对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置及方法与流程

1.本发明涉及不间断电源技术领域，尤其涉及一种用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置及方法。


背景技术：

2.逆变电源是当今社会的一种常用的电源设备，可以提供良好品质的交流电源。随着社会工业的发展，逆变电源的功率需求越来越大。另一方面，随着工业负荷的多样性不断增加，负荷的投切也变得更加频繁，对逆变电源输出电压的稳定度和品质需求也越来越高，对各种负载投切下的逆变电源快速响应能力、不平衡负载下的电压均衡度等等方面都提出了更高的要求。而在现有技术中，逆变电源由于受开关器件性能、开关频率等限制，控制性能会受到很大制约。
3.在控制算法上，传统的三相逆变电源通常采用同步旋转坐标系下的电压pi控制、电压pi外环+电流单p内环的双环控制、电压pi外环+电流pi内环的双环控制这几种结构方式。基于这几种拓扑结构的逆变电源三相输出电压在控制上是相互耦合的，任意一相负载大小、状态等出现的变化，将会严重影响其他两相电压的输出，导致整个三相电压的不平衡度较差、谐波畸变率偏高，还导致有的控制结构存在稳定性差、动态响应慢等问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中三相逆变电源相间相互耦合导致的三相电压的不平衡度差、谐波畸变率高等问题，本发明在三相逆变电源的传统控制算法基础上增加了一个补偿控制环节，对三相逆变电压的发波进行优化调节，从而提高三相逆变电源的品质。
5.本发明实施例提供一种用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置，连接于三相逆变电源的发波控制器，包括：
6.电压补偿控制模块，用于通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压有效值与额定电压有效值的差值或通过计算提取三相四线制系统的中线电流来得到电压发波补偿量；
7.谐波补偿控制模块，用于根据所述实时锁相角以及三相逆变电源的输出电压的两相静止轴分量得到谐波补偿量；以及
8.输出控制模块，用于将电压发波补偿量和谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴。
9.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置中，所述电压补偿控制模块包括相电压差控制子模块，相电压差控制子模块包括：
10.第一计算单元，用于根据所述实时锁相角，分别计算出每相电压的实时相角余弦值；
11.电压pi调节单元，用于对每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值进行pi调节，输出每相电压pi调节值；
12.补偿电压计算单元，用于将所述每相电压pi调节值与所述每相电压的实时相角余弦值做乘法运算得到每相补偿电压；
13.转换单元，用于所述每相补偿电压进行三相静止轴到两相静止轴变换得到所述电压发波补偿量。
14.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置中，所述电压补偿控制模块包括中线电流控制子模块，中线电流控制子模块包括：
15.中线电流计算单元，用于根据三相逆变电源的三相输出电流实时检测信号，计算出当前的中线电流；
16.中线电流pi调节单元，用于对中线电流进行pi调节，输出中线电流pi调节值；
17.补偿电压计算单元，用于将中线电流pi调节值叠加到三相电压的实时检测值，得到所述电压发波补偿量。
18.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置中，所述谐波补偿控制模块包括：
19.第二计算单元，用于根据所述实时锁相角，计算所述三相逆变电源的n次谐波相角的正弦值和余弦值，将所述正弦值和所述余弦值与所述两相静止轴分量分别相乘，得到n次谐波含量；
20.补偿单元，用于对所述三相逆变电源的n次谐波相角进行初始相角补偿，并求取补偿后相角的正弦值和余弦值；
21.控制单元，用于将所述n次谐波含量与补偿后相角的正弦值和余弦值进行乘法处理，以得到所述谐波补偿量；
22.滤波单元，用于对所述n次谐波含量进行滤波。
23.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置中，还包括限幅调节模块，用于在每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值小于电流预设值或n次谐波含量小于预设值时，将每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值或者n次谐波含量置零。
24.根据本发明的另一方面，还提供一种用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法，包括以下步骤：
25.步骤s1、通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压有效值与额定电压有效值的差值或通过计算提取三相四线制系统的中线电流来得到电压发波补偿量；
26.步骤s2、根据所述实时锁相角以及三相逆变电源的输出电压的两相静止轴分量得到谐波补偿量；以及
27.步骤s3、将电压发波补偿量和谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴。
28.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法中，通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压有效值与额定电压有效值的差值来得到电压发波补偿量时，所述步骤s1包括：
29.步骤s11、根据所述实时锁相角，分别计算出每相电压的实时相角余弦值；
30.步骤s12、对每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值进行pi调节，输出每相电压pi调节值；
31.步骤s13、将所述每相电压pi调节值与所述每相电压的实时相角余弦值做乘法运算得到每相补偿电压；
32.步骤s14、所述每相补偿电压进行三相静止轴到两相静止轴变换得到所述电压发波补偿量。
33.11、在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法中，通过计算提取三相四线制系统的中线电流来得到电压发波补偿量时，所述步骤s1包括：
34.步骤s11’、根据三相逆变电源的三相输出电流实时检测信号，计算出当前的中线电流；
35.步骤s12’、对中线电流进行pi调节，输出中线电流pi调节值；
36.步骤s13’、将中线电流pi调节值叠加到三相电压的实时检测值，得到所述电压发波补偿量。
37.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法中，所述步骤s2包括：
38.步骤s21、根据所述实时锁相角，计算所述三相逆变电源的n次谐波相角的正弦值和余弦值，将所述正弦值和所述余弦值与所述两相静止轴分量分别相乘，得到n次谐波含量；
39.步骤s22、对所述三相逆变电源的n次谐波相角进行初始相角补偿，并求取补偿后相角的正弦值和余弦值；
40.步骤s23、将所述n次谐波含量与补偿后相角的正弦值和余弦值进行乘法处理，以得到所述谐波补偿量。
41.在本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法中，还包括：
42.在每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值小于电流预设值或n次谐波含量小于预设值时，将每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值或者n次谐波含量置零。
43.实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置，通过电压补偿控制模块得到电压发波补偿量，通过谐波补偿控制模块得到谐波补偿量，然后将电压发波补偿量和谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴；由此，在不更改三相逆变电源传统控制架构的基础上，仅仅通过增加电压不平衡补偿和谐波补偿控制，就解决了三相逆变电源因控制器中三相相互耦合导致的电压不平衡度差、谐波畸变率高问题。
附图说明
44.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。
45.图1所示是本发明一实施例提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置的原理图；
46.图2所示是本发明一实施例提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法的流程图。
具体实施方式
47.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，所描述的实施例仅仅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。
48.图1所示是本发明一实施例提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置的原理图。如图1所示，本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置，连接于三相逆变电源的发波控制器的发波轴，包括电压补偿控制模块110，用于通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压有效值与额定电压有效值的差值或通过计算提取三相四线制系统的中线电流来得到电压发波补偿量；谐波补偿控制模块120，用于根据所述实时锁相角以及三相逆变电源的输出电压的两相静止轴分量得到谐波补偿量；以及输出控制模块130，用于将电压发波补偿量和谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴。
49.具体地，在本发明一实施例中，电压补偿控制模块通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压差来进行控制。先根据三相逆变电源的实时锁相角θ，分别计算出三相电压的实时相角余弦值cosθ/cos(θ
‑
120)/cos(θ
‑
240)；再根据每相输出电压有效值计算出与额定电压有效值的差值δva/δvb/δvc；对这些电压有效值差值进行pi调节，调节的结果再与三相电压的实时相角余弦值相乘就得到相应的每相补偿电压vcmpna/vcmpnb/vcmpnc；每相补偿电压经过三相静止轴到两相静止轴变换将可以得到最后的发波补偿量αcmpn/βcmpn；然后将该发波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴vpwmα/vpwmβ上就可以对三相逆变电源的输出电压进行不平衡补偿。
50.因此，所述电压补偿控制模块110包括相电压差控制子模块，相电压差控制子模块包括：第一计算单元，用于根据所述实时锁相角，分别计算出每相电压的实时相角余弦值；pi调节单元，用于对每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值进行pi调节，输出每相电压pi调节值；补偿电压计算单元，用于将所述每相电压pi调节值与所述每相电压的实时相角余弦值做乘法运算得到每相补偿电压；转换单元，用于所述每相补偿电压进行三相静止轴到两相静止轴变换得到所述电压发波补偿量。
51.具体地，在本发明一实施例中，如果是三相四线制系统，电压补偿控制模块还可通过计算提取中线电流来进行控制。中线电流控制先根据三相逆变电源的三相输出电流实时检测信号iouta/ioutb/ioutc，计算出逆变电源当前的中线电流ioutn＝1/3*(iouta+ioutb+ioutc)；对中线电流ioutn进行pi调节，调节的结果叠加到三相电压的实时检测值va/vb/vc；进行了叠加补偿的三相电压再按照传统的控制方式进行处理发波也可以对三相逆变电源的输出电压进行不平衡补偿。这两种控制方式可结合使用来提高系统不平衡补偿能力。
52.因此，所述电压补偿控制模块110包括中线电流控制子模块，中线电流控制子模块包括：中线电流计算单元，用于根据三相逆变电源的三相输出电流实时检测信号，计算出当前的中线电流；中线电流pi调节单元，用于对中线电流进行pi调节，输出中线电流pi调节
值；补偿电压计算单元，用于将中线电流pi调节值叠加到三相电压的实时检测值，得到所述电压发波补偿量。
53.具体地，在本发明一实施例中，谐波补偿控制模块通过提取出三相逆变电源中输出电压的各次谐波来进行控制。在实际使用中，三相逆变电源的谐波畸变率主要考核40次以下谐波，其中3/5/7次谐波对负载影响特别大，以下以5次谐波补偿为例进行描述，其它各次谐波可进行类似处理：先根据三相逆变电源的实时锁相角θ，计算出三相电压此时的5次谐波相角5θ，并求取出对应的正弦值和余弦值sin5θ/cos5θ；与输出电压的两相静止轴分量vα/vβ相乘，考虑到三相逆变电源后级lc滤波存在延时，需要对乘积进行滤波处理，滤波后就得到了5次谐波含量αsin5θ/αcos5θ/βsin5θ/βcos5θ；再对三相电压的5次谐波相角进行一定的初始相角补偿δθ，并求取出补偿后的正弦值和余弦值sin(5θ+δθ)/cos(5θ+δθ)；将5次谐波含量与补偿后的正弦值和余弦值进行控制处理，通过以下公式得到5次谐波补偿量α5θ/β5θ，其中，k1、k2为常数。
54.α5θ＝k1*αsin5θ*sin(5θ+δθ)+k2*αcos5θ*cos(5θ+δθ)
55.β5θ＝k1*βsin5θ*sin(5θ+δθ)+k2*βcos5θ*cos(5θ+δθ)
56.再将该谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应相应发波轴vpwmα/vpwmβ上就可以对三相逆变电源的输出电压的进行谐波补偿。
57.因此，在本发明中，所述谐波补偿控制模块包括：第二计算单元，用于根据所述实时锁相角，计算所述三相逆变电源的n次谐波相角的正弦值和余弦值，将所述正弦值和所述余弦值与所述静止轴分量分别相乘，得到n次谐波含量；滤波单元，用于对所述n次谐波含量进行滤波；补偿单元，用于对所述三相逆变电源的n次谐波相角进行初始相角补偿，并求取补偿后相角的正弦值和余弦值；控制单元，用于将所述n次谐波含量与补偿后相角的正弦值和余弦值进行乘法处理，以得到所述谐波补偿量。
58.进一步地，在电压不平衡补偿和谐波补偿控制过程中，还可以进行一些限幅调节处理，在计算得到电压差或谐波较小时，直接将提取出来的相应电压差或者谐波置零，再进行补偿调节计算。例如，对5次谐波含量进行判断，当谐波含量小于一定值时，该谐波含量就直接为零，然后再进行补偿调节计算。因此，在本发明中，还包括限幅调节模块，用于在每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值小于电流预设值或n次谐波含量小于预设值时，将每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值或者n次谐波含量置零。
59.本发明提供的用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的装置，通过电压补偿控制模块得到电压发波补偿量，通过谐波补偿控制模块得到谐波补偿量，然后将电压发波补偿量和谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴；由此，在不更改三相逆变电源传统控制架构的基础上，仅仅通过增加电压不平衡补偿和谐波补偿控制，就解决了三相逆变电源因控制器中三相相互耦合导致的电压不平衡度差、谐波畸变率高问题。
60.参考图2，基于同一发明构思，本发明还公开了一种用于对三相逆变电源的输出电压进行补偿调节的方法，包括以下步骤：
61.步骤s1、通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压有效值与额定电压有效值的差值或通过计算提取三相四线制系统的中线电流来得到电压发波补偿量；
62.步骤s2、根据所述实时锁相角以及三相逆变电源的输出电压的两相静止轴分量得到谐波补偿量；以及
63.步骤s3、将电压发波补偿量和谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴。
64.具体地，在本发明一实施例中，电压补偿通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压差来进行控制。先根据三相逆变电源的实时锁相角θ，分别计算出三相电压的实时相角余弦值cosθ/cos(θ
‑
120)/cos(θ
‑
240)；再根据每相输出电压有效值计算出与额定电压有效值的差值δva/δvb/δvc；对这些电压有效值差值进行pi调节，调节的结果再与三相电压的实时相角余弦值相乘就得到相应的每相补偿电压vcmpna/vcmpnb/vcmpnc；每相补偿电压经过三相静止轴到两相静止轴变换将可以得到最后的发波补偿量αcmpn/βcmpn；然后将该发波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应发波轴vpwmα/vpwmβ上就可以对三相逆变电源的输出电压进行不平衡补偿。
65.因此，在步骤s1中，通过提取出三相逆变电源中输出电压的各相电压有效值与额定电压有效值的差值来得到电压发波补偿量时，包括：步骤s11、根据所述实时锁相角，分别计算出每相电压的实时相角余弦值；步骤s12、对每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值进行pi调节，输出每相电压pi调节值；步骤s13、将所述每相电压pi调节值与所述每相电压的实时相角余弦值做乘法运算得到每相补偿电压；步骤s14、所述每相补偿电压进行三相静止轴到两相静止轴变换得到所述电压发波补偿量。
66.具体地，在本发明一实施例中，如果是三相四线制系统，电压补偿控制模块还可通过计算提取中线电流来进行控制。中线电流控制先根据三相逆变电源的三相输出电流实时检测信号iouta/ioutb/ioutc，计算出逆变电源当前的中线电流ioutn＝1/3*(iouta+ioutb+ioutc)；对中线电流ioutn进行pi调节，调节的结果叠加到三相电压的实时检测值va/vb/vc；进行了叠加补偿的三相电压再按照传统的控制方式进行处理发波也可以对三相逆变电源的输出电压进行不平衡补偿。这两种控制方式可结合使用来提高系统不平衡补偿能力。
67.因此，通过计算提取三相四线制系统的中线电流来得到电压发波补偿量时，所述步骤s1包括：步骤s11’、根据三相逆变电源的三相输出电流实时检测信号，计算出当前的中线电流；步骤s12’、对中线电流进行pi调节，输出中线电流pi调节值；步骤s13’、将中线电流pi调节值叠加到三相电压的实时检测值，得到所述电压发波补偿量。
68.具体地，在本发明一实施例中，谐波补偿通过提取出三相逆变电源中输出电压的各次谐波来进行控制。在实际使用中，三相逆变电源的谐波畸变率主要考核40次以下谐波，其中3/5/7次谐波对负载影响特别大，以下以5次谐波补偿为例进行描述，其它各次谐波可进行类似处理：先根据三相逆变电源的实时锁相角θ，计算出三相电压此时的5次谐波相角5θ，并求取出对应的正弦值和余弦值sin5θ/cos5θ；与输出电压的两相静止轴分量vα/vβ相乘，考虑到三相逆变电源后级lc滤波存在延时，需要对乘积进行滤波处理，滤波后就得到了5次谐波含量αsin5θ/αcos5θ/βsin5θ/βcos5θ；再对三相电压的5次谐波相角进行一定的初始相角补偿δθ，并求取出补偿后的正弦值和余弦值sin(5θ+δθ)/cos(5θ+δθ)；将5次谐波含量与补偿后的正弦值和余弦值进行控制处理，通过以下公式得到5次谐波补偿量α5θ/β5θ，其中，k1、k2为常数。
69.α5θ＝k1*αsin5θ*sin(5θ+δθ)+k2*αcos5θ*cos(5θ+δθ)
70.β5θ＝k1*βsin5θ*sin(5θ+δθ)+k2*βcos5θ*cos(5θ+δθ)
71.再将该谐波补偿量叠加到三相逆变电源的发波控制器中的相应相应发波轴vpwmα/vpwmβ上就可以对三相逆变电源的输出电压的进行谐波补偿。
72.因此，在本发明中，所述步骤s2包括：步骤s21、根据所述实时锁相角，计算所述三相逆变电源的n次谐波相角的正弦值和余弦值，将所述正弦值和所述余弦值与所述两相静止轴分量分别相乘，得到n次谐波含量；对所述n次谐波含量进行滤波；步骤s22、对所述三相逆变电源的n次谐波相角进行初始相角补偿，并求取补偿后相角的正弦值和余弦值；步骤s23、将所述n次谐波含量与补偿后相角的正弦值和余弦值进行乘法处理，以得到所述谐波补偿量。
73.进一步地，在电压不平衡补偿和谐波补偿控制过程中，还可以进行一些限幅调节处理，在计算得到电压差或谐波较小时，直接将提取出来的相应电压差或者谐波置零，再进行补偿调节计算。例如，对5次谐波含量进行判断，当谐波含量小于一定值时，该谐波含量就直接为零，然后再进行补偿调节计算。因此，在本发明中，还包括：在每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值小于电流预设值或n次谐波含量小于预设值时，将每相输出电压有效值与额定电压有效值的差值、中线电流值或者n次谐波含量置零。
74.需要指出的是，上文对各种模块的描述中，分割成这些模块，是为了说明清楚。然而，在实际实施中，各种模块的界限可以是模糊的。例如，本文中的任意或所有功能性模块可以共享各种硬件和/或软件元件。又例如，本文中的任何和/或所有功能模块可以由共有的处理器执行软件指令来全部或部分实施。另外，由一个或多个处理器执行的各种软件子模块可以在各种软件模块间共享。相应地，除非明确要求，本发明的范围不受各种硬件和/或软件元件间强制性界限的限制。
75.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(rom)或随机存储记忆体(ram)等。
76.虽然结合附图描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。