UA_Q送入電壓Q軸PI運(yùn)算器8，分別經(jīng)過PI運(yùn)算后得到結(jié)果IA_Dref和IA_Qref；IA_Dref、IA_Qref以及A相相位信號(hào)PhA一起送入同步-靜止變換運(yùn)算器9，經(jīng)過坐標(biāo)變換計(jì)算得到靜止坐標(biāo)系下A相電流交流指令值IA_ref；將指令值IA_ref和A相電流當(dāng)前采樣值IA_0送入帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器10中，計(jì)算得到得到A相的占空比控制信號(hào)DA_out；A相電壓當(dāng)前值UA_0同時(shí)也送入到諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11中，諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器會(huì)提取電壓中的諧波分量進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)償控制，運(yùn)算后得到主動(dòng)諧波補(bǔ)償量DA_hout；DA_out和DA_hout送入驅(qū)動(dòng)生成器12最終生成三相逆變電源的A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。B、C相控制模塊與A相一致，送入B、C相控制模塊的數(shù)據(jù)相應(yīng)變?yōu)閁B_0、UB_k、UB_Dref、UB_Qref、IB_0、PhB和UC_0、UC_k、UC_Dref、UC_Qref、IC_0、PhC。

所述的控制模塊可采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP，Digital Signal Processor)、單片機(jī)或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array)等具有數(shù)字信號(hào)處理和控制能力的芯片來實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施例中選用TI公司的DSP芯片TMS28335，該芯片運(yùn)行速度高達(dá)150MHz，并且具有12路全比較PWM輸出端，擁有足夠的運(yùn)算能力和控制能力。

所述的虛擬靜止-同步旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算器6利用公式(I)和(II)計(jì)算得到UA_D和UA_Q，PhA為程序自生成的A相相位，一個(gè)采樣周期表示為T_s，交流電壓的基波周期為T，N表示當(dāng)前時(shí)刻是一個(gè)基波周期T內(nèi)的第N個(gè)采樣周期，UA_0是當(dāng)前采樣時(shí)刻的電壓瞬時(shí)值，UA_k是k個(gè)采樣周期前的電壓瞬時(shí)值：

電壓D軸PI運(yùn)算器7和電壓Q軸PI運(yùn)算器8利用常規(guī)的PI運(yùn)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后得到IA_Dref和IA_Qref。

同步-靜止變換運(yùn)算器9采用下述公式(IV)計(jì)算得到IA_ref，

IA_ref＝IA_Dref×sin(PhA)+IA_Qref×cos(PhA) (IV)

如圖2所示，帶抗飽和限定的電流PR運(yùn)算器10，包括誤差減法器10-1、抗飽和減法器10-2、PR比例運(yùn)算器10-3、帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器10-4、加法器10-5、抗飽和運(yùn)算器10-6、幅值限定器10-7和幅值限定減法器10-8。

然后，將IA_ref和IA_0分別送入到誤差減法器10-1的“+”和“-”位置，進(jìn)行減法運(yùn)算，計(jì)算得到結(jié)果IA_err；IA_err送入到PR比例運(yùn)算器10-3參與計(jì)算，PR比例運(yùn)算器10-3將IA_err乘以系數(shù)KP_PR后輸出計(jì)算結(jié)果IA_KPo；IA_err同時(shí)也送入到抗飽和減法器10-2的“+”端，IA_errm送入到抗飽和減法器10-2的“-”端，經(jīng)運(yùn)算后得到IA_errR；IA_errR送入帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器10-4，經(jīng)過基于基波頻率的諧振算法計(jì)算后，得到輸出結(jié)果IA_GRo；IA_GRo和IA_KPo同時(shí)送入加法器10-5，相加得到IA_out；IA_out送入幅值限定器10-7計(jì)算后得到DA_out；IA_out和DA_out分別送入到幅值限定減法器10-8的“+”端和“-”端，相減得到IA_outm；IA_outm送入到抗飽和運(yùn)算器10-6計(jì)算，抗飽和運(yùn)算器10-6將IA_outm乘以系數(shù)Klim后輸出結(jié)果IA_errm，結(jié)果送入到抗飽和減法器10-2的“-”端。

帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器10-4的計(jì)算公式如(V)所述，其中KR是諧振運(yùn)算器增益系數(shù)，w₀是交流電壓基波角頻率，w_c是基波相位補(bǔ)償角；

所述的抗飽和運(yùn)算器10-6，其特征在于將輸出限幅前后的結(jié)果減法運(yùn)算后進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，閉環(huán)調(diào)節(jié)送入帶相位補(bǔ)償?shù)腜R諧振運(yùn)算器10-4的誤差值。

如圖3所示，所述的諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11，其特征在于，其包括基波陷波器11-1、n個(gè)單次諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11-2和加法器11-3，

接下來將交流電壓當(dāng)前采樣值UA_0送入到基波陷波器11-1中，濾除其中基波分量，僅留下交流電壓中諧波分量UA_h；將UA_h送入單次諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11-2中，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置單次諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11-2對(duì)應(yīng)的頻率和個(gè)數(shù)，計(jì)算后的結(jié)果送入加法器11-3中，疊加得到DA_hout。

單次諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器11-2的計(jì)算公式如(VI)所示，其中KR_hn是n次諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器增益系數(shù)，w_n是交流電壓n次諧波角頻率，w_cn是交流電壓n次諧波的相位補(bǔ)償角；

所述的驅(qū)動(dòng)生成器(12)將DA_out和DA_hout疊加后，與載波比較生成脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMA。

圖4～圖6的仿真和實(shí)驗(yàn)波形采用的控制器參數(shù)為：基波角頻率w₀為100π，開關(guān)頻率為3kHz，采樣周期T_s為1/3ms，基波周期T為20ms，N為60，k為10，KP_PI為1.2，KI_PI為3000，KP-PR為0.1，w_c為0.174533，KR為200，Klim為10，Imax取為2000，本實(shí)例中特選取5、7次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)應(yīng)諧波角頻率w₅和w₇分別為500π和700π，w_c5為0.261799，w_c7為0.349066，KR_h5為400，KR_h7為400；非線性負(fù)載工況設(shè)置為三相不控整流型負(fù)載，負(fù)載大小約為200kW；不平衡負(fù)載工況設(shè)置為A相負(fù)載300kW，B相負(fù)載300kW，C相開路。

從圖4中可以看出，當(dāng)給予PR運(yùn)算器一個(gè)固定誤差，無本發(fā)明中抗飽和限定器時(shí)，PR運(yùn)算器輸出正弦波出現(xiàn)明顯平頂畸變，而采用本發(fā)明中抗飽和限定器后，PR運(yùn)算器輸出正弦波保持了良好的正弦度。從圖5(下部為帶非線性負(fù)載，有諧波主動(dòng)補(bǔ)償，上部為帶非線性負(fù)載，無諧波主動(dòng)補(bǔ)償)中可以看出，逆變電源非線性負(fù)載時(shí)，本實(shí)例中特定的負(fù)載情況是200kW的三相不控整流型負(fù)載，傳統(tǒng)控制方法下交流輸出電壓出現(xiàn)了明顯的諧波畸變，而采用本發(fā)明的諧波主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)算器后，輸出交流電壓諧波明顯減??；從圖6中可以看出，即使逆變電源帶極端不平衡負(fù)載，本實(shí)例中特定的負(fù)載情況是A相負(fù)載300kW，B相負(fù)載300kW，C相開路，本發(fā)明的控制方法仍可以保證三相交流電壓良好的平衡度，三相電壓均維持為380V有效值。

此外，采用本發(fā)明的逆變電源從空載向300kW負(fù)載突加，以及從450kW向150kW負(fù)載突減時(shí)，逆變電源輸出電壓只在突變瞬間有極其輕微的波動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常快。

本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例和附圖公開內(nèi)容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變換或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。