专利名称：一种基于虚拟磁链定向的控制电路及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种含有积分器的控制电路，尤其是一种基于虚拟磁链定向的控制电路，同时还涉及相应的控制方法，属于配电控制技术领域。
背景技术：
三相电压型PWM整流具有输入电流正弦性好、可获得单位功率因数、能量可实现双向流动等特性，消除了传统意义上的整流电路中存在谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等问题，因此随着电力系统理论的发展和对电力系统中所存在问题的深入研究，如无功功率补偿、谐波抑制、对负载对电网冲击的抑制等，目前己被广泛用于改造电网污染和提闻电能利用率。
典型的三相电压型PWM整流电路如图I所示，其中ek为交流侧相电压，Uk为整流器侧输入相电压，ik为整流器输入相电流，参考方向如图中箭头所示；Sk为整流器开关函数，Sk=I时开关管上桥臂导通、下桥臂关断，Sk=O时开关管上桥臂关断、下桥臂导通。L为滤波电感，R为桥路等效电阻；C为直流侧电容，为直流侧负载，Ud。为直流电容上的电压，id。为整流器输出电流，k为负载电流。目前三相电压型PWM整流器常用控制策略有电压定向控制、虚拟磁链定向控制。其中基于虚拟磁链定向控制的电路系统如图2所示，三相交流电源及R、L可看作一台虚拟交流电动机，R、L表示交流电动机的定子电阻和定子电感，交流侧相电压ek (k = a, b, c)是由气隙磁链感应产生的，三相电网电压矢量V经过积分后所得到的矢量Ψ = / vdt便可认为是该交流电动机的气隙磁链Ψ。通常，外环用来保持整流器直流侧电压恒定，电压调节器输出与电压实测值的乘积为有功功率给定。由于采用磁链矢量Ψ定向，其磁链矢量的位置角Qi由α β坐标下的电网电压矢量％、ee积分所得的磁链分量Ψα、计算而得。为了保证单位功率因数，无功功率给定为零。给定与估算的有功和无功功率比较后，其误差值经过滞环比较器和复平面的扇区识别器后，实时地决定整流器下次开关状态，最终达到直接功率控制。在利用电网电压积分以进行虚拟磁链定向时，普遍存在积分漂移问题，主要表现在由于电网电压是正弦信号，而对正弦信号积分时，其积分结果中会出现一个和积分初值相关的直流分量，该直流分量会造成定向误差，即
.t AA Asin (wt + φ) ---cos(wt + φ) -—cos (wt + φ) H--sin φ
JoWWW式中+ 电网电压信号，其中A表不其幅值，w表不其角频率，φ表不积分开始时电网电压的初始相位角。可见，只有在φ=±π/2时，积分结果中才不会出现这个直流分量，即使控制积分时刻，从φ=±π/2这两个初始相位角开始进行积分，但由于实际电网频率的微小偏移也会造成积分起始时刻的偏移，从而无法准确消除直流误差分量。并且该漂移会随着运行时间的增加而越来越大，最终严重影响系统的准确度。
为了解决纯积分器无法消除直流分量的问题，现有技术引入了低通滤波器(LPF)取代纯积分器(参见申请号为200610136080. 9的中国专利申请)，由于消除了积分运算，因而初始时刻引起的直流分量积分效应被抑制。实验表明，直流输入信号经纯积分环节，微小的直流分量都将使积分饱和；而采用LPF环节，可以消除饱和现象，直流分量仍然存在，但显著降低。然而，LPF输出虽然有效避免了直流漂移，但却引起了相位偏差。无论是直流漂移，还是相位偏差，都将影响诸如三相电压型PWM整流器之类电路系统的输出准确度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提出一种不仅可以有效抑制甚至消除直流漂移，并且可以同时避免相位偏差的基于虚拟磁链定向的控制电路，同时给出相应的控制方法。为了达到以上目的，本发明基于虚拟磁链定向的控制电路包括用以将三相交流侧电压转变为两相电压矢量的三二变换电路以及积分器、低通滤波器(LPF)和微处理器；所述三相交流侧通过滤波器件接全控电力电子器件构成的三相全桥整流器的输入端，所述三相全桥整流器的输出端接直流侧负载；所述三相交流侧电压信号经AD采样调理电路接三二变换电路的输入端，所述三二变换电路的输出端接并联的积分器和低通滤波器，所述积分器和低通滤波器的输出端分别接所述微处理器的对应输入端；所述微处理器的输出端通过驱动电路接三相全桥整流器中各全控电力电子器件的受控端，用以输出开关信号控制各全控电力电子器件的通断；所述微处理器内部含有初控装置——用于在运行后的第一周期，选通低通滤波器的输出作为求取开关信号的磁链分量，并求得积分器输出的直流漂移量；比较装置——用于以前一周期求得的直流漂移量实时校正积分器当前周期输出的直流漂移，并将校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出进行比较；选通装置一用于当校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出两者偏差小于预定阈值时，选通纯积分器消除直流漂移后的输出作为磁链分量输出，否则仍选通低通滤波器的输出作为磁链分量输出，并根据相应的采样信号求得积分器本周期输出的直流漂移量；返回装置——用于完成以上选通输出后，控制返回比较装置运行。所述全控电力电子器件为IGBT。所述直流侧的电压两端接霍尔传感器的输入端，所述霍尔传感器的输出端经直流侧AD采样调理电路接微处理器的采样信号输入端。本发明基于虚拟磁链定向的控制方法在包括用以将三相交流侧电压转变为两相电压矢量的三二变换电路以及积分器、低通滤波器(LPF)和微处理器的控制电路中；所述三相交流侧通过滤波器件接全控电力电子器件构成的三相全桥整流器的输入端，所述三相全桥整流器的输出端向直流侧负载供电；所述三相交流侧电压信号经AD采样调理电路接三二变换电路的输入端，所述三二变换电路的输出端接并联的积分器和低通滤波器，所述积分器和低通滤波器的输出端分别接所述微处理器的对应输入端；所述微处理器的输出端通过驱动电路接三相全桥整流器中各全控电力电子器件的受控端，用以输出开关信号控制各全控电力电子器件的通断；所述微处理器的控制步骤为初控步骤——在运行后的第一周期，选通低通滤波器的输出作为求取开关信号的磁链分量，并求得积分器输出的直流漂移量；比较步骤——以前一周期求得的直流漂移量实时校正积分器当前周期输出的直流漂移，并将校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出进行比较；选通步骤一当两者的偏差小于预定阈值时，选通纯积分器消除直流漂移后的输出作为磁链分量输出，否则仍选通低通滤波器的输出作为磁链分量输出，并根据相应的采样信号求得积分器本周期输出的直流漂移量；返回步骤一完成以上选通输出后，控制返回比较装置运行。
所述初控步骤中，将积分器输出基波周期预定时间点的电流值累加，并求得平均值，作为该周期的直流漂移量。所述比较步骤以本周期的直流漂移量和上一周期的直流漂移量之差作为校正结果O采用本发明后，将LPF和纯积分器有机结合，在暂态过程中，可以跳转到LPF处理输出状态，有效避免纯积分器的直流漂移问题；稳态时，通过选通跳转到逐渐消除直流漂移的纯积分器校正处理输出状态，避免LPF相差带来的问题。因此，在提高了整个供电系统暂态响应速度的同时，显著提高了系统的控制精度，从而切实保证供电质量。
图I为典型的三相电压型PWM整流电路图。图2为本发明一个实施例的控制电路示意图。图3为图2实施例的控制过程流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。实施例一本实施例基于虚拟磁链定向的控制电路如图2所述，包括用以将三相交流侧电压转变为两相电压矢量的三二变换电路以及积分器、低通滤波器(LPF)和微处理器(DSPTMS320F28335)的控制电路。其中，三相交流侧通过作为滤波器件的R、L接全控电力电子
器件-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)构成的三相
全桥整流器的输入端，该三相全桥整流器的输出端向直流侧负载&供电。三相交流侧电压信号ea、eb、ec经AD采样调理电路接三二变换电路的输入端。采样调理电路通常由四级电路比例电路、反相电路和抗混叠滤波电路、偏置电路组成，在限幅保护电路下送出，其具体电路构成参见《测量电子电路设计滤波器篇(从滤波器设计到锁相放大器的应用)》(远坂俊昭著，彭军译，科学出版社，2006)。三二变换电路的具体说明可以参见《电力拖动自动控制系统》(陈伯时主编，机械工业出版社，2006年第3版)198页图6-48及其描述，本实施例以三相电网电压eab。作为输入，对输入变量做以下处理ea=0.816(ea-0. 5eb_0. 5ec)、ee=0. 707(eb-ec);即可得到三相电网电压eab。转换到两相静止α β坐标下的电网电压矢量ea、ee。三二变换电路的输出端接并联的积分器和低通滤波器，积分器和低通滤波器的输出端分别接微处理器的对应输入端；微处理器的输出端通过驱动电路接三相全桥整流器中各IGBT的受控端，用以输出开关信号控制各全控电力电子器件的通断。直流侧电容的电压Udc两端接霍尔传感器的输入端，霍尔传感器的输出端经直流侧AD采样调理电路接微处理器的采样信号输入 端，用以根据采用信号计算瞬时功率，以便得出所需的PWM脉冲触发信号。微处理器运行后的控制步骤如图3所示初控步骤——在运行后的第一周期，选通低通滤波器的输出作为求取开关信号的磁链分量，并求得积分器输出的直流漂移量；本实施例将积分器输出基波周期预定时间点的电流值累加，并求得平均值，作为该周期的直流漂移量，具体而言，每个基波周期采200点，设置一个sum变量，每采一个点，将该值累加在sum上，然后将这200个采样点求取平均值aVer=sum/200，该平均值即为纯积分器在第一个周期所引起的直流漂移量；比较装置——用于以前一周期求得的直流漂移量实时校正积分器当前周期输出的直流漂移。由于每个基波周期的直流漂移量aver在本周期结束时获得，所以可以利用上个周期获得的直流漂移量对本周期纯积分器输出直流漂移量进行校正，即以本周期的直流漂移量和上一周期的直流漂移量之差作为校正结果，并将校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出进行比较；选通步骤一当两者的偏差小于预定阈值时，选通纯积分器消除直流漂移后的输出作为磁链分量输出，否则仍选通低通滤波器的输出作为磁链分量输出，并根据相应的采样信号求得积分器本周期输出的直流漂移量；返回步骤一完成以上选通输出后，控制返回比较装置运行，直至运行结束。试验证明，本实施例具有如下优点I)在暂态过程中，具有和LPF—样的效果，有效避免了纯积分器带来的直流漂移问题；2)在稳态过程中，将纯积分器和LPF的优点有机结合，有效避免了传统纯积分器的直流漂移问题以及LPF带来的相位偏差问题。3)在保证整个系统暂态响应速度的同时，显著提高了系统的控制精度，从而切实保障了供电质量。
权利要求
1.一种基于虚拟磁链定向的控制电路，包括用以将三相交流侧电压转变为两相电压矢量的三二变换电路以及积分器、低通滤波器和微处理器；所述三相交流侧通过滤波器件接全控电力电子器件构成的三相全桥整流器的输入端，所述三相全桥整流器的输出端接直流侧负载；所述三相交流侧电压信号经AD采样调理电路接三二变换电路的输入端，其特征在于所述三二变换电路的输出端接并联的积分器和低通滤波器，所述积分器和低通滤波器的输出端分别接所述微处理器的对应输入端；所述微处理器的输出端通过驱动电路接三项全桥整流器中各全控电力电子器件的受控端，用以输出开关信号控制各全控电力电子器件的通断；所述微处理器内部含有初控装置——用于在运行后的第一周期，选通低通滤波器的输出作为求取开关信号的磁链分量，并求得积分器输出的直流漂移量；比较装置——用于以前一周期求得的直流漂移量实时校正积分器当前周期输出的直流漂移，并将校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出进行比较；选通装置——用于当校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出两者偏差小于预定阈值时，选通纯积分器消除直流漂移后的输出作为磁链分量输出，否则仍选通低通滤波器的输出作为磁链分量输出，并根据相应的采样信号求得积分器本周期输出的直流漂移量；返回装置——用于完成以上选通输出后，控制返回比较装置运行。
2.根据权利要求I所述基于虚拟磁链定向的控制电路，其特征在于所述全控电力电子器件为IGBT。
3.根据权利要求2所述基于虚拟磁链定向的控制电路，其特征在于所述直流侧的电压两端接霍尔传感器的输入端，所述霍尔传感器的输出端经直流侧AD采样调理电路接微处理器的米样信号输入端。
4.一种基于虚拟磁链定向的控制方法，在包括用以将三相交流侧电压转变为两相电压矢量的三二变换电路以及积分器、低通滤波器和微处理器的控制电路中；所述三相交流侧通过滤波器件接全控电力电子器件构成的三项全桥整流器的输入端，所述三相全桥整流器的输出端向直流侧负载供电；所述三相交流侧电压信号经AD采样调理电路接三二变换电路的输入端，其特征在于所述三二变换电路的输出端接并联的积分器和低通滤波器，所述积分器和低通滤波器的输出端分别接所述微处理器的对应输入端；所述微处理器的输出端通过驱动电路接三相全桥整流器中各全控电力电子器件的受控端，用以输出开关信号控制各全控电力电子器件的通断；所述微处理器的控制步骤为初控步骤——在运行后的第一周期，选通低通滤波器的输出作为求取开关信号的磁链分量，并求得积分器输出的直流漂移量；比较步骤——以前一周期求得的直流漂移量实时校正积分器当前周期输出的直流漂移，并将校正直流漂移后的积分器输出与同一周期低通滤波器的输出进行比较；选通步骤——当两者的偏差小于预定阈值时，选通纯积分器消除直流漂移后的输出作为磁链分量输出，否则仍选通低通滤波器的输出作为磁链分量输出，并根据相应的采样信号求得积分器本周期输出的直流漂移量；返回步骤——完成以上选通输出后，控制返回比较装置运行。
5.根据权利要求4所述基于虚拟磁链定向的控制方法，其特征在于所述初控步骤中，将积分器输出基波周期预定时间点的电流值累加，并求得平均值，作为该周期的直流漂移量。
6.根据权利要求5所述基于虚拟磁链定向的控制方法，其特征在于所述比较步骤以本周期的直流漂移量和上一周期的直流漂移量之差作为校正结果。
全文摘要
本发明涉及一种基于虚拟磁链定向的控制电路，同时还涉及相应的控制方法，属于配电控制技术领域。该电路包括三二变换电路以及积分器、低通滤波器和微处理器；三相交流侧通过三相全桥整流器接直流侧负载；三相交流侧电压信号经AD采样调理电路接三二变换电路的输入端，三二变换电路的输出端接并联的积分器和低通滤波器，积分器和低通滤波器的输出端分别接微处理器的对应输入端；微处理器的输出端接三项全桥整流器的受控端；微处理器内部含有初控装置、比较装置、选通装置、返回装置。采用本发明后，在提高了整个供电系统暂态响应速度的同时，显著提高了系统的控制精度，从而切实保证供电质量。
文档编号H02P21/00GK102931904SQ201210425728
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者黄晶晶, 陈晓菊, 张爱民, 张杭, 任志刚, 王建华, 张蕾, 王在福, 郎学斌 申请人:西安交通大学