三相三電平pfc電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電力電子電路數(shù)字控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法，該數(shù)字控制系統(tǒng)包括輸入相電流采樣模塊，輸出電壓采樣模塊，PID調(diào)節(jié)器，開通時(shí)間運(yùn)算器，PWM模塊；開通時(shí)間運(yùn)算器對輸入相電流ia、ib、ic和經(jīng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的輸出電壓Uo進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)的開通時(shí)間，限制比較器獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，PWM模塊根據(jù)限制比較器輸出的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。該數(shù)字控制系統(tǒng)與控制方法只需要采樣三相輸入電流與輸出電壓，控制量的計(jì)算簡單省時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電路的單位功率因數(shù)，并且諧波污染小。
【專利說明】三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電力電子電路數(shù)字控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]三相三電平功率因數(shù)校正(PFC)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1上半部分所示，其中R、S、T是三相交流電壓輸入，各相輸入分別接電感L1、L2、L3，電感另一端分別連接由二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6組成的橋式電路中點(diǎn)A、B、C，二極管Dl、D3、D5的N極共同連接至輸出電容Cu正極，為電路的正極輸出P，二極管D2、D4、D6的P極共同連接至輸出電容Cd負(fù)極，為電路的負(fù)極輸出N, S1、S2、S3分別為三相對應(yīng)的開關(guān)管，由若干電力電子器件及其附加電路組成，通過開關(guān)管的電流可以是正向流動(dòng)，也可以是反向流動(dòng)，S1、S2、S3的其中一邊分別連接A、B、C點(diǎn)，另一邊均連接到輸出電容的中點(diǎn)M，以上電路相互連接構(gòu)成了三相三電平功率因數(shù)校正(PFC)電路。
[0003]目前，三電平PFC電路的控制存在多種方法，中國專利200910145279.1、200710080000.7均提供了空間矢量控制的方法，200910128568.0提供了一種優(yōu)化開關(guān)操作的方法來確保電流的相位與電壓一致；國內(nèi)期刊的文獻(xiàn)上也有人提供了單周期(One-Cycle)控制的方法；這些控制方法各有特點(diǎn)，矢量控制是基于數(shù)字芯片的一種控制方法，實(shí)際中可以靈活應(yīng)用，適合用于大功率的場合，但其算法相對比較復(fù)雜，需要對三相的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓與電流進(jìn)行采樣，增加了裝置的復(fù)雜度；單周期控制的方法較為簡單，無需要采樣輸入電壓，只需要對輸入電流、輸出電壓進(jìn)行采樣，但由于需要實(shí)時(shí)的輸入電流參與比較得到控制量，采用數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)單周期控制存在較大難度。
[0004]因此，針對現(xiàn)有技術(shù)中的存在問題，亟需提供一種算法簡單，采樣數(shù)據(jù)較少，并且可以適用于大功率場合的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種算法簡單、采樣數(shù)據(jù)較少，并且可以適用于大功率場合的三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)，包括:
輸入相電流米樣模塊，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tk,米樣輸入相電流ia、ib、ic ;ia、ib、ic分別為R相輸入電流、S相輸入電流、T相輸入電流；
輸出電壓米樣模塊，用于米樣輸出電壓Uo ；
PID調(diào)節(jié)器，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tc，根據(jù)給定電壓Uref將輸出電壓Uo調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的電壓控制量Uc ；
開通時(shí)間運(yùn)算器，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tk，對輸入相電流ia、ib、ic和電壓控制量Uc進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)S1、S2、S3的開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone ；限制比較器，用于獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，具體方法為:將開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone與上一次的開通時(shí)間進(jìn)行比較得到開通時(shí)間比較值，判斷該開通時(shí)間比較值是否超過預(yù)先設(shè)定的開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，若是，則該開通時(shí)間變化值的輸出值為開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，否則該開通時(shí)間變化值的輸出值為輸出開通時(shí)間比較值；
P麗模塊，用于根據(jù)限制比較器輸出的開關(guān)S1、S2、S3對應(yīng)的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。
[0007]三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，包括以下步驟:
(O輸入相電流米樣模塊每隔設(shè)定時(shí)間Tk,米樣輸入相電流ia、ib、ic,輸出電壓米樣模塊米樣輸出電壓；ia、ib、ic分別為R相輸入電流、S相輸入電流、T相輸入電流；
(2)PID調(diào)節(jié)器每隔設(shè)定時(shí)間Tc，根據(jù)給定電壓Uref將輸出電壓Uo調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的電壓控制量Uc ；
(3)開通時(shí)間運(yùn)算器每隔設(shè)定時(shí)間Tk，對輸入相電流ia、ib、ic和電壓控制量Uc進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)S1、S2、S3的開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone ；
(4)限制比較器獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，具體方法為:將開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone與上一次的開通時(shí)間進(jìn)行比較得到開通時(shí)間比較值，判斷該開通時(shí)間比較值是否超過預(yù)先設(shè)定的開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，若是，則該開通時(shí)間變化值的輸出值為開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，否則該開通時(shí)間變化值的輸出值為輸出開通時(shí)間比較值；
(5)PWM模塊根據(jù)限制比較器輸出的開關(guān)S1、S2、S3對應(yīng)的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。
[0008]其中，所述步驟(3)的具體計(jì)算方式為:
Tona = Ts -1a /Uc ；
Tonb = Ts -1ibI /Uc ；
Tone = Ts -1icI /Uc ；
其中，Ts為開關(guān)S1、S2、S3的開關(guān)周期。
[0009]其中，所述獲取電壓控制量Uc的時(shí)間間隔Tc大于等于10倍的開關(guān)周期Ts。
[0010]進(jìn)一步地，所述獲取電壓控制量Uc的時(shí)間間隔Tc大于等于10倍的開關(guān)周期Ts。
[0011]其中，所述開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone的計(jì)算時(shí)間間隔Tk大于等于開關(guān)周期Ts，且小于5倍開關(guān)周期Ts。
[0012]進(jìn)一步地，當(dāng)開關(guān)周期Ts小于1us時(shí)，Tk取5倍開關(guān)周期Ts ;當(dāng)開關(guān)周期Ts大于等于1us且小于20us時(shí)，Tk取3倍開關(guān)周期Ts ;當(dāng)Ts大于等于20us時(shí)，Tk取2倍開關(guān)周期Ts。
[0013]其中，所述開通時(shí)間變化限制值Tstepmax的取值為:
Tstepmax=N氺2氺Uim氺Ts/Uo ；
其中，Uim為最低輸入電壓峰值，N為Tk與開關(guān)周期Ts的比值。
[0014]本發(fā)明的有益效果:1、本發(fā)明的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)，只需要對輸入相電流、輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)較少，電路相對簡單；2、該三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，算法簡單，執(zhí)行時(shí)間少，對數(shù)字芯片的運(yùn)算能力要求相對比較低；3、該數(shù)字控制系統(tǒng)很大程度上減少了控制系統(tǒng)對輸入電流采樣次數(shù)的要求，當(dāng)主電路工作在較高頻率時(shí)，其采樣時(shí)間間隔對于絕大多數(shù)數(shù)字控制芯片而言，仍然易于實(shí)現(xiàn)；極大程度上簡化了開關(guān)管開通時(shí)間的運(yùn)算，使得控制量運(yùn)算時(shí)間大大減?。煌ㄟ^Tstepmax對開通時(shí)間變化進(jìn)行限制，使得輸入電流變化更為平滑、諧波小、無電流尖峰，電路更加安全可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]利用附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但附圖中的內(nèi)容不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0016]圖1是三相三電平PFC電路拓?fù)鋱D與本發(fā)明的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)的模塊示意圖。
[0017]圖2是三相三電平PFC電路輸入為工頻50Hz時(shí)采用常規(guī)整流時(shí)R相電壓與電流波形圖；
圖3是三相三電平PFC電路輸入為工頻50Hz時(shí)采用本發(fā)明控制方法R相的電壓與電流波形圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]結(jié)合以下實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]實(shí)施例1:
本發(fā)明的一種三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法的實(shí)施方式之一,如圖1所示，三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)，包括:
輸入相電流米樣模塊，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tk,米樣輸入相電流ia、ib、ic ;ia、ib、ic分別為R相輸入電流、S相輸入電流、T相輸入電流；
輸出電壓米樣模塊，用于米樣輸出電壓Uo ；
PID調(diào)節(jié)器，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tc，根據(jù)給定電壓Uref將輸出電壓Uo調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的電壓控制量Uc ；
開通時(shí)間運(yùn)算器，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tk，對輸入相電流ia、ib、ic和電壓控制量Uc進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)S1、S2、S3的開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone ；
限制比較器，用于獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，具體方法為:將開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone與上一次的開通時(shí)間進(jìn)行比較得到開通時(shí)間比較值，判斷該開通時(shí)間比較值是否超過預(yù)先設(shè)定的開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，若是，則該開通時(shí)間變化值的輸出值為開通時(shí)間變化限制值Tst印max，否則該開通時(shí)間變化值的輸出值為輸出開通時(shí)間比較值；PWM模塊，用于根據(jù)限制比較器輸出的開關(guān)S1、S2、S3對應(yīng)的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。
[0020]該三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)，只需要對輸入相電流、輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)較少，電路相對簡單。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的三電平PFC電路的數(shù)字控制裝置與其控制的三電平功率因數(shù)校正(PFC)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。工作時(shí)，交流電流從R、S、T三相輸入，經(jīng)電感L1、L2、L3、二極管Df D6、開關(guān)管S1、S2、S3、電容Cu及Cd組成的三電平功率因數(shù)校正(PFC)電路，轉(zhuǎn)化為PN端輸出的直流電；由輸入相電流采樣模塊、輸出電壓與電流采樣模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、控制量運(yùn)算模塊以及PWM模塊相互連接組成的三電平PFC電路的數(shù)字控制裝置對開關(guān)管S1、S2、S3進(jìn)行控制，使三相電流跟電壓同步，整個(gè)電源裝置呈純阻特性。
[0022]如圖1所示，三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，包括以下步驟:(1)輸入相電流米樣模塊每隔設(shè)定時(shí)間Tk,米樣輸入相電流ia、ib、ic,輸出電壓米樣模塊米樣輸出電壓；ia、ib、ic分別為R相輸入電流、S相輸入電流、T相輸入電流；
(2)PID調(diào)節(jié)器每隔設(shè)定時(shí)間Tc，根據(jù)給定電壓Uref將輸出電壓Uo調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的電壓控制量Uc ;該獲取電壓控制量Uc的時(shí)間間隔Tc大于等于10倍的開關(guān)周期Ts。該給定電壓Uref為輸入電路的額定電壓。
[0023](3)開通時(shí)間運(yùn)算器每隔設(shè)定時(shí)間Tk，對輸入相電流ia、ib、ic和電壓控制量Uc進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)S1、S2、S3的開通時(shí)間Tona、Tonb、Tonc ;該開通時(shí)間Tona、Tonb、Tonc的計(jì)算時(shí)間間隔Tk大于等于開關(guān)周期Ts，且小于5倍開關(guān)周期Ts。
[0024](4)限制比較器獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，具體方法為:將開通時(shí)間Tona、Tonb、Tonc與上一次的開通時(shí)間進(jìn)行比較得到開通時(shí)間比較值,判斷該開通時(shí)間比較值是否超過預(yù)先設(shè)定的開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，若是，則該開通時(shí)間變化值的輸出值為開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，否則該開通時(shí)間變化值的輸出值為輸出開通時(shí)間比較值；
該開通時(shí)間變化限制值Tstepmax的取值為:
Tstepmax=N氺2氺Uim氺Ts/Uo ；
其中，Uim為最低輸入電壓峰值，N為Tk與開關(guān)周期Ts的比值。
[0025](5) PWM模塊根據(jù)限制比較器輸出的開關(guān)S1、S2、S3對應(yīng)的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。
[0026]其中，所述步驟(3)的具體計(jì)算方式為:
Tona = Ts -1a /Uc ；
Tonb = Ts -1ibI /Uc ；
Tone = Ts -1icI /Uc ；
其中，Ts為開關(guān)S1、S2、S3的開關(guān)周期。
[0027]該三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，算法簡單，執(zhí)行時(shí)間少，對數(shù)字芯片的運(yùn)算能力要求相對比較低；該數(shù)字控制系統(tǒng)很大程度上減少了控制系統(tǒng)對輸入電流采樣次數(shù)的要求，當(dāng)主電路工作在較高頻率時(shí)，其采樣時(shí)間間隔對于絕大多數(shù)數(shù)字控制芯片而言，仍然易于實(shí)現(xiàn)；極大程度上簡化了開關(guān)管開通時(shí)間的運(yùn)算，使得控制量運(yùn)算時(shí)間大大減小；通過Tstepmax對開通時(shí)間變化進(jìn)行限制，使得輸入電流變化更為平滑、諧波小、無電流尖峰，電路更加安全可靠。
[0028]實(shí)施例2:
本發(fā)明的一種三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法的實(shí)施方式之一,如圖1至圖3所示，本實(shí)施例的主要技術(shù)方案與實(shí)施例1基本相同，在本實(shí)施例中未作解釋的特征，采用實(shí)施例1中的解釋，在此不再進(jìn)行贅述。本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:
獲取電壓控制量Uc的時(shí)間間隔Tc大于等于10倍的開關(guān)周期Ts。
[0029]且Tk與開關(guān)周期Ts的關(guān)系為:當(dāng)開關(guān)周期Ts小于1us時(shí)，Tk取5倍開關(guān)周期Ts ;當(dāng)開關(guān)周期Ts大于等于1us且小于20us時(shí)，Tk取3倍開關(guān)周期Ts ;當(dāng)Ts大于等于20us時(shí)，Tk取2倍開關(guān)周期Ts。
[0030]圖2是三相三電平PFC電路輸入為工頻50Hz時(shí)采用常規(guī)整流時(shí)R相電壓與電流波形圖；圖3是三相三電平PFC電路輸入為工頻50Hz時(shí)采用本發(fā)明控制方法R相的電壓與電流波形圖；可圖2和圖3可以看出本發(fā)明的控制方法取得了良好的效果。
[0031]最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.三相三電平PFC電路的數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于:包括 輸入相電流米樣模塊，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tk,米樣輸入相電流ia、ib、ic ;ia、ib、ic分別為R相輸入電流、S相輸入電流、T相輸入電流； 輸出電壓米樣模塊，用于米樣輸出電壓Uo ； PID調(diào)節(jié)器，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tc，根據(jù)給定電壓Uref將輸出電壓Uo調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的電壓控制量Uc ； 開通時(shí)間運(yùn)算器，用于每隔設(shè)定時(shí)間Tk，對輸入相電流ia、ib、ic和電壓控制量Uc進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)S1、S2、S3的開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone ； 限制比較器，用于獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，具體方法為:將開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone與上一次的開通時(shí)間進(jìn)行比較得到開通時(shí)間比較值，判斷該開通時(shí)間比較值是否超過預(yù)先設(shè)定的開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，若是，則該開通時(shí)間變化值的輸出值為開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，否則該開通時(shí)間變化值的輸出值為輸出開通時(shí)間比較值； PWM模塊，用于根據(jù)限制比較器輸出的開關(guān)S1、S2、S3對應(yīng)的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。
2.三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:包括以下步驟: (O輸入相電流米樣模塊每隔設(shè)定時(shí)間Tk,米樣輸入相電流ia、ib、ic,輸出電壓米樣模塊米樣輸出電壓； ia、ib、ic分別為R相輸入電流、S相輸入電流、T相輸入電流； (2)PID調(diào)節(jié)器每隔設(shè)定時(shí)間Tc，根據(jù)給定電壓Uref將輸出電壓Uo調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的電壓控制量Uc ； (3)開通時(shí)間運(yùn)算器每隔設(shè)定時(shí)間Tk，對輸入相電流ia、ib、ic和電壓控制量Uc進(jìn)行計(jì)算，得到開關(guān)S1、S2、S3的開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone ； (4)限制比較器獲取相應(yīng)的開通時(shí)間變化值并輸出，具體方法為:將開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone與上一次的開通時(shí)間進(jìn)行比較得到開通時(shí)間比較值，判斷該開通時(shí)間比較值是否超過預(yù)先設(shè)定的開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，若是，則該開通時(shí)間變化值的輸出值為開通時(shí)間變化限制值Tstepmax，否則該開通時(shí)間變化值的輸出值為輸出開通時(shí)間比較值； (5)PWM模塊根據(jù)限制比較器輸出的開關(guān)S1、S2、S3對應(yīng)的開通時(shí)間變化值更新PWM模塊的比較器數(shù)值，并對相應(yīng)的各相開關(guān)管進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:所述步驟(3)的具體計(jì)算方式為: Tona = Ts -1a /Uc ；
Tonb = Ts -1ibI /Uc ；
Tone = Ts -1icI /Uc ； 其中，Ts為開關(guān)S1、S2、S3的開關(guān)周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:所述獲取電壓控制量Uc的時(shí)間間隔Tc大于等于10倍的開關(guān)周期Ts。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:所述獲取電壓控制量Uc的時(shí)間間隔Tc大于等于10倍的開關(guān)周期Ts。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:所述開通時(shí)間Tona、Tonb、Tone的計(jì)算時(shí)間間隔Tk大于等于開關(guān)周期Ts,且小于5倍開關(guān)周期Ts0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:當(dāng)開關(guān)周期Ts小于1us時(shí)，Tk取5倍開關(guān)周期Ts ;當(dāng)開關(guān)周期Ts大于等于1us且小于20us時(shí)，Tk取3倍開關(guān)周期Ts ;當(dāng)Ts大于等于20us時(shí)，Tk取2倍開關(guān)周期Ts。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相三電平PFC電路的數(shù)字控制方法，其特征在于:所述開通時(shí)間變化限制值Tstepmax的取值為:
Tstepmax=N氺2氺Uim氺Ts/Uo ； 其中，Uim為最低輸 入電壓峰值，N為Tk與開關(guān)周期Ts的比值。
【文檔編號】H02M1/42GK104079161SQ201410281712
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】周映虹, 黃熙, 陳小琴, 梁昌宇 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)