整流器的控制方法、装置及电路与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种整流器的控制方法、装置及电路。

背景技术：

随着电力电子技术的进步，对电能质量的要求越来越高。但是工业产品中不可避免使用到非线性负载，从而对电网电压造成畸变、谐波污染、不平衡等问题也备受关注。整流器作为变频电源不可缺少的一个环节，可以使得网侧输入电流保持正弦化，减少电网污染。目前常见整流器控制方法中包括：电压定向电流解耦双闭环控制、电压定向直接功率控制、单周期控制等。

针对目前常用的电压定向电流解耦双闭环控制方法中，电流环采用比例积分控制器。由于比例积分控制器中积分项的存在，导致实际控制产生延时，在负载存在瞬间变化时，整流器的输出电压存在一个较长的波动时间，这个波动会引起输出电压上存在较大纹波。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种使得整流器的输出电压稳定的整流器的控制方法、装置及电路。

一种整流器的控制方法，包括：

获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定所述参考电压与所述输出侧电压的电压偏差；

对所述电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流；

获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量；

对所述电流分量进行滤波处理得到滤波结果；

根据所述参考电流与所述滤波结果确定电流偏差；

对所述电流偏差进行比例控制处理得到控制量；

根据所述控制量及所述电压峰值确定参考控制信号。

一种整流器的控制装置，包括：

电压偏差确定模块，用于获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定所述参考电压与所述输出侧电压的电压偏差；

参考电流确定模块，用于对所述电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流；

输入侧量获取模块，用于获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量；

滤波结果确定模块，用于对所述电流分量进行滤波处理得到滤波结果；

电流偏差确定模块，用于根据所述参考电流与所述滤波结果确定电流偏差；

控制量确定模块，用于对所述电流偏差进行比例控制处理得到控制量；

控制信号确定模块，用于根据所述控制量及所述电压峰值确定参考控制信号。

上述整流器的控制方法及装置，获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定所述参考电压与所述输出侧电压的电压偏差；对所述电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流；获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量；对所述电流分量进行滤波处理得到滤波结果；根据所述参考电流与所述滤波结果确定电流偏差；对所述电流偏差进行比例控制处理得到控制量；根据所述控制量及所述电压峰值确定参考控制信号。该控制方法及装置基于电压定向电流解耦双闭环控制方法，且不再采用对电流分量进行比例积分控制处理的方式得到控制量，而是采用比例控制处理方式与对电流分量进行滤波处理结合的方式代替了原有的比例积分控制处理，从而，提高控制方法的响应速度，减少控制延迟，达到使得整流器的输出电压稳定的有益效果。

一种整流器的控制电路，包括：输出侧电压运算器、电压环比例积分控制器、电流运算器、电流环比例控制器、输入侧电压运算器、滤波装置及输入侧采集装置；

整流器的输出侧、所述输出侧电压运算器、所述电压环比例积分控制器、所述电流运算器、所述电流环比例控制器及所述输入侧电压运算器依次连接，并且所述输入侧电压运算器连接所述整流器的控制端；所述输出侧电压运算器还接入参考电压；

所述输入侧采集装置包括输入端和输出端，所述输入侧采集装置的输入端连接所述整流器的输入侧，所述输入侧采集装置的输出端包括电流输出端和电压输出端，所述电压输出端连接所述输入侧电压运算器；所述滤波装置连接在所述电流输出端与所述电流运算器之间。

由于整流器的输出侧、所述输出侧电压运算器、所述电压环比例积分控制器、所述电流运算器、所述电流环比例控制器及所述输入侧电压运算器依次连接，并且所述输入侧电压运算器连接所述整流器的控制端；所述输出侧电压运算器还接入参考电压；所述输入侧采集装置包括输入端和输出端，所述输入侧采集装置的输入端连接所述整流器的输入侧，所述输入侧采集装置的输出端包括电流输出端和电压输出端，所述电压输出端连接所述输入侧电压运算器；所述滤波装置连接在所述电流输出端与所述电流运算器之间。因此，上述整流器的控制电路基于电压定向电流解耦双闭环控制电路，电流环不再采用比例积分控制器，而是采用电流环比例控制器与滤波装置相互配合的方式代替了原有的比例积分控制器，从而，提高控制电路的响应速度，减少控制延迟，达到使得整流器的输出电压稳定的有益效果。

附图说明

图1为一实施例的整流器的控制方法的流程图；

图2为另一实施例的整流器的控制方法的流程图；

图3为一实施例的整流器的控制装置的结构示意图；

图4为另一实施例的整流器的控制装置的结构示意图；

图5为一实施例的整流器的控制电路的结构示意图；

图6为另一实施例的整流器的控制电路的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一种整流器的控制方法，包括：

S110：获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定参考电压与输出侧电压的电压偏差。

输出侧电压为整流器输出侧的直流电压，参考电压为整流器为达到整流目的需要输出的电压的参考值，该参考值可以根据经验确定。电压偏差为参考电压与输出侧电压的差值。

S120：对电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流。

对电压偏差进行比例积分控制处理可以得到参考电流。比例积分控制处理的传递函数为：是经过拉普拉斯变换(拉氏变换)后的结果，其中，Gs表示传递函数，其值为参考电流的值；K_p表示比例系数，K_s表示积分系数，S为复变量。基于电压定向电流解耦双闭环控制方法中电压环主要是控制输出电压的稳定和投载响应速度，比例积分控制处理中的参数需要根据实际情况进行经验调节。

S130：获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量。

可以通过采集装置直接采集整流器的输入侧的电压峰值及电流分量的方式获取电压峰值及电流分量。进一步地，该采集装置中，集成有锁相环及d-q变换模块。

S140：对电流分量进行滤波处理得到滤波结果。

由于电流环的电流分量存在较大误差和波动，因此，需要对其进行滤波处理得到滤波结果，即得到实际的输入侧电流的直流分量。

S150：根据参考电流与滤波结果确定电流偏差。

将参考电流与滤波结果的差值确定为电流偏差。

S160：对电流偏差进行比例控制处理得到控制量。

对电流偏差进行比例控制处理得到控制量，而不是通过比例积分控制处理的方式得到控制量，从而提高相应速度，减少控制延迟。

其中，比例控制处理的传递函数为：Gs＝K_p，其中，Gs表示传递函数，其值为控制量；K_p表示比例系数，在本实施例中，主要是作用在电流环的响应快慢，比例系数的大小决定了电流响应的波形，需要根据实际情况进行经验调节。

S170：根据控制量及电压峰值确定参考控制信号。

控制量与电压峰值的和，即为参考控制电压，进而可以根据参考控制电压确定参考控制信号，输入至整流器的控制端，对整流器进行控制。

上述整流器的控制方法，获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定参考电压与输出侧电压的电压偏差；对电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流；获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量；对电流分量进行滤波处理得到滤波结果；根据参考电流与滤波结果确定电流偏差；对电流偏差进行比例控制处理得到控制量；根据控制量及电压峰值确定参考控制信号。该控制方法基于电压定向电流解耦双闭环控制方法，且不再采用对电流分量进行比例积分控制处理的方式得到控制量，而是采用比例控制处理方式与对电流分量进行滤波处理结合的方式代替了原有的比例积分控制处理，从而，提高控制方法的响应速度，减少控制延迟，达到使得整流器的输出电压稳定的有益效果。

请参阅图2，在其中一个实施例中，获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量的步骤，即步骤S130包括：

S131：获取整流器的输入侧电压、输入侧电流及相位角。

在本实施例中，可以通过采集整流器输入侧的电流、电压获取到整流器的输入侧电压、输入侧电流。可以通过锁相环对整流器的输入侧电压进行锁相，得到电压的相位，进而获取到整流器的输入侧电压的相位角。

需要说明的是，整流器的控制目的包括使得输入侧电流和输入侧电压同相、调节有功电流分类Id及无功电流分量Iq使得功率因数为1。因此，需要分别对输入侧电流和输入侧电压进行d-q变换。

S133：根据相位角及输入侧电流对输入侧电流进行d-q变换，确定电流分量，电流分量包括有功电流分量Id及无功电流分量Iq。

S135：根据相位角及输入侧电压对输入侧电压进行d-q变换，确定电压峰值。

该电压峰值即为前馈电压，用于适应电网波动。

进一步地，获取整流器的相位角的方式为采用DSOGI-PLL算法(一种双广义二阶积分器的软件锁相环算法)对整流器的输入侧电压进行锁相。从而，在电网较大谐波和三相不平衡情况下也能正确锁相，从而获取到正确的相位角，进而，进一步保证在电网较大谐波和三相不平衡情况下，也能达到使得整流器的输出电压稳定的有益效果。

在其中一个实施例中，根据控制量及电压峰值确定参考控制信号的步骤，即步骤S170包括：

S171：将电压峰值作为前馈电压，结合控制量确定参考控制电压。

将电流环输出的控制量与前馈电压相加后可得到参考控制电压，即将比例控制处理得到的控制量，与电压峰值相加，即可得到参考控制电压。

S173：将参考控制电压进行脉冲调制，得到参考控制信号。

对参考控制电压进行脉冲调制，可以得到脉冲波形式的参考控制信号，通过该脉冲波形式的参考控制信号对整流器进行控制。从而，可以达到使得整流器的输出结果更为稳定的有益效果。

在其中一个实施例中，滤波处理为卡尔曼滤波处理。

由于电流环的电流分量存在较大误差和波动，尤其是在采样环节和d-q变换环节，因此，需要对其进行滤波处理得到滤波结果，即得到实际的输入侧电流的直流分量。而通过卡尔曼滤波处理可以准确地估算出实际的输入侧电流变换后的直流分量，因此，可以进一步，提高整流器的输出电压的稳定性。卡尔曼滤波处理的计算方程为：其中，k为大于0的整数，ω_k、v_k为噪声；y_k为观测量；φ_k为系统矩阵；c_k为观测矩阵；x_k为状态变量。可以通过MATLAB的SIMULINK工具箱中Kalman Filter模块来进行参数设计。然后，通过状态预测、状态估计、滤波增益、预测均方差、计算实际均方差来递推出卡尔曼实际测量值。

本发明还提供一种与上述整流器的控制方法对应的控制装置。请参阅图3，一实施例的整流器的控制装置，包括：

电压偏差确定模块310，用于获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定参考电压与输出侧电压的电压偏差；

参考电流确定模块320，用于对电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流；

输入侧量获取模块330，用于获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量；

滤波结果确定模块340，用于对电流分量进行滤波处理得到滤波结果；

电流偏差确定模块350，用于根据参考电流与滤波结果确定电流偏差；

控制量确定模块360，用于对电流偏差进行比例控制处理得到控制量；

控制信号确定模块370，用于根据控制量及电压峰值确定参考控制信号。

上述整流器的控制装置，获取参考电压及整流器的输出侧电压，并确定参考电压与输出侧电压的电压偏差；对电压偏差进行比例积分控制处理得到参考电流；获取整流器的输入侧的电压峰值及电流分量；对电流分量进行滤波处理得到滤波结果；根据参考电流与滤波结果确定电流偏差；对电流偏差进行比例控制处理得到控制量；根据控制量及电压峰值确定参考控制信号。该控制装置基于电压定向电流解耦双闭环控制方法，且不再采用对电流分量进行比例积分控制处理的方式得到控制量，而是采用比例控制处理方式与对电流分量进行滤波处理结合的方式代替了原有的比例积分控制处理，从而，提高控制方法的响应速度，减少控制延迟，达到使得整流器的输出电压稳定的有益效果。

请参阅图4，在其中一个实施例中，输入侧量获取模块330，包括：

参数获取单元331，用于获取整流器的输入侧电压、输入侧电流及相位角；

电流分量确定单元333，用于根据相位角及输入侧电流对输入侧电流进行d-q变换，确定电流分量，电流分量包括有功电流分量及无功电流分量；

电压分量确定单元335，用于根据相位角及输入侧电压对输入侧电压进行d-q变换，确定电压峰值。

在其中一个实施例中，获取整流器的相位角的方式为采用DSOGI-PLL算法对整流器的输入侧电压进行锁相。

在其中一个实施例中，控制信号确定模块370，包括：

控制电压确定单元371，用于将电压峰值作为前馈电压，结合控制量确定参考控制电压；

信号脉冲调制单元373，用于将参考控制电压进行脉冲调制，得到参考控制信号。

在其中一个实施例中，滤波处理为卡尔曼滤波处理。

由于上述控制装置与上述控制方法相互对应，为节约篇幅，对于相同的细节技术特征，在此不作赘述。

请参阅图5，本发明还提供一实施例的整流器的控制电路，包括：输出侧电压运算器110、电压环比例积分控制器120、电流运算器130、电流环比例控制器140、输入侧电压运算器150、滤波装置160及输入侧采集装置170。

整流器200的输出侧、输出侧电压运算器110、电压环比例积分控制器120、电流运算器130、电流环比例控制器140及输入侧电压运算器150依次连接，并且输入侧电压运算器150连接整流器200的控制端。输出侧电压运算器110还接入参考电压Uref。参考电压Uref为整流器200为达到整流目的需要输出的电压的参考值，该参考值可以根据经验确定。

输入侧采集装置170包括输入端和输出端，输入侧采集装置170的输入端连接整流器200的输入侧，输入侧采集装置170的输出端包括电流输出端Id/Iq和电压输出端Ud，电压输出端Ud连接输入侧电压运算器150。滤波装置160连接在电流输出端Id/Iq与电流运算器130之间。

输出侧电压运算器110为对整流器200的输出侧电压及参考电压Uref进行运算的运算器。该运算器与整流器200的输出侧及参考电压Uref连接。进一步地，该运算器可以为加法器，对正向输入到该运算器的参考电压Uref及反向输入到该运算器的整流器200的输出侧电压进行加法运算，从而，得到参考电压Uref与输出侧电压的偏差。可以理解地，该运算器也可以为减法器，此时，参考电压Uref和输出侧电压均需正向输入到该运算器，才能得到参考电压Uref与输出侧电压的偏差。

电压环比例积分控制器120为在电压环所采用的控制器，就该控制器为比例积分控制器。该比例积分控制器对输出侧电压运算器110的输出结果进行处理，得到电流环的参考电流值。需要说明的是，该处理为利用目前已有的比例积分传递函数进行处理。

输入侧采集装置170为对整流器200的输入侧电流和输入侧电压进行采集、处理并输出的装置。输入侧采集装置170的输出端包括电流输出端Id/Iq和电压输出端Ud，其中电流输出端Id/Iq为输出经过处理的电流的输出端，电压输出端Ud为经过处理的电压的输出端。

滤波装置160为对波形进行滤波的装置，如可以为滤波器，具体地，可以为有限冲激响应(FIR)滤波器或无限冲激响应(IIR)滤波器。在本实施例中，滤波装置160连接电流输出端Id/Iq，对电流输出端Id/Iq输出的电流进行滤波。

电流运算器130为对电流进行运算的运算器。在本实施例中，电流运算器130连接电压环比例积分控制器120及滤波装置160，对电压环比例积分控制器120输出的参考电流值及滤波装置160的滤波结果进行运算处理得到电流偏差。进一步地，该运算器可以为加法器，对正向输入到该运算器的参考电流及反向输入到该运算器的滤波装置160的滤波结果，从而，得到电流偏差。可以理解地，该运算器也可以为减法器，此时，参考电流和滤波结果均需正向输入到该运算器，才能得到电流偏差。

电流环比例控制器140为在电流环所采用的控制器，该控制器为比例控制器。该比例积分控制器对电流运算器130输出的电流偏差进行处理，得到控制量。需要说明的是，该处理为利用目前已有的比例传递函数进行处理。

输入侧电压运算器150为与整流器200的输入侧经过输入侧采集装置170连接的对电压进行运算的运算器。在本实施例中，将输入侧采集装置170的电压输出端Ud输出的电压作为前馈电压，输入到输入侧电压运算器150。输入侧电压运算器150对电流环比例控制器140输出的控制量及电压输出端Ud输出的前馈电压进行运算处理，得到参考控制电压。进一步地，该运算器可以为加法器，对正向输入到该运算器的控制量及前馈电压进行加法处理，从而，得到参考控制电压。参考控制电压为对整流器200进行控制的电压。输入侧电压运算器150连接整流器200的控制端，从而对整流器200进行控制。

由于整流器200的输出侧、输出侧电压运算器110、电压环比例积分控制器120、电流运算器130、电流环比例控制器140及输入侧电压运算器150依次连接，并且输入侧电压运算器150连接整流器200的控制端。输出侧电压运算器110还接入参考电压Uref。输入侧采集装置170包括输入端和输出端，输入侧采集装置170的输入端连接整流器200的输入侧，输入侧采集装置170的输出端包括电流输出端Id/Iq和电压输出端Ud，电压输出端Ud连接输入侧电压运算器150。滤波装置160连接在电流输出端Id/Iq与电流运算器130之间。因此，上述整流器200的控制电路基于电压定向电流解耦双闭环控制电路，电流环不再采用比例积分控制器，而是采用电流环比例控制器140与滤波装置160相互配合的方式代替了原有的比例积分控制器，从而，提高控制电路的响应速度，减少控制延迟，达到使得整流器200的输出电压稳定的有益效果。

在其中一个实施例中，输出侧电压运算器110包括两个输入端及一个输出端，输出侧电压运算器110的一个输入端连接整流器200的输出侧，输出侧电压运算器110的另一个输入端接入参考电压Uref。

电压环比例积分控制器120包括输入端和输出端，电压环比例积分控制器120的输入端连接输出侧电压运算器110的输出端。电压环比例积分控制器120的输出端连接电流运算器130。

在其中一个实施例中，滤波装置160包括输入端和输出端，滤波装置160的输入端连接输入侧采集装置170的电流输出端Id/Iq。

电流运算器130包括两个输入端及一个输出端，电流运算器130的一个输入端连接输出侧电压运算器110的输出端，电流运算器130的另一个输入端连接滤波装置160的输出端，电流运算器130的输出端连接整流器200的控制端。

在其中一个实施例中，电流环比例控制器140包括输入端和输出端，电流环比例控制器140的输入端连接电流运算器130的输出端。

输入侧电压运算器150包括两个输入端和一个输出端，输入侧电压运算器150的一个输入端连接电流环比例控制器140的输出端，输入侧电压运算器150的另一个输入端连接输入侧采集装置170的电压输出端Ud，输入侧电压运算器150的输出端连接整流器200的控制端。

请参阅图6，在其中一个实施例中，还包括PWM调制器180，整流器200为三相PWM整流器。PWM调制器180连接在输入侧电压运算器150与整流器200之间。从而通过PWM波的形式对整流器200进行控制，进一步提高输出电压的稳定性。

在其中一个实施例中，输入侧采集装置170包括锁相环171及第一d-q变换模块172和第二d-q变换模块173。锁相环171连接在整流器200的输入侧，并连接第一d-q变换模块172和第二d-q变换模块173。第一d-q变换模块172连接滤波装置160，第二d-q变换模块173连接输入侧电压运算器150。本实施例对应的工作过程为：通过锁相环171得到整流器200的输入侧的相位角，第一d-q变换模块172对整流器200的输入侧电流进行d-q变换得到电流分量，该电流分量包括有功电流分量和无功电流分量，第二d-q变换模块173对整流器200的输入侧电压进行d-q变换得到整流器200的输入侧的电压峰值，作为前馈电压。

具体地，第一d-q变换模块172和第二d-q变换模块173均包括两个输入端和一个输出端。第一d-q变换模块172的一个输入端和第二d-q变换模块173的一个输入端均连接锁相环171的输出端。第一d-q变换模块172的另一个输入端输入整流器200的输入侧的电流，第二d-q变换模块173的另一个输入端输入整流器200的输入侧的电压。第一d-q变换模块172的输出端连接滤波装置160。第二d-q变换模块173连接输入侧电压运算器150。

在其中一个实施例中，为了进一步提高整流器200的输出电压的稳定性，滤波装置160为卡尔曼滤波器。如此，保证在滤波阶数较小的情况下，得到更好的滤波效果，而在滤波阶数较高的情况下，可以仍然可以得到使得整流器200的输出电压稳定的有益效果。

在其中一个实施例中，输出侧电压运算器110为输出侧电压加法器，或/及，电流运算器130为电流加法器，或/及输入侧电压运算器150为输入侧电压加法器。

在其中一个实施例中，还包括整流器200。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。