一种电流型PWM整流器及其无源控制方法与流程

一种电流型pwm整流器及其无源控制方法
技术领域
1.本发明涉及电流型pwm整流器技术领域，特别是涉及一种电流型pwm整流器及其无源控制方法。


背景技术：

2.电流型pwm整流器具有交流侧电流质量高，功率因数可控，直流侧电压范围宽，电流可以连续可调的优点，广泛应用于超导磁储能、大功率电源和直流融冰的应用场景。然而，现有的电流型pwm整流器控制过程复杂且抗干扰能力低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提出一种电流型pwm整流器及其无源控制方法，解决现有电流型pwm整流器控制过程复杂且抗干扰能力低的技术问题。
4.一方面，提供一种电流型pwm整流器，包括：
5.依次连接的滤波单元、整流单元及负载单元；
6.所述滤波单元的输入端连接三相交流源，所述滤波单元的输出端连接所述整流单元的输入端，所述整流单元的第一输出端连接所述负载单元的输入端，所述整流单元的第二输出端连接所述负载单元的输出端；
7.所述滤波单元，用以滤除所述电流型pwm整流器交流侧接收的所述三相交流源的高次谐波；
8.所述整流单元，用以对滤波电压进行整流，得到整流电压；
9.所述负载单元，用以对接收的整流电压进行转化，实现能量输出。
10.优选地，所述滤波单元包括第一电感、第二电感和第三电感，所述滤波电容单元包括第一电容、第二电容和第三电容；
11.所述第一电感、所述第二电感和所述第三电感的第一端分别连接至三相交流源；所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接于所述第一连接点，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端连接于所述第二连接点，所述第三电感的第二端与所述第三电容的第一端连接于所述第三连接点；所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的第二端相互连接。
12.优选地，所述整流单元包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元；
13.所述第一开关单元与所述第四开关单元连接于所述第一连接点，所述第三开关单元与所述第六开关单元连接于所述第二连接点，所述第五开关单元与所述第二开关单元连接于所述第三连接点。
14.优选地，所述第一开关单元包括串联连接的开关s1和二极管d1，所述第二开关单元包括串联连接的开关s2和二极管d2，所述第三开关单元包括串联连接的开关s3和二极管d3，所述第四开关单元包括串联连接的开关s4和二极管d4，所述第五开关单元包括串联连
接的开关s5和二极管d5，所述第六开关单元包括串联连接的开关s6和二极管d6；
15.开关s1的第一端连接至二极管d1的阳极，开关s3的第一端连接至二极管d3的阳极，开关s5的第一端连接至二极管d5的阳极，二极管d1的阴极、二极管d3的阴极和二极管d5的阴极均连接至所述负载单元的输入端；开关s4的第一端连接至二极管d4的阳极，二极管d4的阴极连接开关s1的第二端，开关s6的第一端连接至二极管d6的阳极，二极管d6的阴极连接开关s3的第二端，开关s2的第一端连接至二极管d2的阳极，二极管d2的阴极连接开关s5的第二端，开关s4的第二端、开关s6的第二端及开关s2的第二端连接至所述负载单元的输出端。
16.优选地，所述负载单元包括串联的负载电感l
dc
和负载电阻r
l
；
17.所述负载电感l
dc
的一端连接所述负载电阻r
l
的一端，所述负载电感l
dc
的另一端作为所述负载单元的输入端，所述负载电阻r
l
的另一端作为所述负载单元的输出端。
18.另一方面，还提供一种电流型pwm整流器的无源控制方法，包括：
19.根据所述滤波电感的实际电流、所述整流单元的实际输出电流、所述整流单元的参考输出电流和所述三相交流源的相电压，计算预设的dq坐标系下所述滤波电容的dq参考电压；
20.根据所述滤波电感的实际电流、所述dq参考电压和所述滤波电容的实际电压计算所述整流单元的dq输入参考电流；
21.根据所述dq输入参考电流进行返dq变换和pwm调制得到pwm信号，以控制所述整流单元进行整流。
22.优选地，所述计算预设的dq坐标系下所述滤波电容的dq参考电压具体包括：
23.计算所述整流单元的参考输出电流和所述整流单元的实际输出电流之间的电流差，得到电流差值；对所述电流差值进行比例积分处理，确定预设dq坐标系下所述滤波电感的d轴参考电流；
24.根据预设的给定值作为dq坐标系下所述滤波电感的q轴参考电流，并根据所述d轴参考电流和所述q轴参考电流确定预设的dq坐标系下所述滤波电感的dq参考电流；
25.将所述滤波电感的实际电流和所述三相交流源的相电压进行dq坐标系转换，得到预设的dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流和所述三相交流源的dq相电压；
26.根据所述dq参考电流、所述dq实际电流和所述dq相电压计算所述滤波电容的dq参考电压。
27.优选地，根据以下公式计算所述滤波电容的dq参考电压：
[0028][0029]
其中，v
cd
*和v
cq
*为所述滤波电容的dq参考电压，i
sd
*和i
sq
*为所述滤波电感的所述dq参考电流，i
sd
和i
sq
为滤波电感的dq实际电流，v
sd
和v
sq
为三相交流源的dq相电压，r11和r22为阻尼系数。
[0030]
优选地，所述计算所述整流单元的dq输入参考电流具体包括：
[0031]
对所述滤波电容的实际电压进行dq变换，得到dq坐标系下的所述滤波电容的dq实
际电压；
[0032]
将所述滤波电感的实际电流进行dq坐标系转换，得到预设的dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流；
[0033]
根据所述滤波电容的dq参考电压、所述滤波电容的dq实际电压和所述滤波电感的dq实际电流，计算所述整流单元的dq输入参考电流。
[0034]
优选地，根据以下公式计算所述整流单元的dq输入参考电流：
[0035][0036]
其中，i
od
*和i
oq
*为dq输入参考电流，v
cd
*和v
cq
*为滤波电容的dq参考电压，v
cd
和v
cq
为滤波电容的dq实际电压，g11和g22为阻尼系数。
[0037]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0038]
本发明提供的电流型pwm整流器及其无源控制方法，采用无源控制方法对电流型pwm整流器进行控制，不仅可以实现有功和无功的独立解耦控制，实现单位功率因数控制，也可以用于无功功率补偿功能，此外，采用了无源控制方法，具有控制参数少，调试方便，抗干扰能力强的优点。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
[0040]
图1为本发明实施例中一种电流型pwm整流器的示意图。
[0041]
图2为本发明实施例中一种电流型pwm整流器及其无源控制方法的主流程示意图。
[0042]
图3为本发明实施例中一种电流型pwm整流器及其无源控制方法的逻辑示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0044]
如图1所示，为本发明提供的一种电流型pwm整流器的一个实施例的示意图。在该实施例中，包括：
[0045]
依次连接的滤波单元110、整流单元120及负载单元130；所述滤波单元110的输入端连接三相交流源，所述滤波单元110的输出端连接所述整流单元120的输入端，所述整流单元120的第一输出端连接所述负载单元130的输入端，所述整流单元120的第二输出端连接所述负载单元130的输出端；
[0046]
本实施例中，所述滤波单元110，用以滤除所述电流型pwm整流器交流侧接收的所述三相交流源的高次谐波；所述滤波单元110包括第一电感、第二电感和第三电感，所述滤波电容单元包括第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电感、所述第二电感和所述第三
电感的第一端分别连接至三相交流源；所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接于所述第一连接点，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端连接于所述第二连接点，所述第三电感的第二端与所述第三电容的第一端连接于所述第三连接点；所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的第二端相互连接。
[0047]
可理解的，滤波单元110，包括三个滤波电感l和三个滤波电容c，用于滤除电流型pwm整流器100交流侧的高次谐波。滤波电感l的第一端分别连接至三相交流源，滤波电容c的第一端分别连接至滤波电感l的第二端，滤波电容c的第二端相互连接。三相交流源的三相交流相电压v
sa
、v
sb
、v
sc
；三相交流源的输出电流经过滤波电感l进行滤波，到滤波电感l的实际电流i
sa
、i
sb
、i
sc
和滤波电容c的实际电压v
ca
、v
cb
、v
cc
；经过滤波电容c后的滤波电流i
oa
、i
ob
、i
oc
，该滤波电流i
oa
、i
ob
、i
oc
输出至整流单元120。
[0048]
本实施例中，所述整流单元120包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元；所述第一开关单元与所述第四开关单元连接于所述第一连接点，所述第三开关单元与所述第六开关单元连接于所述第二连接点，所述第五开关单元与所述第二开关单元连接于所述第三连接点。所述整流单元120，用以对滤波电压进行整流，得到整流电压。
[0049]
具体地，所述第一开关单元包括串联连接的开关s1和二极管d1，所述第二开关单元包括串联连接的开关s2和二极管d2，所述第三开关单元包括串联连接的开关s3和二极管d3，所述第四开关单元包括串联连接的开关s4和二极管d4，所述第五开关单元包括串联连接的开关s5和二极管d5，所述第六开关单元包括串联连接的开关s6和二极管d6；
[0050]
开关s1的第一端连接至二极管d1的阳极，开关s3的第一端连接至二极管d3的阳极，开关s5的第一端连接至二极管d5的阳极，二极管d1的阴极、二极管d3的阴极和二极管d5的阴极均连接至所述负载单元的输入端；开关s4的第一端连接至二极管d4的阳极，二极管d4的阴极连接开关s1的第二端，开关s6的第一端连接至二极管d6的阳极，二极管d6的阴极连接开关s3的第二端，开关s2的第一端连接至二极管d2的阳极，二极管d2的阴极连接开关s5的第二端，开关s4的第二端、开关s6的第二端及开关s2的第二端连接至所述负载单元的输出端。
[0051]
可理解的，整流单元120，包括第一开关单元至第六开关单元，每个开关单元均包括串联连接的开关和二极管。图中，第一开关单元包括开关s1和二极管d1，第二开关单元包括开关s2和二极管d2，第三开关单元包括开关s3和二极管d3，第四开关单元包括开关s4和二极管d4，第五开关单元包括开关s5和二极管d5，第六开关单元包括开关s6和二极管d6。第一开关单元与第四开关单元连接至第一连接点，第三开关单元与第六开关单元连接至第二连接点，第五开关单元与第二开关单元连接至第三连接点。
[0052]
其中，开关s1的第一端连接至二极管d1的阳极，开关s3的第一端连接至二极管d3的阳极，开关s5的第一端连接至二极管d5的阳极，二极管d1的阴极、二极管d3的阴极和二极管d5的阴极均连接至负载单元130的输入端；开关s4的第一端连接至二极管d4的阳极，开关s6的第一端连接至二极管d6的阳极，开关s2的第一端连接至二极管d2的阳极，二极管d4的阴极、二极管d6的阴极和二极管d2的阴极分别对应地连接至开关s1的第二端、开关s3的第二端和开关s5的第二端。开关s4的第二端、开关s6的第二端和开关s2的第二端均连接至负载单元130的输出端。滤波电感l的第二端与滤波电容c的第一端分别连接至第一连接点、第
二连接点和第三连接点。
[0053]
本实施例中，所述负载单元130包括串联的负载电感l
dc
和负载电阻r
l
；所述负载电感l
dc
的一端连接所述负载电阻r
l
的一端，所述负载电感l
dc
的另一端作为所述负载单元130的输入端，所述负载电阻r
l
的另一端作为所述负载单元130的输出端。所述负载单元130，用以对接收的整流电压进行转化，实现能量输出。
[0054]
本实施例中，基于图1中的电路结构，可以得到电流型pwm整流器的电压电流方程为：
[0055][0056]
其中，l为滤波电感的值，i
sk
为k相的滤波电感电流，v
sk
为三相交流源的k相的交流相电压，v
ck
为k相的滤波电容电压，i
ok
为整流单元的k相输入电流。
[0057]
上述交流电压和交流电流为abc参考坐标系下的电压和电流，可以对其分别进行abc坐标系到dq坐标系的abc/dq坐标变换，得到k相的交流相电压的dq轴分量v
sd
和v
sq
，滤波电容电压的dq轴分量v
cd
和v
cq
，k相的滤波电感电流的dq轴分量i
sd
和i
sq
，整流单元的输入电流的dq轴分量i
od
和i
oq
。则式可以分别表示为：
[0058][0059][0060]
转换为el格式为：
[0061][0062]
其中，
[0063][0064][0065]
为了实现无源控制，可以设计无源控制器为：
[0066][0067]
其中，xk*为xk的目标值，x
ek
＝x
k-xk*为误差相量，r
dk
为阻尼注入系数矩阵。由上式可以得到：
[0068][0069][0070]
其中，r11，r22，g11和g22均为阻尼系数。
[0071]
根据式进行无源控制可以得到滤波电容电压参考值v
cd
*和v
cq
*。然后，根据式进行无源控制可以得到整流单元120的输入电流参考值i
od
*和i
oq
*。将输入电流参考值i
od
*和i
oq
*进行dq/abc反变换，得到输入电流的参考值i
oa
*、i
ob
*和i
oc
*。根据输入电流的参考值i
oa
*、i
ob
*和i
oc
*进行pwm调制后输入整流单元120。
[0072]
如图2和图3所示，为本发明提供的一种电流型pwm整流器的无源控制方法的一个实施例的示意图。在该实施例中，所述方法包括以下步骤：
[0073]
根据所述滤波电感的实际电流、所述整流单元的实际输出电流、所述整流单元的参考输出电流和所述三相交流源的相电压，计算预设的dq坐标系下所述滤波电容的dq参考电压；也就是，基于所述滤波电感的实际电流i
sa
、i
sb
、i
sc
、所述整流单元的实际输出电流i
dc
、所述整流单元的参考输出电流i
dc
*和所述三相交流源的相电压v
sa
、v
sb
、v
sc
计算得到dq坐标系下所述滤波电容的dq参考电压v
cd
*和v
cq
*。
[0074]
本实施例中，所述计算预设的dq坐标系下所述滤波电容的dq参考电压具体包括：计算所述整流单元的参考输出电流和所述整流单元的实际输出电流之间的电流差，得到电流差值；对所述电流差值进行比例积分处理，确定预设dq坐标系下所述滤波电感的d轴参考电流；根据预设的给定值作为dq坐标系下所述滤波电感的q轴参考电流，并根据所述d轴参考电流和所述q轴参考电流确定预设的dq坐标系下所述滤波电感的dq参考电流；将所述滤波电感的实际电流和所述三相交流源的相电压进行dq坐标系转换，得到预设的dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流和所述三相交流源的dq相电压；根据所述dq参考电流、所述dq实际电流和所述dq相电压计算所述滤波电容的dq参考电压。
[0075]
可理解的，基于所述滤波电感的实际电流i
sa
、i
sb
、i
sc
、所述整流单元的实际输出电流i
dc
和所述整流单元的参考输出电流i
dc
*计算得到dq坐标系下的dq中间电压v
1d
和v
1q
；基于所述dq中间电压(v
1d
和v
1q
)和所述三相交流源的相电压v
sa
、v
sb
、v
sc
计算得到dq坐标系下所述滤波电容的dq参考电压v
cd
*和v
cq
*。
[0076]
具体地，基于所述滤波电感的实际电流、所述整流单元的实际输出电流和所述整流单元的参考输出电流计算得到dq坐标系下的dq中间电压，包括：基于所述整流单元的参考输出电流i
cd
*和所述整流单元的实际输出电流i
cd
计算得到dq坐标系下所述滤波电感的dq参考电流i
sd
*、i
sq
*；将所述滤波电感的实际电流i
sa
、i
sb
、i
sc
进行dq坐标系转换，得到计算得到dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流i
sd
、i
sq
；基于所述滤波电感的所述dq参考电流i
sd
*、i
sq
*和所述dq实际电流i
sd
、i
sq
得到所述dq中间电压v
1d
、v
1q
。其中，dq中间电压可以包括v
1d
＝v
sd-v
cd
和v
1q
＝v
sq-v
cq
。
[0077]
再具体地，对所述三相交流源的相电压v
sa
、v
sb
、v
sc
进行dq转换得到dq坐标系下所述相电压的dq相电压v
sd
、v
sq
；计算所述dq相电压v
sd
、v
sq
和所述dq中间电压v
1d
、v
1q
之差，得到dq坐标系下的所述滤波电容的dq参考电压v
cd
*、v
cq
*。
[0078]
基于所述整流单元的参考输出电流和所述整流单元的实际输出电流计算得到dq坐标系下所述滤波电感的dq参考电流；将所述滤波电感的实际电流和所述三相交流源的相电压进行dq坐标系转换，得到计算得到dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流和所述三相交流源的dq相电压；基于所述滤波电感的所述dq参考电流、所述dq实际电流和所述三相交流源的dq相电压得到所述滤波电容的dq参考电压。其中，计算所述整流单元的参考输出电流i
cd
*和所述整流单元的实际输出电流i
cd
之差，得到电流差值i
cd
*-i
cd
；对所述电流差值进行比例积分处理，得到dq坐标系下所述滤波电感的d轴参考电流i
sd
*；将给定值作为dq坐标系下所述滤波电感的q轴参考电流i
sq
*。
[0079]
根据以下公式计算所述滤波电容的dq参考电压：
[0080][0081]
其中，v
cd
*和v
cq
*为所述滤波电容的dq参考电压，i
sd
*和i
sq
*为所述滤波电感的所述dq参考电流，i
sd
和i
sq
为滤波电感的dq实际电流，v
sd
和v
sq
为三相交流源的dq相电压，r11和r22为阻尼系数。
[0082]
进一步的，根据所述滤波电感的实际电流、所述dq参考电压和所述滤波电容的实际电压计算所述整流单元的dq输入参考电流；也就是，基于所述滤波电感的实际电流i
sa
、i
sb
、i
sc
、所述滤波电容的dq参考电压v
cd
*和v
cq
*和所述滤波电容的实际电压v
ca
、v
cb
、v
cc
计算得到所述整流单元的dq输入参考电流i
od
*和i
oq
*。
[0083]
本实施例中，对所述滤波电容的实际电压进行dq变换，得到dq坐标系下的所述滤波电容的dq实际电压；将所述滤波电感的实际电流进行dq坐标系转换，得到预设的dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流；根据所述滤波电容的dq参考电压、所述滤波电容的dq实际电压和所述滤波电感的dq实际电流，计算所述整流单元的dq输入参考电流。
[0084]
具体地，对所述滤波电容的实际电压v
ca
、v
cb
、v
cc
进行dq变换，得到dq坐标系下的所述滤波电容的dq实际电压v
cd
、v
cq
；将所述滤波电感的实际电流i
sa
、i
sb
、i
sc
进行dq坐标系转换，得到计算得到dq坐标系下所述滤波电感的dq实际电流i
sd
、i
sq
；基于所述滤波电容的dq参考电压v
cd
*和v
cq
*、所述滤波电容的dq实际电压v
cd
和v
cq
、所述滤波电感的dq实际电流i
sd
和i
sq
，计算得到所述整流单元的dq输入参考电流i
od
*＝i
sd-i
od
、i
oq
*＝i
sq-i
oq
。
[0085]
再具体地，基于所述滤波电容的dq参考电压、所述滤波电容的dq实际电压和所述滤波电感的dq实际电流，计算得到所述整流单元的dq输入参考电流，包括：
[0086][0087]
其中，i
od
*和i
oq
*为dq输入参考电流，v
cd
*和v
cq
*为滤波电容的dq参考电压，v
cd
和v
cq
为滤波电容的dq实际电压，g11和g22为阻尼系数。
[0088]
进一步的，根据所述dq输入参考电流进行返dq变换和pwm调制得到pwm信号，以控制所述整流单元120进行整流。也就是，基于所述dq输入参考电流i
od
*和i
oq
*进行反dq变换(例如得到i
oa
*、i
ob
*和i
oc
*)和pwm调制得到pwm信号，以控制所述整流单元120进行整流。基于所述dq输入参考电流i
od
*和i
oq
*进行返dq变换得到abc坐标系下整流单元120的参考电流i
oa
*、i
ob
*和i
oc
*，并基于i
oa
*、i
ob
*和i
oc
*进行pwm调制得到pwm信号，以控制整流单元120进行整流。
[0089]
需说明的是，上述实施例所述系统与上述实施例所述方法对应，因此，上述实施例所述方法未详述部分可以参阅上述实施例所述系统的内容得到，此处不再赘述。
[0090]
综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
[0091]
本发明提供的电流型pwm整流器及其无源控制方法，采用无源控制方法对电流型pwm整流器进行控制，不仅可以实现有功和无功的独立解耦控制，实现单位功率因数控制，也可以用于无功功率补偿功能，此外，采用了无源控制方法，具有控制参数少，调试方便，抗干扰能力强的优点。
[0092]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。