一种低开关频率下PWM整流控制方法以及系统技术方案

一种低开关频率下PWM整流控制方法以及系统，方法包括：S1、采样电网电压和直流母线电压，并基于锁相环锁相方法跟踪电网相位和电网频率，根据电网频率调整采样频率及更新PID控制周期；S2、基于更新的PID控制周期，根据电网电压和直流母线电压对PWM整流器进行矢量控制得到输出电压的幅值Ur；S3、基于更新的PID控制周期，根据电网相位以及电网频率计算一个PID控制周期内的连续的电网相位角度；S4、根据幅值Ur、电网相位角度以及预存的谐波优化脉冲角度表，得到1/4电网周期下的开关角度；S5、将1/4电网周期下的开关角度进行拓展得到一个电网周期的PWM脉冲信号。本发明专利技术生成PWM脉冲的方法属于同步调制的特点，相较于异步调制可有效减小输出电流的总谐波失真。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力
，尤其涉及一种低开关频率下PWM整流控制方法以及系统。
技术介绍
现有三电平四象限变频器装置，采用三电平中点钳位(Neutral PointClamped)，背靠背结构连接，其有源前端采用PWM整流器与电网通过电抗器连接。PWM整流器的传统技术在控制方式上多采用电压型SPWM控制。SPWM控制方法基于系统在电网电压定向dq旋转坐标系下的数学模型，采用电压、电流双闭环结构实现矢量控制。参考图1，首先，通过锁相环技术得到实时电网相位θS；然后，一方面采样直流母线电压Vdc，将Vdc与目标电压Vdc*进行比较后经PI调节器得到有功电流指令id*，另一方面采样AFE三相输入电压uAFE，根据uAFE计算得到AFE三相输入电流iAFE，以θS定向进行dq变换得到d轴电流id和q轴电流iq；再然后将id与id*进行比较后经PI调节器得到输出电压的d轴指令ud，同样，将iq与人工设置iq*的进行比较，得到输出电压的q轴指令uq；最后将ud和uq以θS定向进行dq变换得到SPWM控制指令ua、ub、uc。得到ua、ub、uc后再采用普通异步PWM调制策略，实现PWM整流器的矢量控制。调制方式中，在每个三角载波的起点与顶点时刻进行采样，载波频率决定了整个控制系统的采样频率以及控制周期。通常把PWM调制环节近似简
化为一阶惯性环节。使用传统的对称三角载波调制法，通常保持载波频率fc固定不变，当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的。在调制波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。总之，现有技术采用普通异步PWM调制，且采样频率固定，与电网相位没有同步关系。上述变频器控制方法主要针对PWM开关频率较高的情况进行分析、设计，其控制方法不适用于高压大功率领域中，否则将导致诸如输出波形谐波畸变过大、控制系统带宽降低、调速性能下降等问题。已有技术在控制系统设计中，通常把PWM调制环节近似简化为一阶惯性环节的前提是：PWM调制的开关频率较高，延时相对较小，可以忽略此延时对控制系统的影响。而随着开关频率的降低，在500Hz以下的低开关频率的场合，PWM调制环节的延迟显著增大。开关频率较高时，PWM调制的输出波形中几乎不含低次谐波，而高次谐波因其频率相对系统带宽较高可以被忽略；使用传统的对称三角载波调制法，在每个三角载波的起点与顶点时刻进行采样，均可直接得到基波。开关频率较低时，因死区、非线性及实现精度的原因，控制系统中相对于高开关频率情况存在较多的低次谐波，若直接使用低通滤波等方法滤除谐波，则动态过程中滤波环节的延时将严重降低控制系统的稳定性与动态性能，甚至无法收敛，传统的控制方法不能在快速跟踪基波指令的同时有效抵御低次谐波的扰动。目前中压大功率应用中的PWM整流器，其开关损耗随调制频率升高而增大，装置设计容量较大，响应调制频率降低，因此最好采用低开关频率，而低开关频率会导致输出电压的谐波增加，严重时影响系统的正常工作。尤其是在大功率并网变流器中，既要满足输出容量，降低开关频率，又要满足入网谐波要求，
采用上述的已有技术是无法满足的。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种低开关频率下PWM整流控制方法以及系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低开关频率下PWM整流控制方法，应用于大功率有源的PWM整流器，所述方法包括：S1、以设定的采样频率fc采样电网电压uAFE和直流母线电压Vdc，并基于锁相环锁相方法跟踪电网相位θs和电网频率fs，根据电网频率fs实时调整设定的采样频率fc以及更新PID控制周期；S2、基于更新的PID控制周期，根据步骤S1中实时采样的电网电压uAFE和直流母线电压Vdc对PWM整流器进行矢量控制得到输出电压的幅值Ur；S3、基于更新的PID控制周期，根据步骤S1中实时跟踪的电网相位θs以及电网频率fs离线计算一个该更新的PID控制周期内的连续的电网相位角度；S4、根据输出电压的幅值Ur、电网相位角度以及预存的谐波优化脉冲角度表，得到1/4电网周期下的开关角度；S5、将1/4电网周期下的开关角度进行拓展得到一个电网周期的PWM脉冲信号，根据该PWM脉冲信号实现PWM整流控制。在本专利技术所述的低开关频率下PWM整流控制方法中，所述步骤S3包括：以基于锁相环锁相方法最新得到的电网相位θs为初始值，以一个更新的PID控制周期为积分时间，对电网频率fs积分得到一个该更新的PID控制周期内的连续的电网相位角度：在本专利技术所述的低开关频率下PWM整流控制方法中，所述PID控制周期等于采样频率fc对应的采样周期，所述步骤S4包括：S41、将当前的PID控制周期分为M个时刻，根据该连续的电网相位角度分别得到M个时刻的电网相位，该M个时刻的电压幅值均等于当前的PID控制周期开始时刻对应的幅值Ur；S42、根据M个时刻的电网相位和M个时刻的电压幅值，调用预存的谐波优化脉冲角度表，进行查表后确定M个时刻中每个时刻的开关角度；S43、跳转至步骤S1以获取下一个PID控制周期内的M个时刻的开关角度，直至得到1/4电网周期所对应的所有时刻的开关角度。在本专利技术所述的低开关频率下PWM整流控制方法中，所述步骤S5中所述的将1/4电网周期下的开关角度进行拓展得到一个电网周期的PWM脉冲信号包括：将1/4电网周期下的开关角度进行镜像得到1/4-1/2电网周期内的开关角度，将1/2电网周期下的开关角度进行反向后再镜像得到1/2-1电网周期内的开关角度。在本专利技术所述的低开关频率下PWM整流控制方法中，所述步骤S1中如果所述锁相环输出的电网频率为fS，则实时调整设定的采样频率fc等于N*fs，以锁相输出相位为基准，在第k个采样时刻，所述锁相环输出的电网相位θS为k*(2π/N)，其中k＝0，1，…，N-1，N为正整数。在本专利技术所述的低开关频率下PWM整流控制方法中，所述步骤S2包括：S21、将直流母线电压Vdc与目标电压Vdc*进行比较后经PI调节器得到有功电流指令id*；S22、根据电网电压uAFE计算得到电网电流iAFE，以电网相位θS定向进行dq变换得到d轴电流id和q轴电流iq；S23、将d轴电流id与有功电流指令id*进行比较后经PI调节器得到代表输出电压的有功分量的d轴指令ud，将q轴电流iq与用户设置的无功电流指令iq*进行比较后经PI调节器得到代表输出电压的无功分量的q轴指令uq；S24、根据以下公式计算得到输出电压的幅值Ur：本专利技术还公开了一种低开关频率下PWM整流控制系统，应用于大功率有源的PWM整流器，包括：锁相单元，用于以设定的采样频率fc采样电网电压uAFE和直流母线电压Vdc，并基于锁相环锁相方法跟踪电网相位θs和电网频率fs；采样频率以及PID控制周期更新单元，用于根据电网频率fs实时调整设定的采样频率fc以及更新PID控制周期；输出电压幅值确定单元，基于更新的PID控制周期，根据实时采样的电网电压uAFE和直流母线电压Vdc对PWM整流器进行矢量控制得到输出电压的幅值Ur；电网相位角度确定单元，用于基于更新的PID控制周期，根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低开关频率下PWM整流控制方法，应用于大功率有源的PWM整流器，其特征在于，所述方法包括：S1、以设定的采样频率fc采样电网电压uAFE和直流母线电压Vdc，并基于锁相环锁相方法跟踪电网相位θs和电网频率fs，根据电网频率fs实时调整设定的采样频率fc以及更新PID控制周期；S2、基于更新的PID控制周期，根据步骤S1中实时采样的电网电压uAFE和直流母线电压Vdc对PWM整流器进行矢量控制得到输出电压的幅值Ur；S3、基于更新的PID控制周期，根据步骤S1中实时跟踪的电网相位θs以及电网频率fs离线计算一个该更新的PID控制周期内的连续的电网相位角度；S4、根据输出电压的幅值Ur、电网相位角度以及预存的谐波优化脉冲角度表，得到1/4电网周期下的开关角度；S5、将1/4电网周期下的开关角度进行拓展得到一个电网周期的PWM脉冲信号，根据该PWM脉冲信号实现PWM整流控制。

【技术特征摘要】
1.一种低开关频率下PWM整流控制方法，应用于大功率有源的PWM整流器，其特征在于，所述方法包括：S1、以设定的采样频率fc采样电网电压uAFE和直流母线电压Vdc，并基于锁相环锁相方法跟踪电网相位θs和电网频率fs，根据电网频率fs实时调整设定的采样频率fc以及更新PID控制周期；S2、基于更新的PID控制周期，根据步骤S1中实时采样的电网电压uAFE和直流母线电压Vdc对PWM整流器进行矢量控制得到输出电压的幅值Ur；S3、基于更新的PID控制周期，根据步骤S1中实时跟踪的电网相位θs以及电网频率fs离线计算一个该更新的PID控制周期内的连续的电网相位角度；S4、根据输出电压的幅值Ur、电网相位角度以及预存的谐波优化脉冲角度表，得到1/4电网周期下的开关角度；S5、将1/4电网周期下的开关角度进行拓展得到一个电网周期的PWM脉冲信号，根据该PWM脉冲信号实现PWM整流控制。2.根据权利要求1所述的低开关频率下PWM整流控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：以基于锁相环锁相方法最新得到的电网相位θs为初始值，以一个更新的PID控制周期为积分时间，对电网频率fs积分得到一个该更新的PID控制周期内的连续的电网相位角度：3.根据权利要求1所述的低开关频率下PWM整流控制方法，其特征在于，所述PID控制周期等于采样频率fc对应的采样周期，所述步骤S4包括：S41、将当前的PID控制周期分为M个时刻，根据该连续的电网相位角度分别得到M个时刻的电网相位，该M个时刻的电压幅值均等于当前的PID控制
\t周期开始时刻对应的幅值Ur；S42、根据M个时刻的电网相位和M个时刻的电压幅值，调用预存的谐波优化脉冲角度表，进行查表后确定M个时刻中每个时刻的开关角度；S43、跳转至步骤S1以获取下一个PID控制周期内的M个时刻的开关角度，直至得到1/4电网周期所对应的所有时刻的开关角度。4.根据权利要求1所述的低开关频率下PWM整流控制方法，其特征在于，所述步骤S5中所述的将1/4电网周期下的开关角度进行拓展得到一个电网周期的PWM脉冲信号包括：将1/4电网周期下的开关角度进行镜像得到1/4-1/2电网周期内的开关角度，将1/2电网周期下的开关角度进行反向后再镜像得到1/2-1电网周期内的开关角度。5.根据权利要求1所述的低开关频率下PWM整流控制方法，其特征在于，所述步骤S1中如果所述锁相环输出的电网频率为fS，则实时调整设定的采样频率fc等于N*fs，以锁相输出相位为基准，在第k个采样时刻，所述锁相环输出的电网相位θS为k*(2π/N)，其中k＝0，1，…，N-1，N为正整数。6.根据权利要求1所述的低开关频率下PWM整流控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21、将直流母线电压Vdc与目标电压Vdc*进行比较后经PI调节器得到有功电流指令id*；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：马路遥，
申请(专利权)人：苏州汇川技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32