单相整流器双环控制参数计算方法及计算系统技术方案

本发明专利技术提出一种单相整流器双环控制参数的计算方法和计算系统，该方法适用于采用电压外环和电流内环双环控制的单相整流器控制参数的计算。参数计算系统包括数据采集系统和控制器，采集单相整流器交流输入电流、交流输入电压和直流输出电压，并通过控制器计算电压外环控制参数的计算的电压外环参数和用于电流内环参数计算的电流内环参数。本发明专利技术提供的单相整流器双环控制参数计算方法能够在给定系统参数后，快速、准确的计算出电压外环控制和电流内环控制的控制参数，进而在负载变动时，迅速调整控制参数，实现中间直流母线电压的稳定控制，具有较高的负载动态响应性能。

【技术实现步骤摘要】
单相整流器双环控制参数计算方法及计算系统
本专利技术涉及电气控制
，尤其涉及一种单相整流器双环控制参数的计算方法及计算系统。
技术介绍
单相整流器作为列车供电系统的重要组成部分，是连接供电网与后级设备和负载等的中间桥梁，其性能的好坏对列车的安全、稳定运行至关重要。对单相整流器进行控制时，由于电气波形采样均为单相，因而进行坐标变换和锁相时，与三相系统相比存在一定的困难，尤其在对精度和速度要求较高的场合；另外随着负载的增加，直流母线电压的二次波动会对系统的安全稳定运行以及输入电流品质产生影响。电压外环、电流内环双环控制方法为单相整流器常用的控制方法，该控制方法采用PI控制器实现控制功能的实现，PI控制参数的选择对于设备运行性能至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于基于单相整流器的电压外环控制和电流内环控制方法，提供一种单相整流器双环控制参数计算方法及计算系统，该方法可根据控制需求，计算生成电压外环控制参数和电流内环控制参数，在负载变化时迅速做出反应，进而实现直流母线电压的稳定控制。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种单相整流器双环控制参数的计算方法，单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流电路的交流输入侧设置有电阻和电感，直流输出侧设置有储能电容，所述双环控制包括电压外环控制和电流内环控制，参数计算方法包括电压外环控制参数计算方法和电流内环控制参数计算方法。所述电压外环控制参数计算方法包括以下步骤：PWM整流电路直流侧的输出电压作为电压外环控制的输入，则：其中，EC为直流侧电容存储的能量，C为直流侧电容的大小，Uout为直流侧输出的电压；令则有：其中Pin表示输入直流母线的功率，Pout表示输出直流母线的功率；对于单相系统，其中Um为输入电压峰值，Im为输入电流峰值；对其进行线性化处理，可得：进一步可得：其中，表示直流侧电压变化值；表示输入电流峰值变化值；则，系统开环传递函数为:进而得到闭环传递函数为：其中，Kp表示电压外环控制的比例参数，KI表示电压外环控制的积分参数，ωn表示系统自然振荡频率，ξ表示系统阻尼；所述电流内环控制参数的计算方法包括以下步骤：电流内环的开环传递函数为：其中，K'P为电流内环控制的比例控制参数，R为PWM整流电路的输入端线路阻抗，L为PWM整流电路的输入端电感，Ts为PWM控制的开关周期，τi为电路时间常数；使电流内环控制调节的零点与控制对象传递函数极点相抵消，可得：同时得到零极点相消后的系统开环传递函数为：进而得到系统的闭环传递函数：根据典型1型系统整定法：其中，为中间变量，无实际意义；结合电流内环控制调节其的控制函数:可得：进而可求解得：其中，K'I为电流内环控制的积分控制参数。作为优选：单相整流器双环控制参数的计算系统，用于单相整流器双环控制参数的计算，其特征在于，包括数据采集系统和控制器，所述数据采集系统采集单相整流器交流输入电流、交流输入电压和直流输出电压，所述控制器包括：用于电压外环控制参数的计算的电压外环参数计算单元和用于电流内环参数计算的电流内环参数计算单元；所述电压外环参数计算单元包括：直流侧储能电容计算模块，用于获取直流侧输出电压，计算储能电容储存能量，同时基于输入和输出的功率计算；传递函数计算单元，基于电容储能计算电压外环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电压外环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数；所述电流内环参数计算单元包括：传递函数计算单元，基于电流内环控制模型计算电流内环控制的开环传递函数和闭环传递函数；控制参数计算模块，用于根据电流内环控制的闭环传递函数计算电压外环控制的比例参数和积分参数。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术提供的单相整流器双环控制参数计算方法能够在给定系统参数后，快速、准确的计算出电压外环控制和电流内环控制的控制参数，进而在负载变动时，迅速调整控制参数，实现中间直流母线电压的稳定控制，具有较高的负载动态响应性能。附图说明图1为现有技术中单相PWM整流器主电路拓扑图；图2为单相PWM整流器双环控制原理图；图3为单相整流器控制流程图；图4为电压外环控制框图；图5为电流内环控制框图；图6为单相整流器单极性调制原理图；图7为采用本专利技术控制参数计算方法用于单相整流器控制的空载启动电压、电流波形图；图8为采用本专利技术控制参数计算方法用于单相整流器控制的满载运行电压、电流波形图。其中，1-调制波，2-载波，3-反相调制波，4-交流输入电压，5-直流母线电压，6-交流输入电流。具体实施方式以下，结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的描述。本专利技术提供了一种单相整流器双环控制参数的计算方法，该方法可以用于单相整流器的控制，在给定系统参数后，可准确计算有效控制参数，实现直流母线电压的稳定控制，具有较好的负载变动动态响应性能。单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流主电路拓扑结构如图1所示，包括单相全桥IGBT整流单元，包括交流输入部分和直流输出部分，其交流输入部分设置有电感和电阻，直流输出部分设置有储能电容。此部分为现有技术，此处不再赘述。单相整流器的控制流程如图3所示。1.单相整流器采用单相全桥PWM变换器实现电压变换，输入交流电压，输出稳定可调的直流电压。2.单相整流器正常运行流程：首先进行故障检测，满足启动条件后，通过电阻对直流母线进行预充电，结束时切除电阻，进入启动状态，开始PWM整流，待直流母线电压满足条件后，进入运行阶段，满足不同的负载工况控制，实现交流侧单位功率因数运行。3.传感器采集单相整流器输入交流电压、输入交流电流、输出直流电压作为反馈，用于单相整流器启动运行流程判断、锁相控制和PI控制。4.单相整流器正常启动流程：1-等待，进行锁相控制，对输入电压、输入电流、输出电压以及设备器件状态等进行检测，达到启动条件进入下阶段；2-预充电，预充电接触器闭合，通过电阻对直流母线电压进行充电，过一段时间(预充电时间)，并且直流母线电压达到一定数值，闭合主接触器，切除预充电电阻，进入下一阶段；3-启动，开启PWM整流，控制直流母线电压至参考值，并进入下一阶段；4-运行，控制交流侧单位功率因数运行，并对输入电流谐波进行控制，满足不同负载工况需求，维持直流母线电压稳定。对交流侧基波电压控制的PWM调制方式有两种，即单极性调制和双极性调制。在同等情况下，单极性调制比双极性调制的谐波分量小一些，控制相对复杂，本专利技术采用单极性调制。当采用单极性调制时，交流侧电压在Ud、0和0、-Ud间变换，具体调制波1、载波2、反相调制波3的波形如图6所示。设载波频率为fz，则Ua和Ub基波频率为fz，得到Uab基波实现倍频效果，频率变为2fz。双环控制输出经过坐标变换后，得到Uab参考波形，作为PWM调制波，采用单极性调制产生四路PWM波作为单相全桥整流器驱动信号。当Ua为高时，控制IGBT1导通，IGBT2与之互补导通，当Ub为高时，控制IGBT3导通，IGBT4与之互补导通。单相整流器的双环控制包括电压外环控制和电流内环控制。本专利技术首先提供一种单相整流器双环控制参数的计算系统，用于单相整流器双环控制参数的计算，包括数据采集系统和控制器，所述数据采集系统采集单相整流器交流输入电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相整流器双环控制参数的计算方法，所述单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流电路的交流输入侧设置有电阻和电感，直流输出侧设置有储能电容，所述双环控制包括电压外环控制和电流内环控制，其特征在于，参数计算方法包括电压外环控制参数计算方法和电流内环控制参数计算方法，所述电压外环控制参数计算方法包括以下步骤：PWM整流电路直流侧的输出电压作为电压外环控制的输入，则：

【技术特征摘要】
1.一种单相整流器双环控制参数的计算方法，所述单相整流器包括PWM整流电路，PWM整流电路的交流输入侧设置有电阻和电感，直流输出侧设置有储能电容，所述双环控制包括电压外环控制和电流内环控制，其特征在于，参数计算方法包括电压外环控制参数计算方法和电流内环控制参数计算方法，所述电压外环控制参数计算方法包括以下步骤：PWM整流电路直流侧的输出电压作为电压外环控制的输入，则：其中，EC为直流侧电容存储的能量，C为直流侧电容的大小，Uout为直流侧输出的电压；令则有：其中Pin表示输入直流母线的功率，Pout表示输出直流母线的功率；其中Um为输入电压峰值，Im为输入电流峰值；对其进行线性化处理，可得：进一步可得：其中，表示直流侧电压变化值；表示输入电流峰值变化值；则，系统开环传递函数为:进而得到闭环传递函数为：其中，Kp表示电压外环控制的比例参数，KI表示电压外环控制的积分参数，ωn表示系统自然振荡频率，ξ表示系统阻尼；所述电流内环控制参数的计算方法包括以下步骤：电流内环的开环传递函数为：其中，K'P为电流内环控制的比例控制参数，R为PWM整流电路的输入端线路阻抗，L为PWM整流电路的输入端电感，Ts为PWM控制的开关周期，τi为电路时间常数；使电流内环控制调节的零点与控制对象传递函数极...

【专利技术属性】
技术研发人员：林显琦，张利军，杨东军，
申请(专利权)人：中车青岛四方车辆研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37