适用于Vienna整流器的输出电压动态响应优化控制制造技术

本发明专利技术涉及一种适用于Vienna整流器的输出电压动态响应优化控制，主要包括系统各电气信号采样、电压误差信号补偿、负载跳变判定、负载前馈补偿、电流误差补偿以及PWM驱动信号生成，实现负载前馈控制，优化输出电压动态响应特性。本发明专利技术对负载电流进行采样，当负载电流波动小于预设的固定值时，不进行前馈补偿计算，输出电压完全通过传统电压环进行调节；当负载跳变时，通过负载跳变判定和前馈补偿计算，对传统电压环进行补偿，保持了传统控制策略中的双环控制，并有效实现了输出电压动态响应的优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于三相三电平三开关(Vienna)整流器的输出电压动态响应优化控制方法，属于电能变换领域。
技术介绍
随着全球环境污染日益严重及能源日益紧缺，电动汽车、多电飞机等领域得到飞速发展，大功率充电及用电设备需求急速增长。三相有源功率因数校正PWM整流器广泛应用于大功率设备中，用于降低设备对电网的谐波污染。其中三相三电平三开关(Vienna)整流器具有高效率、低谐波含量的优点，被广泛应用于各工业领域中。Vienna整流器有多种控制方式，其中传统的平均模式控制方式也叫电压电流双环控制。电压外环用于控制输出电压稳定，误差补偿器的输出信号与输入电压信号相乘，作为电流内环的参考信号；电流内环用于控制输入电流快速跟踪电网电压波形，实现功率因数校正。通常电流内环带宽设计得很高，确保输入电流快速跟踪电网电压，而电压外环带宽设计得很慢，往往低于工频，防止电压外环对电流内环产生高频干扰，影响输入电流波形。由于电压环路带宽极低，当负载跳变时，控制器难以快速响应，在较长的瞬态阶段中，输入输出瞬时功率的不平衡由输出电容承担，导致输出电压大大偏离参考值。因此当加载或卸载的幅度很大时，输出电压也会出现严重的跌落和过冲，由于Vienna整流器通常作为大功率设备的前级，为后级提供相对稳定的母线直流电压，而母线直流电压瞬态的大幅波动有可能影响后级变换器的正常工作，因此需要对Vienna整流器的输出动态响应特性进行优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了实现Vienna整流器的输出电压动态响应优化，解决负载突然跳变时输出电压严重过冲或跌落的问题。由于Vienna整流器通常作为AC-DC供电设备的前级，当负载突然跳变时，如果前级输出电压即母线电压有严重过冲或跌落，可能会影响后级正常工作。本专利技术提供了一种通过负载前馈补偿的数字控制方法来解决负载跳变时输出电压严重过冲或跌落的问题。本专利技术通过以下方案实施：一种适用于Vienna整流器的输出电压动态响应优化控制，该控制方法包括以下步骤；1)数字控制器采样三相输入电压信号ua、ub和uc，三相输入电流信号ia、ib和ic，输出电压信号uo和输出电流信号Io，初始化设置输出电压参考值Uo*，稳态负载电流信号Io1；2)输出电压参考值Uo*减去输出电压信号uo得到输出电压误差信号，该输出电压误差信号经过电压环比例-积分补偿器运算，得到电压环补偿输出信号vm0；3)将输出电流信号Io送入负载跳变检测单元，由负载跳变检测算法判定负载跳变时刻，将负载跳变标志位置为“1”；4)当负载跳变标志位置为“1”时，由负载前馈计算单元得到当前负载前馈补偿信号，将电压环比例-积分补偿器输出清零；当负载跳变标志位置为“0”时，取上次负载前馈补偿信号作为当前负载前馈补偿信号；5)将电压环补偿输出信号vm0与当前负载前馈补偿信号相加，得到电压环最终输出信号vm；6)将步骤5所得电压环最终输出信号vm与三相输入电压采样信号ua、ub和uc分别相乘，得到三相输入电流参考信号ia*、ib*和ic*；7)三相输入电流参考信号ia*、ib*和ic*对应减去各相输入电流采样信号ia、ib和ic，得到各相电流误差信号，各相电流误差信号再经过电流环比例-积分补偿器运算得到三相占空比；8)将三相占空比输入数字控制器的脉冲宽度调制解调器，得到三相PWM驱动信号。本专利技术的进一步设计在于：其中，步骤3)中负载跳变检测算法的具体步骤如下：1)负载跳变标志位清零；2)获取上述输出电流信号Io，与上述稳态负载电流信号Io1作差，判断二者差值的绝对值是否大于预设阈值Ihys；3)当大于预设阈值Ihys时，将负载跳变标志位置为“1”，并将输出电流信号送给负载前馈计算单元，将Io赋给Io1作为新的稳态负载电流值，并将负载稳态计数器清零；当小于预设阈值Ihys时，负载稳态计数器加1，直到负载稳态计数器计数大于预设值后，将Io赋给Io1作为新的稳态负载电流值，并将负载稳态计数器清零。其中，步骤3)中负载稳态计数器用于计数，计数预设值代表在无负载跳变时稳态负载电流信号Io1更新时间间隔，该时间间隔可以取值等于100个开关周期。其中，步骤4)中计算得到负载前馈补偿信号vff的过程如下：按下式计算负载前馈：vff=2Uo*·Io3Up2---(1)]]>其中Up是输入相电压峰值，Uo*是输出电压参考值。其中，通过峰值电压采样算法得到Up过程如下：1)初始化变量Umax为0，当每个开关周期采样得到的ua大于Umax时，将ua赋值给Umax，并将定时计数器加1；2)重复步骤1)，当定时计数器计数时间达到1个工频周期时，将Umax赋值给Up，并将定时计数器清0；3)重复步骤1)和2)。三相三电平三开关整流器的硬件电路拓扑主要由电源、六个快速恢复二极管、三个升压电感、三个双向功率开关、二组输出电容以及负载构成。本专利技术中，关于利用公式(1)可实现变换器在负载跳变情况下通过前馈补偿实现动态响应优化的依据说明：(a).当变换器工作在稳态时，输入功率因数近似等于1，输入电压与输入电流成正比，可设uj＝ij·Re(2)其中j＝a，b，c；(b).根据控制框图，稳态时三相输入电流值与输入电压有如下关系ij＝uj·vm(3)将(2)(3)联立可以得到vm=1Re---(4)]]>(c).根据输入输出功率平衡的关系，由(5)(6)可以推导得到(7)Pi=32Up·I=3Up22Re---(5)]]>Po＝Uo·Io(6)Re=3Up22Uo·Io---(7)]]>(d).将(7)代入(4)可以得到电压环补偿结果的表达式Vm=2Uo·Io3Up2---(8)]]>因此当负载跳变时，对电压环输出进行前馈补偿，可以准确预测电压环补偿结果，大大缩短了电压环控制的瞬态过程，优化了输出电压动态响应。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1、本专利技术优化控制方法主要包括各电气信号采样、电压误差补偿器、负载跳变判定、负载前馈补偿计算、电流误差补偿器以及PWM信号的生成，实现负载前馈控制，优化输出电压动态响应特性。2、本专利技术对负载电流进行采样，当负载波动小于预设的固定值保持相对稳定时，不进行前馈补偿计算，输出电压完全通过传统电压环进行调节；当负载跳变时，通过负载跳变判定和前馈补偿计算，对传统电压环进行补偿，保持了传统控制策略中的双环控制，并有效实现了输出电压动态响应的优化。3、本专利技术不仅实现了输出电压动态响应优化，而且保持了稳态下传统电压电流双环控制，对稳态输入电流波形没有影响，适用于Vienna整流器。附图说明图1-1是本专利技术的Vienna整流器电路原理图；图1-2是本专利技术的控制策略框图；图2是本专利技术的负载跳变检测算法流程图；图3是TMS320F2808数字控制器控制流程图；图4-1～图4-4是采用3kWVienna样机验证本专利技术效果的实验波形对比图，其中图4-1和图4-2分别是传统电压电流双环控制策略的加载与卸载波形图；图4-3和4-4分别是采用本专利技术控制方法的加载与卸载波形图。上述图中的主要符号名称：j＝a，b，c；ua，ub，uc—变换器三相输入电压；La，Lb，Lc—变换器三相输入电感；ia，ib，ic—本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于Vienna整流器的输出电压动态响应优化控制，该控制方法包括以下步骤；1)数字控制器采样三相输入电压信号ua、ub和uc，三相输入电流信号ia、ib和ic，输出电压信号uo和输出电流信号Io，初始化设置输出电压参考值Uo*，稳态负载电流信号Io1；2)输出电压参考值Uo*减去输出电压信号uo得到输出电压误差信号，该输出电压误差信号经过电压环比例‑积分补偿器运算，得到电压环补偿输出信号vm0；3)将输出电流信号Io送入负载跳变检测单元，由负载跳变检测算法判定负载跳变时刻，将负载跳变标志位置为“1”；4)当负载跳变标志位置为“1”时，由负载前馈计算单元得到当前负载前馈补偿信号，将电压环比例‑积分补偿器输出清零；当负载跳变标志位置为“0”时，取上次负载前馈补偿信号作为当前负载前馈补偿信号；5)将电压环补偿输出信号vm0与当前负载前馈补偿信号相加，得到电压环最终输出信号vm；6)将步骤5所得电压环最终输出信号vm与三相输入电压采样信号ua、ub和uc分别相乘，得到三相输入电流参考信号ia*、ib*和ic*；7)三相输入电流参考信号ia*、ib*和ic*对应减去各相输入电流采样信号ia、ib和ic，得到各相电流误差信号，各相电流误差信号再经过电流环比例‑积分补偿器运算得到三相占空比；8)将三相占空比输入数字控制器的脉冲宽度调制解调器，得到三相PWM驱动信号。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于Vienna整流器的输出电压动态响应优化控制，该控制方法包括以下步骤；1)数字控制器采样三相输入电压信号ua、ub和uc，三相输入电流信号ia、ib和ic，输出电压信号uo和输出电流信号Io，初始化设置输出电压参考值Uo*，稳态负载电流信号Io1；2)输出电压参考值Uo*减去输出电压信号uo得到输出电压误差信号，该输出电压误差信号经过电压环比例-积分补偿器运算，得到电压环补偿输出信号vm0；3)将输出电流信号Io送入负载跳变检测单元，由负载跳变检测算法判定负载跳变时刻，将负载跳变标志位置为“1”；4)当负载跳变标志位置为“1”时，由负载前馈计算单元得到当前负载前馈补偿信号，将电压环比例-积分补偿器输出清零；当负载跳变标志位置为“0”时，取上次负载前馈补偿信号作为当前负载前馈补偿信号；5)将电压环补偿输出信号vm0与当前负载前馈补偿信号相加，得到电压环最终输出信号vm；6)将步骤5所得电压环最终输出信号vm与三相输入电压采样信号ua、ub和uc分别相乘，得到三相输入电流参考信号ia*、ib*和ic*；7)三相输入电流参考信号ia*、ib*和ic*对应减去各相输入电流采样信号ia、ib和ic，得到各相电流误差信号，各相电流误差信号再经过电流环比例-积分补偿器运算得到三相占空比；8)将三相占空比输入数字控制器的脉冲宽度调制解调器，得到三相PWM驱动信号。2.根据权利要求1所述适用于Vienna整流器的输出电压动态响应优化控制，其中，步骤3)中负载跳变检测算法的具体步骤如下：1)负载跳变标志位清零；2)获取上述输出电流信号Io，与上述稳态负载电流信号Io1作差，判断二者...

【专利技术属性】
技术研发人员：任小永，陈旭东，陈乾宏，张之梁，童丹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32