基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换器控制方法

摘要

基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换器控制方法属于电力电子技术领域。其特征在于，把将电力电子变换器的控制对象转换为瞬态电磁能量，将不同量纲的控制对象通过电磁能量实现统一，在动态过程中调节瞬态电磁能量快速跟踪目标稳态能量，在稳态过程中保持电磁能量在其动态输出的目标能量值允许变化的范围内。基于该控制方法应用于多种电力电子变换器中，实施结果表明：与常规控制方法相比，该控制方法在保证稳态控制精度的同时，加快了动态响应速度，消除了控制超调，提高了系统可靠性。

主权项

1.一种基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换器控制方法，其特征在于，是在一种基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统中依次按以下步骤实现的：步骤（1） 构建一个所述的基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统；所述PWM变换器控制系统含有：PWM变换器、瞬态能量计算电路、瞬态输出功率计算电路、目标稳态能量计算电路、输入功率控制量计算电路、直接功率控制开关表形成电路、比较器以及开关量控制信号形成电路，其中：瞬态能量计算电路，设有：第一输出电压V_dc1和第二输出电压V_dc2的输入端，V_dc1+ V_dc2= V_dc，a相、b相电源瞬时电压e_a、e_b两个输入端，a相、b相电源瞬时电流i_a、i_b两个输入端，还设有：所述PWM变换器中感性元件上磁场能量W_EI-1输出端和容性元件上电场能量W_EI-2输出端，瞬态三相有功功率P_in输出端和瞬态三相无功功率q_in输出端，瞬态输出功率计算电路，设有：所述的i_a、i_b、P_in、W_EI-1、W_EI-2各量的输入端，还设有：瞬态输出功率P_out输出端，目标稳态能量计算电路，设有：所述PWM变换器的输出电压目标稳态值输入端，所述P_out值的输入端，还设有：两个所述W_EI-1和W_EI-2的目标稳态值和的输出端，输入功率控制量计算电路，设有：所述各目标稳态量、、各瞬态量P_out、W_EI-1、W_EI-2的输入端，还设有：所述p_in的目标稳态量，也称输入有功功率控制量的输出端，比较器，包括：第一比较器Y_p，第二比较器Y_q，第三比较器Y_n，其中：第一比较器Y_p，为功率有功分量比较器，输入是输入有功功率控制量，还有一个所述瞬态有功功率p_in，输出是，第二比较器Y_q，为功率无功分量比较器，输入是无功功率控制量和所述瞬态无功功率q_in，输出是，第三比较器Y_n，输入为v_dc1和v_dc2，输出是v_dc1- v_dc2，开关量控制信号形成电路，包括：开关量控制信号S_q的形成电路、开关量控制信号S_p和开关量控制信号S_n的形成电路，其中：开关量控制信号S_p的形成电路，输入是，输出是有功功率控制的开关量控制信号S_p，开关量控制信号S_q的形成电路，输入是，输出是无功功率控制的开关量控制信号S_q，开关量控制信号S_n的形成电路，输入是v_cd1和v_cd2，输出是v_cd1- v_cd2，所述三个开关量控制信号形成电路均为一种滞环比较电路，直接功率控制开关表，是一种根据三个开关量控制信号S_p、S_q和S_n换算出送往所述PWM变换器三个开关量S_a、S_b和S_c的控制矢量矩阵；步骤（2） 所述基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统依次按以下步骤进行基于瞬态电磁能量平衡的PWM控制：步骤（2.1） 所述瞬态能量计算电路分别按下式计算W_EI-1、W_EI-2、p_in和q_in：$W_{\mathrm{EI}-1}=\frac{1}{2}{L}_s{i_a}^2+\frac{1}{2}{L}_s{i_b}^2+\frac{1}{2}{L}_s{i_c}^2$$W_{\mathrm{EI}-2}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}1}{v_{\mathrm{dc}1}}^2+\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}2}{v_{\mathrm{dc}2}}^2$其中：L_s是网侧电抗器的电感，C_dc1、C_dc2分别是直流母线上半边母线电容和直流母线下半边母线电容，i_c可根据三相电路平衡原理，由i_a、i_b检测值计算得出，$p_{\mathrm{in}}=e_{\alpha }{i}_{\alpha }=e_{\beta }{i}_{\beta }$$q_{\mathrm{in}}=e_{\beta }{i}_{\alpha }-e_{\alpha }{i}_{\beta }$其中：$\left[\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ -e_a-e_b\end{array}\right]$，$\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ -i_a-i_b\end{array}\right]$，步骤（2.2） 所述瞬态输出功率计算电路按下式计算瞬态输出功率P_out，按连续的两个周期T_s计算ΔW_EI-1、ΔW_EI-2：$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{RS}}-\frac{{\mathrm{\Delta W}}_{\mathrm{EI}-1}-{\mathrm{\Delta W}}_{\mathrm{EI}-2}}{T_s}$其中：P_RS是瞬态等效电阻损耗，步骤（2.3） 所述目标稳态能量计算电路按下式计算、和稳态等效电阻损耗：$P_{\mathrm{RS}}^{*}=R_s{\left(\frac{\sqrt{3}E-\sqrt{3E^2-4R_s{P}_{\mathrm{out}}}}{2R_s}\right)}^2$$W_{\underset{*}{E}I-1}^{*}=\frac{1}{2}{L}_s{\left(\frac{\sqrt{3}E-\sqrt{3E^2-4R_s{P}_{\mathrm{out}}}}{2R_s}\right)}^2$$W_{\mathrm{EI}-2}^{*}=\frac{1}{8}(C_{\mathrm{dc}1}+C_{\mathrm{dc}2}){v_{\mathrm{dc}}^{*}}^2$其中：R_s是等效电阻，E是电源电压有效值，步骤（2.4） 所述输入功率控制量计算电路按下式计算输入有功功率控制量和输入无功功率控制量：$p_{\mathrm{in}}^{*}=\frac{E_{R_{s1}}^{*}}{T_s}+\frac{E_{R_{s2}}^{*}}{T_s}+...+\frac{E_{R_{\mathrm{sk}}}^{*}}{T_s}+P_{\mathrm{out}}$其中：R_s1、R_s1、….. R_sk表示k组等效电阻，k是有限正整数，E_Rk表示第k组等效电阻R_k上的电压，$q_{\mathrm{in}}^{*}=0$步骤（2.5） 所述第一比较器Y_p输出，所述第二比较器Y_q输出-q_in，所述第三比较器Y_n输出v_dc1- v_dc2步骤（2.6） 所述开关量控制信号S_p 、S_q、S_n分别由滞环比较电路确定，步骤（2.7） 所述直接功率控制开关表形成电路输出三个开关量S_a、S_b、S_c；步骤（3） 判断连续两个周期T_s的ΔW_EI-1=ΔW_EI-2=0否，若ΔW_EI-1≠ΔW_EI-2≠0，则重复步骤（2.1）至步骤（2.7），一直到ΔW_EI-1=ΔW_EI-2=0，控制结束。