基于RT-Lab的双向交-直-交PWM变流器控制系统

本发明属于变流器控制，更为具体地讲，涉及一种基于rt-lab的双向交-直-交pwm变流器控制系统。

背景技术：

1、双向交-直-交变流器是现代电力系统中的核心部件，其主要功能是对电能形式进行变换，其主要类型有基于晶闸管的相控型变流器和基于igbt(insulated gate bipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)的pwm变流器两类。虽然相控型变流器能够承载高电压与大电流，但由于晶闸管具有只能控制导通、而不能控制其主动关断的半控特性，同时其工作在低速开关状态导致输出波形的谐波含量非常高，因此相控型变流器并不适用于高频高精度的电力变换应用。与相控变流器相比，虽然pwm变流器的功率密度较低，但得益于其采用全控型功率半导体器件，因此可以工作于高频开关状态。在惯性系统中及合适的控制算法下，能够做到极高的控制精度。pwm变流器可以输出谐波含量和纹波峰峰值极低的直流电压，能够轻易地实现交流侧电压和电流的正弦化，并且还具有灵活控制其交流侧功率因数的能力，从而使其交流侧呈现受控电流源的特性。因此pwm变流器广泛应用于对电能输出质量要求较高的场合，如风力发电、太阳能光伏发电、电动汽车、不间断电源、电机控制等领域。

2、图1是双向交-直-交pwm变流器的结构图。如图1所示，双向交-直-交pwm变流器包括网侧变流器、机侧变流器，其中网侧变流器的作用是在稳定直流母线电压水平的基础上，将其逆变为幅值与频率稳定的、符合并网要求的交流电压；根据电网的需求合理地控制直流母线与电网的能量交换，从而改善电网接入点的功率因数；在保证风力发电机组正常工作的情况下为电网提供一定容量的无功功率支撑，从而保证电网接入点的稳定性。机侧变流器的主要作用是在通过合适的控制策略提高发电机的运行效率和可靠性。

3、对于网侧变流器的控制策略，主要可分为矢量控制(vector control,vc)和直接功率控制(direct power control,dpc)两大类。其中矢量控制策略又可被细分为基于电网电压定向的矢量控制(voltage orientedcontrol,voc)和基于虚拟磁链定向的矢量控制(virtual flux oriented control,vfoc)，但是这两种控制策略的实现都较为复杂。dpc控制策略存在有功功率和无功功率脉动较大、变流器开关频率不固定及电流thd偏高等缺点。

4、对于机侧变流器的控制策略，目前最为常用的两种是磁场定向控制(filedorientedcontrol,foc)和直接转矩控制(direct torque control,dtc)，但是foc控制策略的系统结构复杂，dtc控制策略会导致pwm变流器的开关周期不固定，从而使得磁链和转矩波动较大，并且无法同时兼顾对转矩和磁链的控制。

5、此外，目前对于双向交-直-交pwm变流器控制算法的研究通常完全基于数字化仿真平台，由于数字化仿真忽略了真实物理系统的许多细节，其仅能对控制算法进行原理性的验证，无法准确地还原真实的物理控制系统，因此对基于快速控制原型的双向交-直-交变流器的硬件系统及相关控制算法的综合研究具有十分重要的意义，但是目前该领域的研究还较少，无法实现产业化应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于rt-lab的双向交-直-交pwm变流器控制系统，以igbt为核心被控元件，设计网侧变流器控制和机侧变流器控制，对双向交-直-交pwm变流器进行快速、有效的控制。

2、为了实现上述发明目的，本发明基于rt-lab的双向交-直-交pwm变流器控制系统包括信号采集模块、采样信号处理模块、控制逻辑切换模块、坐标变换模块、网侧变流器控制模块、机侧变流器控制模块、控制信号调制模块、控制脉冲输出模块、驱动脉冲输出模块，其中采样信号处理模块、控制逻辑切换模块、坐标变换模块、网侧变流器控制模块、机侧变流器控制模块、控制信号调制模块和控制脉冲输出模块在rt-lab数字实时仿真机中实现；

3、信号采集模块用于对双向交-直-交变流器进行信号采集，所需信号包括网侧变流器的网侧三相线电压信号、网侧三相线电流信号，机侧变流器的直流侧电压信号、机侧三相线电流信号以及永磁同步电机的转子位置信号，并将采集得到的各个信号发送至采样信号处理模块；

4、采样信号处理模块用于对接收的网侧三相线电压信号、网侧三相线电流信号、直流侧电压信号、机侧三相线电流信号、转子位置信号进行解算，得到各个信号的实际值，即网侧三相相电压、网侧三相相电流、直流侧电压、机侧三相相电流和转子位置角度，根据机侧三相相电流换算得到定子三相相电流，然后将直流侧电压发送至控制逻辑切换模块和网侧变流器控制模块，将网侧三相相电压、网侧三相相电流、定子三相相电流发送至坐标变换模块，将转子位置角度发送至机侧变流器控制模块；解算的具体方法如下：

5、对于网侧三相线电压信号、网侧三相线电流信号、直流侧电压信号、机侧三相线电流信号，采用rt-lab实时仿真机内部的模数转换器置换为数字信号，再通过幅值变换和相位变换后得到网侧三相相电压、网侧三相相电流、直流侧电压与机侧三相相电流的实际值；根据机侧三相相电流换算得到定子三相相电流；

6、对于转子位置信号，根据转子位置信号的采集方法进行解算，得到转子位置角度的实际值；

7、控制逻辑切换模块用于根据直流侧电压判断当前所需的控制模式，具体方法为：如果直流侧电压不稳定，则不进行控制，如果直流侧电压小于预设的给定值且处于稳定状态，则向网侧变流器控制模块发送使能信号，如果机侧三相相电压稳定在给定值，则向机侧变流器控制模块发送使能信号；

8、坐标变换模块用于对网侧三相相电压、网侧三相相电流、定子三相相电流进行clark变换及park变换，得到两相旋转坐标系下的网侧电压、网侧电流和定子电流，然后将网侧电压、网侧电流发送至网侧变流器控制模块，将定子电流发送至机侧变流器控制模块；

9、网侧变流器控制模块在接收到控制逻辑切换模块发送的使能信号时，根据网侧电压、网侧电流和直流侧电压计算得到网侧的指令空间电压矢量并发送给控制信号调制模块；

10、机侧变流器控制模块在接收到控制逻辑切换模块发送的使能信号时，根据转子位置角度、定子电流计算得到机侧的指令空间电压矢量并发送给控制信号调制模块；

11、控制信号调制模块用于将从网侧变流器控制模块或机侧变流器控制模块接收的控制信号采用预设的调制方式进行调制，得到网侧变流器或机侧变流器中各个igbt器件的六路两两互补的控制脉冲信号；

12、控制脉冲输出模块用于接收控制信号调制模块输出的六路控制脉冲信号，计算出一个采样周期内每一路控制脉冲信号上升沿及下降沿的时间戳信息，然后通过rt-lab数字实时仿真机中基于时间戳的数字信号输出模块将网侧变流器或机侧变流器的六路控制脉冲信号传输至驱动脉冲输出模块；

13、驱动脉冲输出模块用于对控制脉冲输出模块输出的六路控制脉冲信号进行功率放大，使其电压水平及电流强度足以稳定驱动双向交-直-交pwm变流器硬件系统中igbt的高频开关，然后将放大后的六路控制脉冲信号输出至网侧变流器或机侧变流器，完成对双向交-直-交pwm变流器的控制。

14、本发明基于rt-lab的双向交-直-交pwm变流器控制系统，包括信号采集模块、驱动脉冲输出模块和在rt-lab数字实时仿真机中实现的采样信号处理模块、控制逻辑切换模块、坐标变换模块、网侧变流器控制模块、机侧变流器控制模块、控制信号调制模块、控制脉冲输出模块，其中控制逻辑切换模块根据信号采样模块采集的双向交-直-交pwm变流器的当前直流侧电压进行判断，选用网侧变流器控制模块或机侧变流器控制模块进行控制，侧变流器控制模块或机侧变流器控制模块采用预设的控制策略计算指令空间电压矢量，并由控制信号调制模块、控制脉冲输出模块、驱动脉冲输出模块生成驱动脉冲，对网侧变流器或机侧变流器进行控制。

15、本发明以igbt为核心被控元件，设计网侧变流器控制策略和机侧变流器控制策略，基于直流侧电压进行分段控制，在简化控制策略的同时对双向交-直-交pwm变流器进行快速、有效的控制。