一种基于svpwm调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法，基于电网虚拟磁链定义和电流源型变频器数学模型，考虑三相电网平衡且完全正弦，电网电压在αβ坐标系中的两个分量为eα、eβ，Lf为滤波电感的感值，ωs为电网角频率，Cf为滤波电容的容值，isα,isβ为电网电流在αβ坐标系下的分量，变频器侧输出电流iwα,iwβ为变频器侧电流iwa,iwb,iwc在αβ坐标系下的分量，电网电流的观测公式为：
【专利说明】
一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测 方法
技术领域
[0001] 本发明属于变频器控制技术领域，特别涉及一种基于SVPWM调制方式的电流源型 变频器电网电流观测方法。
【背景技术】
[0002] 变频器从拓扑结构上，可分为电流源型变频器和电压源型变频器。为实现相应的 控制目标，如电机转速控制和最优化控制，电流传感器必不可少。电流源型变频器的拓扑结 构如图1所示，为实现相应控制目标，目前现有技术通常是利用额外的电流传感器来测量相 应的变量，如交流侧电流、直流侧电流，如图1所示。额外的交流电流传感器，一方面增加了 工程应用成本，另一方面也降低了系统可靠性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方 法，从而实现省去交流电流传感器的目的。
[0004] 本发明的技术方案是，一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测 方法，基于虚拟磁链定义和电流源型变频器数学模型，考虑三相电网平衡且完全正弦，
[0005] 设电网电压在αβ坐标系中的两个分量为ea、efs，Lf为滤波电感的感值，〇3为电网角 频率，C f为滤波电容的容值，isa，is{!为电网电流在αβ坐标系下的分量，变频器侧输出电流 iwci，iwf!为变频器侧电流iwa，iwb，iw。在αβ坐标系下的分量，
[0006] 电网电流的观测公式为：
[0007]
[0008] 1-￥1扇区中^，^山。的表达式由下表获得：
[0010] 进一步的，采用两个一阶低通滤波器串联来代替公式(8)中的积分器，低通滤波器 的截止频率为ω s，对应传递函数为：
[0011]
(14)
[0012] 本发明从降低系统成本和提升系统可靠性出发，基于虚拟磁链观测思想和电流源 型变频器数学模型，借助变频器直流侧电流，重构电网电流观测器。利用该观测器的输出值 控制变频器实现相应的控制目标，从而实现省去交流电流传感器的目的。
【附图说明】
[0013] 图1现有技术中三相电流源型变频器拓扑结构示意图。
[0014] 图2.本发明的SVPffM调制空间矢量图。
[0015]图3 .本发明图2中扇区I中，iwa, iwb，iwc与idc的关系不意图。
[0016] 图4本发明基于电网电流重构技术的电流源型变频器控制框图。
[0017] 图5.在稳态下，本发明电网电流观测值与实测值波形对比。
[0018] 图6.在暂态下，本发明电网电流观测值与实测值波形对比。
【具体实施方式】
[0019] 本发明在分析虚拟磁链观测思想和变频器数学模型基础上，通过状态重构的方 法，设计了电网电流观测器，实现了无交流电流传感器的控制。
[0020] 无电网电流传感器控制技术本质是基于虚拟磁链观测思想，根据直流母线电流和 开关函数来观测电网电流。首先根据直流母线电流和开关函数估算变频器侧电流i wa，iwb， Iwc O
[0021] 根据电网虚拟磁链定义，考虑三相电网平衡且完全正弦，从数学角度可得到下式：
[0022]
[0023] 式（1)说明虚拟磁链观测的本质是电网电压在αβ坐标系中的两个分量ea，e{!在数学 表达式上可以通过积分相互推导。将式（1)中的虚拟磁链思想应用到电网电流虚拟磁链和 电容电压虚拟磁链中，可得：
[0024]
[0025]
[0026]设电流正方向为从电网流入变换器的方向，根据电路理论，可得图1所示电流源型 变频器的数学模型，两相静止邱坐标系下电容电压的表达式为：
[0027]
[0028] 式中，ea，eg为电网电压在αβ坐标系下的分量;Uca，Uce为滤波电容电压在αβ坐标系 下的分量;Lf为滤波电感的感值;Rl为滤波电感的内阻；isa，is{!为电网电流在αβ坐标系下的 分量。
[0031] 两相静止αβ坐标系下电网电流的表达式为：
[0029] 由于式(4)含有微分项，不易于在数字控制器中实现，将式（1)、（2)代入式(4)中， 可得：
[0030]
[0032]
f6)
[0033] 其中，Cf为滤波电容的容值，iwa、irf为变频器侧电流，iwb，iwc在邱坐标系下的分 量，
[0034] 将式(3)代入式(6)中，可得：
[0035]
C)
[0036] 式(7)中，ω s为电网角频率，变频器侧输出电流iwa，iw{!可根据开关函数和直流侧电 流重构。通常电流源型变频器三相电流源型变频器的空间电流矢量图如图2所示，以参考电 流矢量位于扇区I为例，分析电流重构过程，此时电流矢量作用顺序为16-1^17,图3分析 了整个开关周期内i wa，irf与直流电流的关系。设TAl6矢量的作用时间，TAl1矢量的作用 时间，Ts为变频器开关周期。16矢量作用时，iwa=idc，iwb = -idc, iwc = 0; Il矢量作用时，iwa = id。，iwb = 0，iwc = _idc; I7矢量作用时，iwa = 0，iwb = 0，iwc = 0。故在整个开关过程中，可求出 1?34?1)41?；的平均值。按上述分析方法，可分别求出1-￥1扇区中1 1?4?1)41?；的表达式，如表1 所示。
[0037] 通过式(5)得到电容电压，将其代入式(7)，可以得到电网电流的观测公式为：
[0038]
[0039] 考虑实际情况，将式(8)中的积分范围只能在t>0内，式(8)中的积分又可表示为：
[0040]
[0041] 式(9)表明，如果直接对ea，e{!积分，积分结果会引入与初值相关的直流偏置，而积 分初值往往很难确定，从而带来控制上的误差。为了消除直接积分引入的误差，对ea(t)， e{! (t)运用Laplace变换可得：
[0042]
[0043]根据ea(t)，e{!(t)的关系又可得到：
[0049] 分析式（13)可知，对ea，e{!进行积分，其积分结果幅值衰减〇^倍，相角相对于ea， ee 滞后-V2。考虑采用两个一阶低通滤波器串联来代替纯积分器，低通滤波器的截止频率为 Ws，对应传递函数为：
[0050]
(14)
[0051] 显然，在截止频率ω = 〇^处，式（14)所示的低通滤波器增益为1，相移位-V2,正 好满足ω sJea，CosJee的要求，不但克服了纯积分器引入的直流偏置，还能滤除 ea，ee中的高 频分量。因此将电网电流观测器(式(8))中的积分项用公式（14)来实现，即可重构电网三相 电流。基于电网电流重构技术的电流源型变频器控制框图如图4所示。Matlab仿真结果如图 5和图6所示，其中，图5所示为稳态下，电网电流观测值与实测电流值波形对比，图6所示为 暂态下，电网观测电流值与实测电流值波形对比。
[0052]根据仿真结果分析，稳态和暂态情况下，电网电流观测器输出值与电网电流测量 值波形幅值、相位基本一致。综上所述，与原有技术方案相比，本文提出的电流观测技术完 全可以应用于电流源型变频器的控制中，从而省去了电网电流传感器，降低系统成本，提升 系统可靠性。
[0053] 图4中的表1(I-VI扇区中iwa，iwb，iwc的表达式）
【主权项】
1. 一种基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法，其特征在于，基于电 网虚拟磁链定义和电流源型变频器数学模型，考虑三相电网平衡且完全正弦，电网电流的 观测公式为：其中，电网电压在αβ坐标系中的两个分量为ea、ee，Lf为滤波电感的感值，ω s为电网角频 率，Cf为滤波电容的容值，isa，is{!为电网电流在αβ坐标系下的分量，变频器侧输出电流i wa、 iwf!为变频器侧电流iwa，iwb，iw。在αβ坐标系下的分量。2. 如权利要求1所述的基于SVPWM调制方式的电流源型变频器电网电流观测方法，其特 征在于，所述iwa，iwb，iw。在I -VI扇区中的表达式由下表获得：3. 如权利要求2所述的电流源型变频器电网电流观测方法，其特征在于，采用两个一阶 低通滤波器串联来代替公式(8)中的积分器，低通滤波器的截止频率为co s，对应传递函数 为：
【文档编号】G06F19/00GK106058849SQ201610357642
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】张亮亮, 乐小龙, 翁爽, 谢家纯, 张毅, 谢珉, 陈默
【申请人】上海船舶研究设计院