专利名称：一体化控制的能量回馈变频器控制方法
技术领域：
本发明涉及能量回馈变频器的控制方法，详细讲是一种动、静态性能好的一体化控制的能量回馈变频器控制方法。
背景技术：
随着电力电子技术的发展和国家节能减排政策的推动，变频器作为其发展的产物，在工业生产制造、冶金、石化及电力等各个行业得到广泛的应用，并发挥着重要的作用。特别是能量回馈变频器的应用日渐广泛。目前，变频器结构大多为如图I所示的二极管不控整流-直流-逆变结构，这种变 频器存在一些不足，不能用于快速启、停和频繁正、反转的调速场合。因为当电动机减速、制动和位能性负载下放时，电动机处于再生发电状态。由于二极管构成的不控整流电路的单向流动性，电动机产生的再生电能只能传输到直流侧，并不断积存在直流侧的滤波电容上，形成泵升电压，过高的泵升电压将击穿逆变电路的IGBT器件和并联在直流母线上的滤波电容。为避免电动机再生发电时，形成过高的泵升电压，通常在直流回路中并联如图I所示的功率制动单元，将再生能量通过功率制动单元中的制动电阻R产生热量消耗。如果电动机快速启、停或频繁正、反转，产生的再生能量就越多，不但造成大量能量的浪费，而且过多的能量将导致制动电阻温度过高，容易带来安全隐患。由于制动电阻产生较大热量，制动电阻需要特殊安装，造成安装困难等不足。如图2所示，通过在变频器中增加能量回馈装置，将再生能量回馈到电网，不但解决了能量浪费问题，还能满足快速启、停及频繁正、反转的运行要求，解决了泵升电压问题。但是外加能量回馈装置将导致一台变频器有两套整流电路，器件的性能得不到充分的发挥，增加了系统的成本和结构。为降低系统成本，充分发挥器件性能，减小变频器尺寸。现有技术提出一种能量回馈一体机，如图3所示，采用双PWM结构即用P丽整流/回馈、PWM逆变形成变频器。该结构的变频器中，关于PWM整流电路的控制方法，大概可以归纳为3种类型，即电压定向控制(Voltage Oriented Control，简称VOC)、基于电压的直接功率控制(Voltage based Direct Power Control ,简称V- DPC)和基于虚拟磁链的直接功率控制(Virtual Flux based Direct Power Control ,简称VF-DPC)。电压定向控制需要复杂的坐标变换，增加系统的复杂程度，系统的动态系能不好；基于电压的直接功率控制，功率计算时需要电流传感器和电压传感器测量电网侧的电流和电压，增加系统的成本，降低了可靠性；基于虚拟磁链的直接功率控制采用滞环控制器和逻辑开关表来调节有功功率和无功功率，产生整流电路IGBT的开关信号，致使开关频率不固定，不利于输入端滤波电感的参数设计，存在无功功率调节能力强，有功功率调节能力弱，且在一些区域内无功功率调节失控的不足。该结构的变频器中，关于PWM逆变电路的控制方法，大概可以归纳为3种类型，即恒压频比控制即U/F控制、磁场定向控制(Field-Oriented Control ,简称FOC)和传统的直接功转矩控制(Classical Direct Torque Control,简称DTC)。恒压频比控制即保持电机电压的幅值和频率比为某个恒定值，该方案限制了变频器输出的最低频率，主要适用于风扇和送风机等工业应用，存在运用范围受限、控制性能不好等缺点；磁场定向控制通过坐标变换，实现磁链、转矩的解耦控制，但需要复杂的坐标变换，增加系统的复杂程度，系统动态响应慢，并且系统工作过程中容易受电机参数影响；直接转矩控制由于采用滞环控制器实现对磁链和转矩的控制，并通过开关表产生逆变电路IGBT的开关信号，致使磁链、转矩脉动大、电流谐波含量高、低速性能不好及开关频率不定等不足。综上所述，电动机处于再生发电状态，变频器的整流电路采用不控整流或现有的PWM控制方法整流，变频器存在泵升电压过高、直流母线电容容量过大、功率因数低及再生能量浪费等不足；逆变电路采用恒压频比、矢量控制或现有的直接控制方法，应用范围有
限、运算复杂、开关频率不定及转矩脉动过大。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种能量回馈变频器动静态性能好，能够实现对电网高效、无污染能量回馈的一体化控制的能量回馈变频器控制方法。本发明的采用的技术方案是
一体化控制的能量回馈变频器的控制方法，包括整流电路的控制和逆变电路的控制，其特征在于整流电路的控制步骤如下
步骤I :变频器检测直流侧电压Ih和电网侧线电流Gb ,根据所测量的&、iA、h，
通过功率和虚拟磁链观测器计算有功功车,、无功功率及虚拟磁链的位置,详细计算如下
/I\\{J
I = I \^-Tz(S￡+Sc)jJ 福.炉
/ J/ Ff、
Wip = J d八SB - di +L- +
L 二秦
P:今iJ祕-
(中Ifi'
Ywl = arctan —
KVfIa J
式中 、^i、^c1为整流电路IGBT当如时刻的开关彳M号；X1为整流电路输入端的电感； 为电网电压频率；
步骤2 :将直流侧母线电压给定值I/-与实际值Ua比较得到偏差信号Eu，偏差信号
Eu经过母线电压PI控制器输出后与直流侧电压实际值D7i相乘计算得有功功率的参考
it. Pc ；
步骤3:为实现单位功率因数，设无功功率参考值k = O ；
步骤4:有功功率的参考值&与实际值Jl比较得到偏差信号￡；，偏差信号经过
有功功率PI控制器输出得到参考电压矢量;无功功率参考值孓与实际值级比较得到
偏差信号Eq ,偏差信号Eq经过无功功率PI控制器得到参考电压矢量。根据Ujw、U￥ 并结合虚拟磁链所在位置Yvl,经过简单的坐标变换可得到参考电压矢量Uaf、,详细计算如下
l7acI= I""Sm Ywl — C0S Twl I [U^-
Ppc J L cos YwL -sm ywz J[ _
步骤5 :根据参考电压矢量、Upc经过空间矢量调制技术得到整流电路IGBT下一时刻的预期开关信号Sa、Ss、Sc ,预期开关信号Sa、Ss、Se用于控制整流电路下一时刻的工
作状态。开关信号使得整流电路按期望的方式工作，实现再生能量高效、无污染回馈到电网。逆变电路的控制步骤如下
步骤I :变频器检测直流侧母线电压和电机定子电流k;
步骤2 :根据所测量的、‘、&及4，通过磁链和转矩观测器计算定子磁链的、转
矩 ；及定子磁链的位置K，详细计算如下
/ R" (I\\ / 2 /II
^ = J .)- I Sm--(Sm +Sc2) -Rs叙
、 22 2 JJJ
.rfV I , , ( f ^ ( I ,. . ,11 .
^ =批+ ￥i
/ 、、y, = 3i'ctSLH —式中&、&2、Sc2为逆变电路IGBT当前时刻的开关信号；尽为电机定子电阻、力电机极对数；为电机的相数；
步骤3 :定子磁链给定值与实际值4比较得到偏差信号Ev，偏差信号Ev经过磁链PI控制器得到参考电压矢量;转矩给定值I；与实际值I；比较得到偏差信号Et，偏差信号经过转矩PI控制器得到参考电压矢量Uipr ；
步骤4 :根据参考电压矢量、U淨及定子磁链所在位置Ys ,经过简单的坐标变换可得到参考电压矢量￡^2<:、U,u，详细计算如下
L/a2rl = T-sm^ cos^lpm-
cos Ys Sm Y5 U
步骤5 :参考电压矢量经过空间矢量调制技术得到逆变电路IGBT下一时刻
的预期开关信号‘、Ss2、Scn，预期开关信号Sm、S沿、用于控制逆变电路下一时刻的工作状态，开关信号使得逆变电路按期望的方式工作。整流电路的控制通过检测直流侧母线电压￡/&和电网侧线电流U、b进行电网侧
电压和虚拟磁链的计算；功率估计器根据电流和虚拟磁链估算有功和无功功率，有功和无功功率经过PI调节器和坐标变换后由空间矢量调制技术产生整流电路IGBT的开关信号
Sa、SsISc ,实现有功功率和无功功率的合理调节；整流电路的控制不需要电流内环控制
和PWM调制模块，通过估计值和给定值之间的偏差来实时的选择整流电路的开关状态，不需要旋转坐标变换和功率解耦控制，系统结构和算法都很简单，具有更高的功率因数、低的THD、算法及系统结构简单等优点。逆变电路的控制通过检测直流侧母线电压￡/&和电机定子电流及^进行
电机定子磁链和电磁转矩的计算，磁链和转矩经过PI调节器和坐标变换后由空间矢量调制技术产生逆变电路IGBT的开关信号，使系统按期望的方式工作，实现对电机的控制。这种控制方法不需要电流内环控制和PWM调制模块，通过估计值和给定值之间的误差来实时的选择逆变电路的开关状态，不需要旋转坐标变换和功率解耦控制，它的系统结构和算法都很简单，具有磁链、转矩脉动小、开关频率恒定、算法及系统结构简单等优点。本发明取消了交流侧电网电压传感器、降低了系统成本，解决了传统变频器电流谐波含量大、功率因数低、泵升电高、再生能量浪费、磁链和转矩脉动大、低速性能不好及系统容易受电机参数影响等问题，使得系统具有良好的动静态性能，使变频器的性能得到很大的提闻。
图I传统变频器的主电路拓扑结构 图2外加能量回馈装置变频器的主电路拓扑结构图；、图3为本发明中能量回馈变频器的主电路拓扑结构 图4为本发明控制方法的原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明体的具体实施作进一步的详细说明。如图3所示，本发明中能量回馈变频器的主电路拓扑结构是，包括整流电路、滤波电路和逆变电路；其中整流电路为IGBT构成的三相整流桥，逆变电路为IGBT构成三相逆变桥。变频器工作过程中，若直流母线电压低于预先设定的阈值，整流电路将电网侧的三相交流电进行整流得到直流电，逆变电路将整流电路得到的直流电进行逆变得到交流电供给电机，电机处于拖动状态；当电机处于减速、停机或位能性负载下放时，电机产生的再生能量通过逆变电路传输到滤波电路的电容上，此时若直流母线电压高于预先设定值，整流电路将再生能量反馈到电网。上述能量回馈变频器的控制方法包括如下步骤·
整流电路的控制步骤如下
步骤I:变频器检测直流侧电压^和电网侧线电流U、h ,根据所测量的Ub ,
通过功率和虚拟磁链观测器计算有功功率、无功功率7及虚拟磁链的位置JVi ,详细计算如下
I = I | + )))減.孤
Wlfi = J (士4 (Ss - Sc)) . f 指1 + 执
._ (2.
lIa =
hfi - +
,Vj/)
y z = arctan
式中&、&、&为整流电路IGBT当前时刻的开关信号u力整流电路输入端的电感力电网电压频率；
步骤2 :将直流侧母线电压给定值与实际值Ua比较得到偏差信号Eu，偏差信号
Eu经过母线电压PI控制器输出后与直流侧电压实际值相乘计算得有功功率的参考iM-Pc ；
步骤3 :为实现单位功率因数，设无功功率参考值办二 Cl ；
步骤4 :有功功率的参考值Pc与实际值P比较得到偏差信号Ep，偏差信号Ev经过
有功功率PI控制器输出得到参考电压矢量L/p ;无功功率参考值务与实际值g比较得到
偏差信号Eq ,偏差信号Eq经过无功功率PI控制器得到参考电压矢量。根据[/ 、Uqc
并结合虚拟磁链所在位置,经过简单的坐标变换可得到参考电压矢量&^、Ufic，详细计算如下
权利要求
1.一体化控制的能量回馈变频器控制方法，包括整流电路的控制和逆变电路的控制，其特征在于整流电路的控制步骤如下 步骤I:变频器检测直流侧电压和电网侧线电流U、h ,根据所测量的UhiA、is，通过功率和虚拟磁链观测器计算有功功率P、无功功率g及虚拟磁链的位置,详细计算如下
全文摘要
一体化控制的能量回馈变频器控制方法，涉及能量回馈变频器的控制方法。整流电路的控制是检测直流侧母线电压和电网侧线电流、进行电网侧电压和虚拟磁链的计算；功率估计器根据电流和虚拟磁链估算有功和无功功率，有功和无功功率经过PI调节器和坐标变换后由空间矢量调制技术产生整流电路IGBT的开关信号、及。逆变电路的控制通过检测直流侧母线电压和电机定子电流、及进行电机定子磁链和电磁转矩的计算，磁链和转矩经过PI调节器和坐标变换后由空间矢量调制技术产生逆变电路IGBT的开关信号，使系统按期望的方式工作，实现对电机的控制。本发明使得系统具有良好的动静态性能，使变频器的性能得到很大的提高。
文档编号H02M7/5387GK102723908SQ20121022158
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月30日 优先权日2012年6月30日
发明者张华强, 朱子文, 梁志平, 王新生 申请人:山东五福星电器科技有限公司