基于d-q坐标的单相PWM整流器的优化控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种单相PWM整流器的控制，尤其是一种基于d-q坐标的优化控制。
【背景技术】
[0002] 单相PWM整流器，主要需要完成以下两种控制目标：第一，直流侧电压保持在允许 的偏差范围内；第二，交流侧的功率因数接近于1或者-1，即单位功率因数控制。
[0003] 为了实现以上的两种控制目标，PWM整流器的控制系统广泛采用以电压为外环和 电流为内环的双环控制，目前主要使用的电流控制有瞬态电流控制，其本质是扰动量前馈 的电压电流双闭环控制。根据u ab (t) =Us (?)_ω LIcosot-P [Isino t_is(t)]得到如图1 所示的控制框图。其中P是比例调节器，L是变换器交流侧连接电抗，ω是网侧电压角频 率。该控制有较好的动态响应，但这种控制策略不能提供系统需要的无功分量，即不能控制 其功率因数。另一种控制方案是基于d-q坐标系的解耦控制，如图2所示。其变换器端口 电压在d轴的分量U d由三个分量组成，分别是单相交流电源电压有效值U s、ω LIq及（R-Lp) Id;变换器端口电压在q轴的分量Uq由两个分量组成，分别是ω LIdP (R-Lp) I 其中L是 变换器交流侧连接电抗，R是电感电阻，ω是网侧电压角频率，该控制方法较为复杂，并且 计算过程包含微分算子，影响了系统的稳定范围，控制器实现也较为复杂。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于d-q坐标的单相PWM整流器的优化控制方案，使之 在控制实现直流侧电压稳定控制及交流侧的功率因数控制基础上，使控制构更加简单明 了、动态响应灵敏，并且能实现功率因数控制。
[0005] 实现本发明目的的具体方案是：
[0006] 基于d-q坐标的单相PWM整流器的优化控制，采用电压外环和电流内环的双闭环 实现整流器电流的无功分量和功率因数控制，包含如下的步骤：
[0007] 1)通过单相锁相环PLL，得到与电源电压同相位的正弦信号Sii^s及反相位的余 弦信号，再根据基于单相电路瞬时功率的有功无功电流检测方法检测出的交流电流 中有功在d轴的直流分量、和交流电流中的无功在q轴的直流分量I
[0008] 2)电压外环控制：将电容电压实际值Vd与给定值Vd*之差经过比例微分控制器 (PIl)后，得到交流电流中有功分量的参考值I dref;
[0009] 3)电流内环控制：根据优化后的数学模型
[0010] Ud= -OLI q (7)
[0011] Uq=WLId (8)
[0012] 将Idrrf与Id之差经过比例微分控制器（PI2)计算后，作为变换器端口电压在q轴 上的分量Uq;平行地，将I 与I ,之差经过比例微分控制器（PI3)计算，再乘以-1后作为 变换器端口电压在d轴上的分量Ud;
[0013] 4)将3)步骤得到的UJPUtl与1)步骤得到的正弦信号sin代和余弦信号cos代分 别相乘，将二乘积之和作为单相整流器控制的正弦调制波，在所选择的调制方式下可得到 控制变换器开关管通断的开关信号（PWMs)。
[0014] 本发明在传统的单相d_q解耦控制的基础上，优化了单相整流器的数学模型，变 换器的端口电压在d，q坐标系上的分量U d，Uq分别仅由一个分量组成，且采用有功无功交 叉控制。
[0015] 与现有技术相比，本发明有益效果是：
[0016] 1、相对于传统的d_q解耦控制，本发明的控制结构更为简单明了，易于控制器的 数字化实现，系统的动态响应速度更快，系统稳定时间更短。
[0017] 2、相对于瞬态电流控制方法，本发明可以控制整流器电流的无功分量，易于实现 任意功率因数控制。
【附图说明】
[0018] 图1是传统的瞬态电流控制框图；
[0019] 图2是传统的d_q解耦控制框图；
[0020] 图3是本发明提出的优化后的d_q控制框图；
[0021] 图4是单相PWM整流器的结构图。
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
【具体实施方式】
[0023] 图3是本发明提出的基于d-q坐标的单相PWM整流器的优化控制。具体分为两个 部分：优化后的d_q控制的数学模型、有功电流和无功电流的检测。1、优化后的d-q解耦 控制的数学模型
[0024] 对图4所示的整流器采用基尔霍夫电压定律，可得：
[0025] uab (t) = us(t)-Ris(t)-Ldis/dt (4)
[0026] 其中，Uab是交流端口电压，u s是单相电源电压，L是交流侧连接电感，R是电感内 阻。
[0027] 将式（1)-⑶带入式⑷中，可得整流器在d-q坐标系下的数学模型为：
[0028] Ud= Us-QLIq-(R-Lp)Id (5)
[0029] Uq=QLId-(R-Lp)Iq (6)
[0030] 其中，p是微分算子。
[0031] 式（5)、（6)是现有d-q控制的数学模型，其因由三个分量组成，较为复杂，且含有 微分算子，影响了系统的稳定范围，控制器实现也较为复杂等缺点。由于其中电压有效值分 量1为常数，可等效为比例微分控制器（PI)的一个初始值；而（R-Lp) Id分量值相对于其他 通道值很小，也可通过调节比例微分控制器（PI)来达到其效果。故而，提出优化的d-q控 制，其数学模型为：
[0032] Ud=-QLIq (7)
[0033] Uq= c〇LId (8)
[0034] 由式（7)、（8)可知，变换器端口电压在d轴上的分量仅与交流电流中的有功在q 轴的直流分量Iq有关，端口电压在q轴上的分量仅与交流电流中的有功在d轴的直流分量 Id有关，优化了控制结构，实现有功无功交叉控制。
[0035] 2、有功电流和无功电流的检测
[0036] 本发明引入了一种单相有功无功电流的检测方法，即基于单相电路瞬时功率的单 相有功无功电流检测。其中单相PWM整流器中电压电流方向如图4所示。
[0037] 将整流器交流电流表示为：
[0038] is (t) = id(t)+iq(t)+ih(t) = Issin(〇t) (9)
[0039] 其中：
【主权项】
1.基于d_q坐标的单相PWM整流器的优化控制，采用电压外环和电流内环的双闭环实 现整流器电流的无功分量和功率因数控制，包含如下的步骤： 1) 通过单相锁相环PLL，得到与电源电压同相位的正弦信号sin代及反相位的余弦信号 cos代，再根据基于单相电路瞬时功率的有功无功电流检测方法检测出的交流电流中有功 在d轴的直流分量^和交流电流中的无功在q轴的直流分量Iq; 2) 电压外环控制：将电容电压实际值^与给定值vd*之差经过比例微分控制器（PI1) 后，得到交流电流中有功分量的参考值IdMf; 3) 电流内环控制：根据优化后的数学模型 Ud=_?LIq (7) Uq=d (8) 将IdMf与Id之差经过比例微分控制器（PI2)计算后，作为变换器端口电压在q轴上的 分量Uq;平行地，将I_与Iq之差经过比例微分控制器（PI3)计算，再乘以-1后作为变换 器端口电压在d轴上的分量Ud; 4) 将3)步骤得到的Ud和1与1)步骤得到的正弦信号sin代和余弦信号cos&分别相 乘，将二乘积之和作为单相整流器控制的正弦调制波，在所选择的调制方式下可得到控制 变换器开关管通断的开关信号（PWMs)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于d-q坐标的单相PWM整流器的优化控制方法，采用电压外环和电流内环的双闭环实现整流器电流的无功分量和功率因数控制，在传统的单相d-q解耦控制的基础上，优化了单相整流器的数学模型，变换器的端口电压在d，q坐标系上的分量Ud，Uq分别仅由一个分量组成，且采用有功无功交叉控制。相对于传统的d-q解耦控制，本发明的控制结构更为简单明了，易于控制器的数字化实现，系统的动态响应速度更快，系统稳定时间更短，可以控制整流器电流的无功分量，易于实现任意功率因数控制。
【IPC分类】H02J5-00, H02M1-42, H02M7-12
【公开号】CN104779648
【申请号】CN201510136650
【发明人】舒泽亮, 宋莎莎, 林静英, 陈亚军, 何晓琼
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月26日