应用于电能路由器的三相PWM整流器软启动方法及系统

应用于电能路由器的三相pwm整流器软启动方法及系统
技术领域
1.本发明属于整流器控制技术领域，尤其涉及电能路由器端口的三相pwm整流器软启动方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.多端口低压电能路由器主要用于小型居民区、商业楼宇等较小范围的供电，电压等级为交流380v。电能路由器在物理结构上为三个以上电能端口通过交直流母线进行连接，若任一端口若发生意外，均会对电能路由器的整体稳定运行影响。三相pwm整流器作为电能路由器与配电网的接口，是整个系统核心装备，不仅需要具备快速平稳启动，建立稳定的直流母线电压能力，而且要具备端口处理整流器温度过高或者电流冲击过大的保护能力，避免故障波及电能路由器中的其他设备。
4.发明人发现，当pwm整流器加阶跃信号直接启动时，其并网电流会产生较高的冲击，此外，三相pwm整流器应用至电能路由器时，若pi参数配合不当，造成直流侧电压超调较大，极易触发过压保护，甚至直接烧毁开关器件，同时可能损坏电能路由器中其他端口变换器的电路。为此，抑制电流冲击的传统软启动策略被应用到整流器启动过程中。
5.目前，整流器软启动方法存在的问题是：软启动方案大多只是通过逐步增大启动电流给定值来抑制启动电流过冲问题，如公开号：cn 110445406 a，通过改变启动过程的pwm信号调制比，使得整流器的pwm信号在整个启动过程中都有输出；如公开号：cn 107196496 a，侧重于考虑不控到控制切换过程中的相位切换问题。没有对pwm信号的控制加以额外限制，当启动过程的意外电流过大或者温度过高的情况，无法满足电能路由器的实际应用需求。
6.上述方法的共同点都侧重于使用开环逐步增大直流侧电压给定参考值，来抑制整流器启动过程中的电流冲击问题，未考虑启动过程温升(如频繁启动)以及意外过流等因素对整流器本身和电能路由器其他端口造成不利影响的问题，即需要考虑整流器启动过程中的保护问题。


技术实现要素：

7.为克服上述现有技术的不足，本发明主要针对电能路由器应用场景下，提供了三相pwm整流器软启动方法，不仅能够大大降低冲击电流，还提供整流器过温过流保护，从系统角度提高pwm整流器启动过程的可靠性，保证电能路由器的安全稳定运行。
8.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
9.第一方面，提供了应用于电能路由器的三相pwm整流器软启动系统，包括：
10.主电路、锁相环、电压电流环pi控制器、过温过流保护单元；
11.所述pwm整流器被控制工作在不控整流模式，交流电源通过主电路向直流侧电容
充电达到稳态直流电压；
12.封锁所述pwm整流器的驱动信号，使开关器件均处于关断状态，启动所述锁相环并禁止所述电压电流环pi控制器动作；
13.所述锁相环输出稳定后，开启pwm整流器的驱动信号并投入所述电压电流环pi控制器，直流电压给定值从稳态直流电压按照等斜率缓慢增加至目标电压；
14.所述过温过流保护单元在软启动过程中检测电流和启动缓冲电阻温度，当出现电流或者电阻温度超过设定值时，封锁pwm信号，以保护三相pwm整流器。
15.作为进一步的技术方案，所述pwm整流器为三相整流桥路，对两电平h桥、t型三电平、npc三电平，以及其他常见的拓扑桥路均适用。
16.作为进一步的技术方案，所述主电路用于流过被控大电流，通过整流器将交流电转换为直流电。
17.作为进一步的技术方案，所述锁相环用于跟踪电网电压的相位，输出实时电网参考角频率，为控制环节的三相电流进行park变换提供相位参考。
18.作为进一步的技术方案，所述电压电流环pi控制器，用于快速跟踪直流侧电压给定的参考值，最终将输出值转换为pwm信号，用以驱动主电路的整流器工作。
19.作为进一步的技术方案，所述缓冲电阻为大功率低阻值的电阻，在工作时候，起到抑制高电压造成的浪涌。
20.第二方面，提供了应用于电能路由器的三相pwm整流器软启动方法，包括：
21.将pwm整流器控制工作在不控整流模式，交流电源通过主电路向直流侧电容充电达到稳态直流电压；
22.封锁pwm整流器的驱动信号，使开关器件均处于关断状态，启动所述锁相环并禁止所述电压电流环pi控制器动作；
23.锁相环输出稳定后，开启pwm整流器的驱动信号并投入电压电流环pi控制器，直流电压给定值从稳态直流电压按照等斜率缓慢增加至目标电压。
24.作为进一步的技术方案，整个启动过程中时刻监测整流器的输出电流和缓冲电阻的温度变化，并将监测值反馈给pwm信号输出环节，保障整流器的安全可靠工作。
25.作为进一步的技术方案，通过断开与缓冲电阻并联的继电器，将缓冲电阻串入交流回路，此时pwm整流器工作在不控整流模式。
26.作为进一步的技术方案，所述稳态直流电压小于目标电压。
27.作为进一步的技术方案，通过闭合继电器，将缓冲电阻旁路，然后封锁pwm整流器的所有pwm的驱动信号。
28.作为进一步的技术方案，整个启动过程中时刻监测整流器的输出电流、缓冲电阻和开关器件的温度变化，并将监测值反馈给pwm信号输出环节，保障整流器的安全可靠工作。
29.上述方案主要应用在电能路由器的三相pwm整流器的软启动，具备对所在电能路由器的保护功能，亦可应用于其他三相pwm整流器启动过程，尤其是对启动过程有过温过流有保护要求的的启动过程中。
30.该方法有效避免直接启动造成的直流母线过电压和电流过冲现象，保障整流器启动过程的安全，延长整流器使用寿命，同时满足了电能路由器对pwm整流器端口的保护要
求，保障电能路由器整体安全稳定运行。
31.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
32.(1)本发明提供的pwm整流器软启动方法，通过等斜率缓慢增加电压给定，避免了阶跃给定值造成的pi饱和及过调制，输出侧直流母线电压平稳上升，电压超调基本消除，同时并网电流冲击大大减小，能有效保护开关器件和整个电路的安全性，同时基本不增加算法的复杂度，易于工程实现。
33.(2)本发明提供的pwm整流器软启动方法，启动过程与稳态运行的pi参数一致，启动完毕后无需切换参数即可直接加负载投入运行。
34.(3)本发明提供的pwm整流器软启动方法，从系统层面对整流器的启动过程进行保护，当启动过程中出现外部干扰(电流过程，环境温度过高等因素)或者整流器频繁启动造成整流器过热等问题时，过温过流保护环节可以直接封锁pwm信号，防止过流现象及进一步温升现象的发生，保障整流器的安全可靠运行。
35.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
36.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
37.图1为本发明实施例的三相pwm整流器空载软起动控制框图；
38.图2为本发明实施例的三相pwm整流器空载软起动流程图；
39.图3为本发明实施例的三相pwm整流器直接起动的直流电压和并网电流波形；
40.图4为本发明实施例的三相pwm整流器软起动的直流电压和并网电流波形。
具体实施方式
41.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
43.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.正如背景技术所介绍的，现有三相pwm整流器软启动过程对于整流器的输出近似于一个开环控制，没有从系统层面考虑一些外部干扰，或者频繁启动等造成整流器温升问题，对整流器的影响。为此，本实施例提供了一种简单可靠的三相pwm整流器软起动控制方法。
45.本实施例子中针对pwm整流器直接启动时并网电流冲击过大的问题以及现有软启动保护不到位问题，提出了一种增加保护的软启动方法及系统。
46.实施例子一
47.本实施例公开了三相pwm整流器软启动方法的控制框图如图1所示，包括：
48.主电路、锁相环、电压电流环pi控制器、过温过流保护环节；
49.主电路用于流过被控大电流，通过整流器将交流电转换为直流电。
50.其中，e
abc
为三相电网电压，l
abc
为滤波电感，用于滤除网侧电流的高次谐波；r
rabc
为大功率缓冲电阻，在启过程起到抑制高电压造成的浪涌，使得启动电流不至于过大，具有缓冲的作用；r
rabc
同时并联继电器，c为直流侧支撑电容，用于滤除直流侧输出电压的高次谐波，稳定输出电压，启动时直流侧为空载。
51.锁相环用于跟踪电网电压的相位，输出实时电网参考角频率θ，为控制环节的三相电流进行park变换提供相位参考。
52.电压电流环pi控制器，用于快速跟踪直流侧电压给定的参考值，最终将输出值转换为pwm信号，用以驱动主电路的整流器工作。典型的增量式离散pi控制器表达式为：
53.ui＝kits(u
dcref-u
dc
)+uiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
54.u＝k
p
(u
dcref-u
dc
)+uiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
55.其中，ki为积分系数，k
p
为比例系数，u
dcref
为给定参考值，u
dc
为检测值，u为pi控制器的最终输出值。
56.过温过流保护环节用于防止整流器软启动过程中温度过高或电流过大。其工作原理为检测主电路的缓冲电阻rr温度以及检测主电路流过的电流，并与给定最大允许值进行比较，当超过允许值时，便封锁pwm信号，即使pwm信号输出为0，反之在允许范围内，则pwm信号正常输出。
57.实施例子二
58.本实施例公开了三相pwm整流器软启动方法，软启动的工作原理，其流程图如图2所示，整流器的软启动过程分为不控整流过程和可控整流过程前后两个过程：
59.首先，所述pwm整流器控制工作在不控整流模式。交流电源通过主电路经缓冲电阻rr向直流侧电容充电达到稳态直流电压u
dc1
，且满足封锁所述pwm整流器的驱动信号，使开关器件均处于关断状态。
60.t0时刻，旁路缓冲电阻；
61.需要说明的是，必须保证pwm信号全部调整为0电位输出，即开关器件全部关断，电流无法通过可控器件输出到负载，只能通过二极管电路输出到负载，否则因各开关状态不变，整流器交流侧的电流将通过开关器件构成短路回路，必然导致交流侧过流。
62.等到所述锁相环输出稳定后，进入可控整流模式。开启pwm整流器的驱动信号，并投入所述电压电流环pi控制器跟踪直流电压给定值，直流电源给定值从u
dc1
按照等斜率缓慢增加至目标电压
63.上述过程中，温度传感器以及电流传感器时刻检测整流器温度及电流变化，当温度或者电流超过最大允许值，或长时间工作在超过额定值时，会直接封锁pwm输出信号，即使整流器工作在不控整流状态，输出电压回落到输出电流也会跟随降低，待到温度和电流都正常的时候，再次开启可控整流，控制整流器升到目标电压，可以有效防止一些干扰或者外部因素影响下，整流器电流过冲现象的发生，保障整流器安全可靠运行，延长整流器使用寿命。
64.相比较直接启动过程，当整流器采用软启动时，可有效避免直接启动造成的直流母线过电压和电流过冲现象。经实验验证，电流尖峰下降幅度高达53.3％，直流母线电压过
冲明显降低，为设备的安全和稳定可靠的运行提供了保障，具有广泛的实际应用场景以及很强的实际应用价值。
65.上述闭环可控整流器，通过
66.u
dcref
＝u
dc1
+kts
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
67.直流母线电压以等斜率缓慢增加，避免了阶跃给定目标值造成的pi饱和和过调制问题。
68.式(3)，通过一定的斜率系数k，使得整流器在满足快速启动的同时，兼顾直流母线电压的上升速率，直至上升到目标电压上升过程中证启动过程的可靠稳定。
69.启动过程中，时刻监测整流器温度及电流变化，并在超出允许值时立刻进行保护。
70.上述整流器运用电力电子器件，包括igbt、mosfet、sic及新型可关断器件所构成三相整流桥路。所述整流器包括但不局限于t型三电平、npc三电平、h桥两电平等常见整流器拓扑结构。
71.仿真例子
72.pwm整流器仿真参数如表1所示。
73.表1
[0074][0075]
pwm整流器加阶跃给定信号直接启动及投入负载后的直流电压和并网电流波形如图3所示。
[0076]
0～0.01s：不控整流模式，稳态直流电压u
dc1
＝600v；
[0077]
0.01s～0.05s：加阶跃信号直接启动，直流电压超调约13v，同时网侧电流冲击很大，幅值高达120a。
[0078]
0.05s之后：保持所有pi调节器参数不变，直流侧加入20kw的负载，稳态并网电流波形质量很好，电流thd仅为4.23％，满足并网要求。
[0079]
pwm整流器使用所提出的软启动方法及加入负载后的直流电压和并网电流波形图
4所示。
[0080]
0～0.01s：不控整流模式，稳态直流电压u
dc1
＝600v；
[0081]
0.01s～0.05s：软启动过程，其中电压给定值按照斜率k＝1000v/s缓慢增加。直流侧电压基本无超调，并网电流尖峰仅为约56a，与直接启动相比，并网电流冲击幅值减小约一半，使得启动过程更加安全稳定，有效保护设备的安全。
[0082]
0.05s之后：保持所有pi调节器参数不变，直流侧加入20kw的负载，稳态并网电流波形质量很好，电流thd与直接启动后加负载相同，为4.23％，满足并网要求。
[0083]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。