一种pwm整流器虚拟磁链矢量初值估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子变换控制技术领域，涉及一种PWM整流器虚拟磁链矢量初值 估算方法。
【背景技术】
[0002] PWM整流器因具有能量可双向流动、功率因数可调和直流电压稳定等优点，大量的 电力电子应用场合越来越多地将PWM整流器当作关键装置，如不间断电源、四象限变频调 速、直流输电和风力发电、光伏发电等并网发电技术。因此，对PWM整流器及其控制技术进 行研宄，具有重要意义。
[0003] 实际应用中，需要检测PWM整流器的三相电网电压、电流和直流母线电压，附加设 置的众多传感器及其信号调理电路，增加了成本和系统复杂度。因此，降低PWM整流器成本 成为大家关注的热点问题之一。
[0004] PWM整流器的直流母线电压传感器和电网电流传感器参与控制和保护，一般不宜 删减，应用中最多的是无电网电压传感器的方案。对虚拟磁链定向控制的PWM整流器来说， 由于虚拟磁链观测时需使用积分运算，如果控制器在由不控整流状态切换至可控整流阶段 时，不能准确获得虚拟磁链的初始位置角及初始大小，即矢量初值存在偏差，则会使虚拟磁 链观测出现持续的偏差，带来PWM整流器控制性能下降甚至因冲击电流导致故障停机无法 正常启动的问题。因此，在虚拟磁链定向控制的PWM整流器中省去电网电压传感器后，虚拟 磁链矢量初值的估算显得尤为重要。
[0005] 到目前为止，有关虚拟磁链定向PWM整流器方面的研宄大多集中在如何改善虚拟 磁链观测中积分运算的偏移和振荡问题，而关于如何准确获得虚拟磁链矢量初值的报道很 少。
[0006] 侯兆然等在2014年11月第21期《电力系统保护与控制》上发表的"基于虚拟磁 链定向的PWM整流器控制方法研宄"一文中指出了准确观测虚拟磁链角度的重要性，并提出 将PID控制器的抗积分饱和思想移植到虚拟磁链观测的积分运算中。这种方法的主要缺点 有：1)需要合理设置虚拟磁链的输出限幅值；2)没有从根本上解决虚拟磁链矢量初始位置 角观测的问题，不能保证启动过程中虚拟磁链观测的准确度。因此，还是存在启动时出现冲 击电流的可能。
[0007] 李华明等在2015年3月第3期《电力电子技术》上发表的"无电网电压传感器的 三相PWM整流器控制"一文中提出了以电流矢量为参考坐标系的无电网电压传感器三相 PWM整流器控制方案，其中通过软件锁相环获得交流侧电流角频率与相位，进而通过电流与 虚拟磁链的关系间接估算虚拟磁链，这种方法的主要缺点是：为保证在空载情况下仍能正 确锁相，需在直流电容上并联一个功率电阻以维持锁相环稳定需要的最小电流，这样增加 了系统的空载损耗。
[0008] 柴继涛等在发明专利ZL201110097922. 5"无电网电压传感器同步PWM整流器矢量 控制方法"中提出了在PWM整流器启动前作用一段时间的零电压矢量获取虚拟磁链矢量初 值的方法，这种方法的主要缺点是：在零电压矢量作用瞬间，整流器的三相电网电压通过开 关器件短时短路，仍会引起冲击电流问题。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种PWM整流器虚拟磁链矢量初值估算方法，解决了现有技 术为了获得虚拟磁链矢量初值，在PWM整流器切换至PWM整流状态初期施加一段时间的零 矢量，造成短时短路引起冲击电流的问题。
[0010] 本发明所采用的技术方案是，一种PWM整流器虚拟磁链矢量初值估算方法，在即 将切换至PWM整流状态的时候，插入一段准切换阶段，在这个准切换阶段中，三相旁路接触 器仍然保持断开的状态，并不旁路掉网侧充电的限流电阻，在限流电阻继续抑制回路电流 的情况下，对PWM整流器施加零矢量PWM信号试探估算虚拟磁链矢量初值，
[0011] 在准切换阶段下试探得到虚拟磁链矢量位置和大小后，送入软件锁相环，由软件 锁相环继续后续的虚拟磁链在线估算，直到三相旁路接触器闭合，将网侧充电的限流电阻 旁路掉，真正切换至可控整流阶段的瞬间，软件锁相环将为PWM整流控制算法提供虚拟磁 链矢量初值信息。
[0012] 本发明的有益效果是，在PWM整流器启动期间为平滑地由不控整流状态切换至可 控整流阶段，增加一段很短时间的准切换阶段，在这个准切换阶段中，并不旁路掉网侧充电 限流电阻，在限流电阻继续抑制回路电流的情况下，对PWM整流器施加零矢量PWM信号试探 估算虚拟磁链矢量的初值，为平滑切换进入可控整流阶段提供了基本条件，避免了 PWM整 流器传统启动方法中不控整流到可控整流的切换过程中电流瞬态易出现过大冲击甚至造 成启动失败的情况，实现平滑切换。本发明方法易于实现，算法在进入PWM整流状态前完 成，不影响后续可控整流阶段的控制效果，在解决电流冲击问题的前提下，准确地对虚拟磁 链矢量初值进行估算，提高了系统的可靠性。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明方法的（无电网电压传感器PWM整流器）虚拟磁链矢量初值估算的 系统结构示意图；
[0014] 图2是本发明方法中的单同步坐标系软件锁相环原理框图；
[0015] 图3是本发明方法中的虚拟磁链定向控制PWM整流器的稳态矢量图；
[0016] 图4是本发明方法中三个阶段的工作原理流程图。
[0017] 图中，10.三相交流电源，20.三相开关，30.三相旁路接触器，40.限流电阻，50.三 相电抗器，60.交流电流传感器，70.功率变换器，81.直流滤波电容，82.直流电压传感器， 83.负载，100.DSP控制器，110.软件锁相环，120.虚拟磁链计算单元，111?操作单元，112. PI调节器，113?加法器，114.积分器。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019] 为解决现有方法中存在的上述诸多问题，从原理上保证虚拟磁链矢量初值估算的 准确性，进而避免PWM整流器启动时出现冲击电流，本发明提出一种新的装置启动方法，具 体操作时序见图1的时序图。本发明方法与现有控制方法相比，增加了一段准切换阶段，在 这个准切换阶段中，保持限流，对PWM整流器施加零矢量试探虚拟磁链矢量的初值，保证了 切入PWM可控整流阶段时虚拟磁链矢量不会有跃迀现象，避免了冲击电流，从而实现了平 滑的切换，从原理上保证了设备的安全启动，提高了设备可靠性。
[0020] 参照图1，本发明方法所依赖的（无电网电压传感器PWM整流器）估算虚拟磁链矢 量初值的系统结构是，三相交流电源10通过三相开关2〇(即图1中的三相开关ig与限流 电阻40 -端对应连接，限流电阻40包括并联的三个限流电阻R，在三个限流电阻R的两端 并联有三相旁路接触器30 (即图1中的三相旁路接触器K2)的触点；限流电阻40另一端通 过三相电抗器50 (即图1中的三相电抗器L)与功率变换器70输入端连接，三相电抗器50 与功率变换器70之间的三相线路上分别设置有一个交流电流传感器60(分别是图1中的 ia、ib、i。交流电流传感器）；功率变换器70的两个输出端与负载83对应连接，功率变换器 70的输出端与负载83的两个连接线路上接有直流滤波电容81 (即图1中的直流滤波电容 C)，直流滤波电容81两端设置有直流电压传感器82 ;
[0021]DSP控制器100中设置有互相连接的软件锁相环110和虚拟磁链计算单元120,交 流电流传感器60和直流电压传感器82同时与DSP控制器100的输入端连接；DSP控制器 100的（PWM信号）输出端与功率变换器70的（驱动信号）输入端连接，同时，DSP控制器 100的另一输出端（输出旁路接触器控制信号）与三相旁路接触器30的控制线圈连接。
[0022] 参照图2,软件锁相环110的内部结构是，包括闭环连接的操作单元111、PI调节 器112、加法器113和积分器114，
[0023] 操作单元111用于把虚拟磁链两相静止坐标下的分量iK和步^转化为两相旋转 坐标下的分量步(1和步q;
[0024]PI调节器112用于实现闭环控制，使itq= 0时即实现锁相；
[0025] 加法器113用于将PI调节器112的输出与实际电网额定频率相叠加以获得锁相 环的估计频率；
[0026] 积分器114用于将加法器113的输出频率进行积分获得锁相环输出的估计角度。
[0027] 本发明方法与传统方式不同，本发明不是在三相旁路接触器30闭合后，才发零矢 量PWM信号试探虚拟磁链矢量初值的，而是基于上述的操作结构，在即将切换至PWM整流状 态的时候