一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器与流程

本发明涉及高压变频技术领域，尤其涉及一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器。

背景技术：
在高压变频领域，传统的单元串联高压变频器的功率单元输入侧采用二极管不控整流桥结构，输出侧采用单相H型IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)逆变桥，各相单元输出侧串联，最终形成三相高压逆变输出电压。传统单元串联高压变频器拥有结构成熟可靠，系统输入及输出谐波很小，输出电压等级可灵活配置等优点，因此在实际工程中得到广泛的应用。然而，因为传统单元串联结构中单元前端输入侧采用了不控整流桥，所以使得能量只能单向流动，无法将电机再生电能回馈电网，因此在很多实际应用中存在一定的问题和局限，例如：负载电机无法应用于需四象限运行场合、负载电机减速制动产生再生电能造成的单元直流母线泵生电压问题。然而，现有技术方案中为实现高压变频系统四象限运行，提出了PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）整流方案，该方案中功率单元前端的二极管整流桥被IGBT替代，以提供能量回馈通道，其功率单元拓扑结构如图1所示，其控制算法系统结构如图2所示。该系统的控制算法结构为双闭环结构，其中母线电压环为外环，其反馈控制保持功率单元直流母线的稳定，电流环为内环，其反馈控制保证输入电流实时跟随指令信号。现有PWM整流方案的控制系统中，母线电压指令值与实际值Udc的差值进入PID调节器，得到电流在同步旋转坐标系下的d轴分量指令值值的正负决定了功率单元前端的能量流向，当为正时，功率单元前端工作于可控整流状态，能量流向单元后端，反之，功率单元前端工作于可控逆变状态，能量从单元后端回馈到前端。电流在该坐标系下的q轴分量指令值往往直接给出，对于单位功率因数PWM整流来讲，而与分别与实际电流在同步旋转坐标系下的分量id与iq（由实际电流iabc经过 Park变换得到）进行比较，其差值分别进入PID调节器，获得功率单元前端IGBT三相桥的控制电压指令值与再经Park反变换得到三相静止坐标系下控制指令值然后据此计算IGBT的开关信号，对IGBT三相桥进行整流控制。该控制系统中，Park变换与反变换所需的相位信息，通过对功率单元前端电压检测得到。从以上所述控制系统结构设计中可以知道，该控制结构中包含多个PID调节器，并且涉及Park变换与反变换，从而使得设计相对复杂；且PWM整流控制常常应用于直流负载场合，所以其控制结构无法抑制交流负载的瞬时波动，而交流负载的瞬时波动会引起直流母线电压的波动，影响系统输出稳定；为抑制母线电压波动只能加大直流侧电容，增加了成本；现有技术控制结构从功率单元前端电压获取电压相位信号，所以需要在单元控制电路中增加相应传感器及采样电路，增加了单元控制电路的成本，降低了可靠性。在实现现有所述的高压变频系统四象限运行过程中，发明人发现现有技术中存在如下问题：传统单元串联高压变频器由于单元前端的不控整流桥，无法使能量双向流动，所以在实际应用中存在诸如负载电机无法四象限运行，电机减速制动再生能量造成的单元直流母线泵生电压的局限和问题，现有技术中为解决这一问题有采用泄放（或者刹车）电阻释放再生能量的方案，不过此方案存在泄放电阻发热严重，可靠性差，以及能量浪费等问题。此外，对于单元串联高压变频器的功率单元拓扑结构而言，由于各功率单元后端为单相逆变输出，其交流输出不像三相输出那么稳定，前者的输出功率瞬时值为周期脉动的，因而会对单元直流母线电压产生扰动冲击，使高压变频器最终的变频输出不稳定，从而直接影响高压变频器的系统输出性能及稳定性；为抑制母线电压的波动往往需要较大的直流电容，这又为产品成本控制增加了压力。

技术实现要素：
本发明的实施例提供一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法，包括：获取功率单元直流母线电压指令值与实时采样值；将所述功率单元直流母线电压指令值与实时采样值的比对误差，经由PID控制器产生的电路调节量与由瞬时功率前馈产生的电流调节量相加，得到电流控制量；获取功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值；根据所述电流控制量与所述功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值，获取电流控制指令值；获取功率单元输入侧三相电流实时采样值；将所述电流控制指令值与所述功率单元输入侧三相电流实时采样值进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，功率单元驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。一种带功率前馈的可控整流/逆变控制装置，包括：信息获取单元，用于获取功率单元直流母线电压指令值与实时采样值，功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值以及功率单元输入侧三相电流实时采样值；控制量获取单元，用于将所述功率单元直流母线电压指令值与实时采样值的比对误差，经由PID控制器产生的电路调节量与由瞬时功率前馈产生的电流调节量相加，得到电流控制量；指令值获取单元，用于根据所述电流控制量与所述功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值，获取电流控制指令值；信号输出单元，用于将所述电流控制指令值与所述功率单元输入侧三相电流实时采样值进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，功率单元驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。一种高压变频器，，由移相变压器、功率单元、主控制器构成；其中，所述功率单元通过所述功率单元的控制电路中所述带功率前馈的可控整流/逆变控制装置实现能量的自由双向流动，系统可四象限运行；所述主控制器对所述移相变压器原边电压及电机电流采样，并将所述功率单元输入侧电压同步信号及系统输出对应相的瞬时功率前馈通过光纤下发至功 率单元的控制电路。本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器，通过获取功率单元直流母线电压指令值与实时采样值；将所述功率单元直流母线电压指令值与实时采样值经由PID控制器产生的电路调节量与由瞬时功率前馈产生的电流调节量相加，得到电流控制量；获取三相输入电压实时相位的正弦值；根据所述电流控制量与三相输入电压实时相位的正弦值，获取电流控制指令值；获取功率单元输入侧三相电流实时采样值；将所述电流控制指令值与所述功率单元输入侧三相电流实时采样值进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，功率单元驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。采用本发明实施例提供的带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器在完好的保持传统功率单元串联高压变频器优点的基础上，实现了四象限运行功能，并且可将负载电机再生能量回馈电网，提高能源利用率；此外，带功率前馈的可控整流/逆变控制方法带瞬时功率前馈，有效降低输出功率的周期扰动对功率单元直流母线电压的影响，进而改善系统整体输出电压的性能，或者，在保证输出性能一致的前提下，可以酌情降低功率单元直流母线电容容量，进而更好的控制成本。附图说明图1为现有技术中PWM整理方案中功率单元的拓扑结构图；图2为现有技术中PWM整理方案中功率单元的控制算法系统结构图；图3为本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法流程图；图4为本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制装置结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种高压变频器结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种功率单元的电路结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种功率单元的控制电路结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制装置的具 体控制结构框图；图9为本发明提供的一种基于图8所示实施例所公开的带功率前馈的可控整流/逆变控制流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器进行详细描述。本专利文件中所述的四象限是指在电机调速领域，以转速作为横坐标，转矩作为纵坐标，构成平面坐标系；该平面坐标系中的四个象限分别描述了电机不同的运行状态，包括正、反转，电动、发电等组合状态。电机拖动设备能带动电机正常运行于上述坐标系中四个象限描述的各种运行状态，则称该设备能满足四象限运行。如图3所示，为本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法，该方法包括：S301:获取功率单元直流母线电压指令值与实时采样值；S302:将所述功率单元直流母线电压指令值与实时采样值的比对误差，经由PID控制器产生的电路调节量与由瞬时功率前馈产生的电流调节量相加，得到电流控制量；S303:获取功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值；S304:根据所述电流控制量与所述功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值，获取电流控制指令值；具体为：根据所述电流控制量与三相输入电压实时相位的正弦值相乘，获取电流控制指令值。S305:获取功率单元输入侧三相电流实时采样值；S306:将所述电流控制指令值与所述功率单元输入侧三相电流实时采样值进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，功率单元驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。需要注意的是，所述功率单元三相输入侧电压同步信号，由高压变频系统 的主控制器通过对移相变压器原边电压采样，并根据移相变压器原副边相位对应关系获得，再通过光纤通讯电路而获取。所述瞬时功率前馈，由高压变频系统的主控制器通过对电机对应相的电流采样，再与对应相的输出电压相乘，然后除以单元级数N与功率单元输入侧电压幅值的乘积获取到，N≥1。所述带功率前馈的可控整流/逆变控制方法，在系统负载电机处于电动状态时，功率单元前端处于可控整流状态，能量从电网流入负载电机；在负载电机处于再生发电状态时，功率单元前端处于可控逆变状态，能量从负载电机回馈电网，在运行过程中，功率单元母线电压保持恒定。基于以上实施例，如图4所示，为本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制装置；该装置包括：信息获取单元401，用于获取功率单元直流母线电压指令值与实时采样值，功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值以及功率单元输入侧三相电流实时采样值；控制量获取单元402，用于将所述功率单元直流母线电压指令值与实时采样值的比对误差，经由PID控制器产生的电路调节量与由瞬时功率前馈产生的电流调节量相加，得到电流控制量；指令值获取单元403，用于根据所述电流控制量与所述功率单元三相输入侧电压同步信号相位的正弦值，获取电流控制指令值；信号输出单元404，用于将所述电流控制指令值与所述功率单元输入侧三相电流实时采样值进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，功率单元驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。需要说明的是，所述指令值获取单元，具体用于根据所述电流控制量与三相输入电压实时相位的正弦值相乘，获取电流控制指令值。还需要说明的是，所述功率单元三相输入侧电压同步信号，由高压变频系 统的主控制器通过对移相变压器原边电压采样，并根据移相变压器原副边相位对应关系获得，再通过光纤通讯电路而获取；所述瞬时功率前馈，由高压变频系统的主控制器通过对电机对应相的电流采样，再与对应相的输出电压相乘，然后除以单元级数N与功率单元输入侧电压幅值的乘积获取到，N≥1。所述带功率前馈的可控整流/逆变控制装置，在系统负载电机处于电动状态时，功率单元前端处于可控整流状态，能量从电网流入负载电机；在负载电机处于再生发电状态时，功率单元前端处于可控逆变状态，能量从负载电机回馈电网，在运行过程中，功率单元母线电压保持恒定。如图5所示，为本发明实施例提供的一种高压变频器；该高压变频器由移相变压器501、功率单元502、主控制器503构成，其中，所述功率单元502通过所述功率单元的控制电路中所述带功率前馈的可控整流/逆变控制装置实现能量的自由双向流动，系统可四象限运行；所述主控制器503对所述移相变压器501原边电压及电机电流采样，并将所述功率单元502输入侧电压同步信号及系统输出对应相的瞬时功率前馈通过光纤下发至功率单元的控制电路。需要说明的是，所述移相变压器采用延边三角形绕法，可有效滤除输入电流谐波，对电网侧不产生谐波污染；移相变压器副边侧多绕组分别为各功率单元供电，使各功率单元的输入电源相互隔离；各相的多个功率单元输出侧直接串联起来，最终形成三相平衡的高电压输出，输出电压规格与每相串联的功率单元个数以及各功率单元母线电压大小有关，视实际需求而定，一般多为6kV或者10kV；主控制器完成对高压变频逆变输出的控制运算、相关信号的采样（包括移相变压器原边电压、系统输出电流等）及故障处理和控制命令下发等工作。还需要说明的是，所述功率单元502（如图6所示）包括：输入侧三相电感（L1,L2,L3）、IGBT三相桥（T1,T2,T3,T4,T5,T6）、直流母线电容（C1,C2）、IGBT单相H桥（Q1,Q2,Q3,Q4）和控制电路1；其中，输入电源通过输入侧三相电感 及IGBT三相桥，通过所述控制电路的带功率前馈的可控整流/逆变控制装置进行控制，在所述直流母线电容上形成稳定的直流电压，再经IGBT单相H桥逆变输出所需频率和幅值的电压；当系统的负载电机处于再生发电状态时，电能从IGBT单相H桥进入功率单元母线，再经由单元前端的IGBT三相桥及输入侧三相电感，同样通过所述控制电路的带功率前馈的可控整流/逆变控制装置，再生电能回馈电网。所述功率单元的控制电路（如图7所示）包括：DSP或者单片机，信号采样电路、故障检测电路、光纤通讯电路、前/后桥驱动电路和外围采样线路及驱动线路（如图6所示的线路2至6所示）；所述信号采样电路对参与控制运算的变量直流母线电压和三相输入电流进行实时采样，并经由模拟/数字转换送入所述DSP或单片机中；所述故障检测电路对功率单元的过电流、过电压、过热、驱动等故障进行实时检测，并将相应故障信号送入DSP或单片机中；所述光纤通讯电路主要将相应故障信息上传至高压变频器系统的主控制器中，以便其进行相应处理；从系统主控制器下发功率单元前端控制所需的三相电压同步信号、系统负载瞬时功率信号、单元后端IGBT单相H桥的PWM开关信号，以及其他控制信息；所述前/后桥驱动电路从所述DSP或单片机分别接受控制功率单元前端IGBT三相桥以及后端IGBT单相H桥的开关信号，并驱动相应开关器件，执行整流/逆变动作，完成功率单元的控制运行；所述外围采样线路及驱动线路（如图6所示）包括：功率单元前端电流采样线路2、单元直流母线电压采样线路3、功率单元前端IGBT三相桥4和后端IGBT单相H桥的驱动线路5、功率单元的光纤通讯线路6。需要说明的是，所述功率单元的控制电路包括：以上所述的带功率前馈的可控整流/逆变控制装置。还需要说明的是，应用于所述高压变频器中的所述的带功率前馈的可控整 流/逆变控制装置采用双闭环控制结构，外环为电压环，以保证功率单元母线电压的稳定；内环为电流环，保证功率单元能量流动时对电流变化要求的快速响应。所述的带功率前馈的可控整流/逆变控制装置的具体控制如图8所示：功率单元直流母线电压指令值与其实时采样值Udc进行比对，其误差信号经PID控制器输出调节量与系统输出瞬时功率前馈调节量相加得到电流控制量I*。I*与三相输入电压实时相位的正弦值相乘，得到电流控制指令值与单元输入侧三相电流实时采样值ia、ib、ic进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。单元前端的能量流动方向取决于电流控制量I*的正负，当I*为正时，单元前端吸收能量，并向后端逆变提供能量；反之，单元前端从后端吸收能量，并将其回馈电网。瞬时功率前馈调节为本发明所公开控制方案中的重要创新点，其中p为整个高压变频器系统输出的某一相的瞬时功率，其值等于该相电压实时值与电流实时值的乘积（在单元控制中，p具体取哪一相系统输出瞬时功率由该功率单元所在的那一相决定），p除以N（N为高压变频器单元级数，如8级单元串联高压变频系统，N为8）得到各功率单元输出的瞬时功率，再除以3倍的输入电压幅值Uim，则得到系统瞬时功率前馈调节量功率单元输入侧的三相电压同步信号根据移相变压器原边绕组与副边绕组的相位对应关系而得，当移相变压器生产完成后，其原副边相位关系，以及各副边相位差均已固定。因此，检测移相变压器原边电压相位，再根据原副边及各副边间的相位关系，即可得出各功率单元输入侧的三相电压同步信号。上述控制方法中的瞬时功率p与三相电压同步信号均由系统主控制器经由光纤通讯下发给各功率单元控制电路，故各个功率单元节省了相应的检测电路，并提高可靠性。如图9所示，为本发明基于以上图8所示实施例所公开的带瞬时功率前馈的功率单元前端控制程序流程图；其具体流程如下：步骤S1、对功率单元直流母线电压值及三相输入电流实时值进行模拟/数字采样；步骤S2、直流母线电压的指令值与实时采样值经PID控制器，得到调节量步骤S3、经光纤通讯，得到单元前端输入电压的同步信号，以及系统输出的瞬时功率p；步骤S4、输入电压同步信号经由计时器处理，得到三相电压相位实时值θa,θb,θc；步骤S5、瞬时功率前馈电流调节值由瞬时功率p计算得出，其中单元级数与输入电压幅值为设计值，固定于程序中；步骤S6、计算电流控制量I*，I*为母线电压PID控制器调节量与瞬时功率前馈调节量之和；步骤S7、电流控制量与三相电压实时相位正弦值分别相乘，得到三相电流控制指令值步骤S8、电流控制指令值与单元输入侧三相电流实时采样值ia,ib,ic分别进行滞环比较控制，最终得到6路开关控制信号。本发明实施例提供的一种带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器，通过获取功率单元直流母线电压指令值与实时采样值；将所述功率单元直流母线电压指令值与实时采样值经由PID控制器产生的电路调节量与由瞬时功率前馈产生的电流调节量相加，得到电流控制量；获取三相输入电压实时相位的正弦值；根据所述电流控制量与三相输入电压实时相位的正弦值，获取电流控制指令值；获取功率单元输入侧三相电流实时采样值；将所述电流控制指令值与所述功率单元输入侧三相电流实时采样值进行滞环比较控制，输出6路开关控制信号，功率单元驱动单元前端的IGBT三相桥进行整流运行或者回馈运行。采用本发明实施例提供的带功率前馈的可控整流/逆变控制方法、装置及一种高压变频器在完好的保持传统功率单元串联高压变频器优点的基础上，实现了四象限运行功能，并且可将负载电机再生能量回馈电网，提高能源利用率；此外，带功率前馈的可控整流/逆变控制方法带瞬时功率前馈，有效降低输出功率的周期扰动对功率单元直流母线电压的影响，进而改善系统整体输出电压的性能，或者，在保证输出性能一致的前提下，可以酌情降低功率单元 直流母线电容容量，进而更好的控制成本。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：（方法的步骤），所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。