一种电流源型双PWM变频器的制作方法

本发明涉及变频器技术领域，具体涉及一种电流源型双pwm变频器。

背景技术：

国内外研究现状及发展动态分析国内外发展现状与趋势

近些年来，电流源型双pwm变频器，因具有四象限运行能力、可实现可靠的短路保护，运行效率高等特点，使之在在大功率场合具有显著的优势，相关控制技术成为国内外的研究热点[5-14]。在其研究与应用上，欧美国家技术比较成熟，在性能和可靠性上都具有一定的优势，几乎处于垄断地位。代表性的有美国罗克韦尔(a-b)公司生产的bulletin1557系列和powerflex7000系列电流型高压大功率变频器，采用sgct功率器件串联的交—直—交电流型变频器，是进入我国火电厂节能改造工程最早的产品；美国rockwell公司(a-b)bulletin1557型电流型(采用gto直接串联共18只)和powerflextm7000系列电流型(采用6.5kv,6只sgct器件)变频器；美国ross-hill(罗斯希尔)公司生产的vfd型电流型高压变频器；意大ansaldo(安萨尔多)公司生产的shcovert(h)高压电流源变频器；富士公司开发的rhc系列双pwm交流传动系统等；瑞士abb公司生产的acs611/acs617系列产品能够很好地实现四象限运行，是高电压、大功率场合应用中的代表产品。

国内研究pwm变换器的科研机构主要有浙江大学、合肥工业大学[17,20]和西安交通大学等，浙江大学的研究主要集中在提高整流器的功率因数[16]和减少谐波方面，在实现可逆整流方面拥有较多的研究成果，其关于特大功率组合变流器相移电压型技术研究、电流型移相svpwm组合整流技术的研究均获得国家自然科学基金资助。西安交通大学的研究主要集中在谐波抑制技术方面，其关于瞬时无功理论和串联混合型谐波抑制装置的研究获得国家自然科学资助。目前，哈尔滨九洲电气公司的高压变频器被美国罗克韦尔公司收购以后，powerflex7000系列电流型高压变频器开始在国内生产，这也为电流源型变频器在国内得到较好的应用带来便利。可见，变频器的发展道路还是十分广阔的，同时还有好多的问题等待我们去解决，这就需要科研技术人员们做更多更深入的研究，只有这样才能使我们的工业技术和科技水平达到先进国家的水平。

针对电流源型变频器控制系统，其控制策略大多采用传统pi或pid控制，pi或pid控制器由于具有自身内部结构的先天性缺陷、参数难以整定、易受系统参变量的变化及其外界各种扰动的影响等等缺点，无法实现被控对象的高性能工作运行，因此不能满足高性能电流源型变频器的控制要求。目前随着芯片dsp处理运行速度的大大提升，许多专家和学者开始在电流源型变频器控制系统中研究一些新型的控制算法，这些算法一般被分类为直接电流控制(directcurrentcontrol，dcc)算法和间接电流控制(indirectcurrentcontrol，icc)算法。通常在实际研究与应用中，系统主要采用直接电流控制技术。直接控制算法可以使控制器通过双闭环调节加快系统动态响应，减少输出误差，增强其抗扰动能力，实现对外加指令的高精度跟随输出。目前比较热门的直接电流控制算法有状态反馈控制[18,19,25]、电流滞环控制、滑模变结构控制、预测控制、比例谐振控制、模糊控制、自适应控制、反向递推控制等。

针对改善双pwm变换器的动态性能问题，国内外学者进行了广泛研究[21～24,30]。但目前大多数方案主要是对双pwm变换器中的pwm整流器部分和逆变器部分采取独立控制，虽然单方面提高了网侧的动态响应速度，但是没有对整个系统进行协调考虑。整流器和逆变器通过直流电抗器进行能量的缓冲，如将这两个独立的系统直接相连，当出现较大扰动时，系统动态性能会变差。因此对整流器和逆变器采取协同控制，通过构建功率反馈互联控制，达到整流器输出/输入功率与逆变器的输入/输出功率相等，将可以有效地提高电流源型双pwm变频器的动态性能，是目前急需解决且具有显著实际意义的研究问题。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种电流源型双pwm变频器，将能量成型的基本控制理论和互联控制引入到电流源型双pwm变频器中，建立整流器和逆变器的协同式互联能量成型控制新方法。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

、一种电流源型双pwm变频器，其特征在于：所述pwm变频器采用pchd模型，针对电流源型整流器的非线性控制系统，完成对其pch建模，根据非线性控制系统的端口受控哈密顿(pch)模型一般表达形式可描述为如下形式：

将能量耗散的概念引入到系统pch模型中,可得到耗散的pch模型：

其中，x∈rⁿ，u,y∈r^m；j(x)为反对称矩阵，j(x)＝-j^t(x)，反映系统内部的互联结构；r(x)为半正定对称矩阵，r(x)＝r^t(x)≥0，反映端口上的附加阻性结构；g(x)反映了系统的端口特性；h(x)为哈密顿函数,它定义了系统存储的能量；构造系统的能量函数h(x)，

将能量耗散的概念引人到pch模型中，进一步求得系统的端口受控耗散的pch模型：

式中，

优选的，利用matlab软件建立了电流型pwm整流器系统的仿真模型，功率器件选用igbt，仿真参数：ea＝eb＝ec＝156v，f＝50hz，电感l＝0.01h，电容c＝100×10^-6f，电阻r＝0.01ω，额定负载rl＝55ω，电感ldc＝0.01h。

优选的，采用基于端口受控pchd模型的互联和阻尼注入配置的无源控制方法，通过能量成型原理和参数匹配方案设计ida-pbc控制器,实现电流源型整流器在交流侧运行于单位功率因数、输出侧直流电流快速达到期望值并保持基本稳定。

优选的，针对整流侧和逆变侧独立控制时存在的动态性能差问题，采用功率协同控制的基本思想，测量负载侧功率，将该功率的变化直接前馈到pwm变换器的控制指令上，使pwm整流器输出的功率和逆变器输入的功率相等，根据端口受控哈密顿系统的互联控制理论，通过标准互联控制使系统的稳定性得以保证，提高系统的动态响应性能和抗干扰能力。

优选的，其开关时间预估模型以精确采样点位置为思想、以减少计算误差为目标最终实现降低谐波含量，对扇区内每一个工作矢量作为计算对象，根据调制序列的安排分别设定采样点位置，相比于传统的扇区所有工作矢量使用相同采样点位置来说，开关时间计算结果误差将大大降低，进而大幅降低谐波含量。

优选的，构建整流器侧端口受控耗散pchd模型，通过能量成型原理和参数匹配方案设计ida-pbc控制器，实现单位功率因数运行、直流电流快速达到期望值并保持稳定。

优选的，测量负载侧功率，将该功率的变化直接前馈到pwm变换器的控制指令上，使pwm整流器输出的功率和逆变器输入的功率相等，根据端口受控哈密顿系统的互联控制理论，通过标准互联控制使系统的稳定性得以保证，提高系统的动态响应性能和抗干扰能力。

优选的，在完成理论推导与设计的基础上，利用matlab、psim仿真软件对系统的调制算法、ida-pb控制技术及协同控制进行仿真验证，并通过仿真结果的反馈进一步的对系统方案进行设计研究，使之到达理想的控制效果，以dsptms320f2812为核心，搭建实验平台，并利用ccs软件进行程序开发，完成对不同控制算法的编写，验证理论分析和仿真结果的正确性。

(三)有益效果

本发明构建开关时间预估模型并与svpwm调制算法相结合应用于电流源型变频器，实现对电流型变频器谐波污染的抑制；将能量成型理论和协同控制技术应用于电流源型双pwm变频器提高其控制性能，突破当前电流源型变频器的传统理论和方法。其具有功率损耗低、谐波最小化、转换效率高、动态响应性能好、抗干扰能力强等，构建起电流源型双pwm变频器协同互联能量成型控制理论框架，提高双pwm电流源型变频器的工作效率、功率因数和控制性能，达到控制精确度要求，最终保证其在大功率大容量的应用场合中实现高性能的工作运行，改善生产品质，具有很强的创造性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1开关时间预估模型原理示意图；

图2能量成型控制方案示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

pwm变频器采用pchd模型，针对电流源型整流器的非线性控制系统，完成对其pch建模，根据非线性控制系统的端口受控哈密顿(pch)模型一般表达形式可描述为如下形式：

将能量耗散的概念引入到系统pch模型中,可得到耗散的pch模型：

其中，x∈rⁿ，u,y∈r^m；j(x)为反对称矩阵，j(x)＝-j^t(x)，反映系统内部的互联结构；r(x)为半正定对称矩阵，r(x)＝r^t(x)≥0，反映端口上的附加阻性结构；g(x)反映了系统的端口特性；h(x)为哈密顿函数,它定义了系统存储的能量；构造系统的能量函数h(x)，

将能量耗散的概念引人到pch模型中，进一步求得系统的端口受控耗散的pch模型：

式中，

具体的，(1)构建开关时间预估模型，探讨新型的svpwm调制算法；分析谐波产生的原因，探讨其消除方法；研究锯齿波调制序列的特点，结合基波频率的设定与变频器性能指标要求，确定合理的锯齿波调制序列。

(2)建立能量成型理论框架，探讨基于能量成型控制器的主要特征和实现方法；研究能量成型控制策略和电力电子变流电路的内在联系；研究能量和参数匹配在整流器中的应用方法；构建整流器侧端口受控耗散(pchd模型，通过能量成型原理和参数匹配方案设计ida-pbc控制器，实现单位功率因数运行、直流电流快速达到期望值并保持稳定。

(3)在上述研究基础上，建立整流器和逆变器的协同控制理论框架。采用功率协调控制的基本思想，测量负载侧功率，将该功率的变化直接前馈到pwm变换器的控制指令上，使pwm整流器输出的功率和逆变器输入的功率相等，根据端口受控哈密顿系统的互联控制理论，通过标准互联控制使系统的稳定性得以保证，提高系统的动态响应性能和抗干扰能力。利用该特点，探索实现变频器协同控制的新方法，从而进一步改善大功率电流源型变频器的动态性能。

由于电流源型变频器是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，要想直接获得预期的控制效果比较困难，因此，该项目必须在深入研究理论和不断推导论证的基础上，经过反复设计与实验，才能逐步实现系统的高性能控制效果，完成最终研究目标。

(1)新型svpwm调制算法的理论研究与论证。开关时间预估模型以精确采样点位置为思想、以减少计算误差为目标最终实现降低谐波含量。经过申请人充分的分析与初步研究认为：对扇区内每一个工作矢量作为计算对象，根据调制序列的安排分别设定采样点位置，相比于传统的扇区所有工作矢量使用相同采样点位置来说，开关时间计算结果误差将大大降低，进而大幅降低谐波含量。图1所示为开关时间预估模型原理图。

(2)采用基于端口受控耗散哈密顿(pchd)模型的互联和阻尼注入配置的无源控制(ida-pbc)方法，通过能量成型原理和参数匹配方案设计ida-pbc控制器,实现电流源型整流器在交流侧运行于单位功率因数、输出侧直流电流快速达到期望值并保持基本稳定。图2为能量成型控制策略示意图。

(3)针对整流侧和逆变侧独立控制时存在的动态性能差问题，采用功率协同控制的基本思想，测量负载侧功率，将该功率的变化直接前馈到pwm变换器的控制指令上，使pwm整流器输出的功率和逆变器输入的功率相等，根据端口受控哈密顿系统的互联控制理论，通过标准互联控制使系统的稳定性得以保证，提高系统的动态响应性能和抗干扰能力。

(4)在完成理论推导与设计的基础上，利用matlab、psim等仿真软件对系统的调制算法、ida-pb控制技术及协同控制进行仿真验证，并通过仿真结果的反馈进一步的对系统方案进行设计研究，使之到达理想的控制效果。

(5)在完成理论仿真验证的基础上，以dsptms320f2812为核心，搭建实验平台，并利用ccs软件进行程序开发，完成对不同控制算法的编写，验证理论分析和仿真结果的正确性，并不断完善所提出的理论与技术方案。

本发明构建开关时间预估模型并与svpwm调制算法相结合应用于电流源型变频器，实现对电流型变频器谐波污染的抑制；将能量成型理论和协同控制技术应用于电流源型双pwm变频器提高其控制性能，突破当前电流源型变频器的传统理论和方法。其具有功率损耗低、谐波最小化、转换效率高、动态响应性能好、抗干扰能力强等，构建起电流源型双pwm变频器协同互联能量成型控制理论框架，提高双pwm电流源型变频器的工作效率、功率因数和控制性能，达到控制精确度要求，最终保证其在大功率大容量的应用场合中实现高性能的工作运行，改善生产品质，具有很强的创造性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。