《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》是湖南大學於2011年7月26日申請的發明專利，該專利的申請號為2011102097510，公布號為CN102255545A，公布日為2011年11月23日，發明人是羅安、陳燕東、歐陽紅林、李愛武、吳傳平、孫運賓、馬伏軍、王曉、肖華根、楚烺。
《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》採用三相PWM整流器獲得直流側電壓，實現電網側的高功率因數，減少能量的損耗；同時《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》的兩相逆變器只包含4個功率開關管與傳統的兩相逆變電源相比要少一個開關臂，使兩相電源的結構更簡單，成本大幅度降低，並提高了系統的可靠性；三相PWM整流器採用電壓外環，電流內環的雙閉環控制策略可實現直流側電壓高精度的控制和電網側電流的高功率因數控制；直流側兩串聯電容的均壓外環控制和輸出電流內環控制構成的雙閉環控制策略，實現了輸出電流的快速跟蹤和兩個直流側電容的均壓。
2014年11月6日，《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》獲得第十六屆中國專利金獎。
（概述圖為《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：兩相逆變電源系統及其綜合控制方法
- 公布號：CN102255545A
- 公布日：2011年11月23日
- 申請號：2011102097510
- 申請日：2011年7月26日
- 申請人：湖南大學
- 地址：湖南省長沙市麓山南路2號
- 發明人：羅安、陳燕東、歐陽紅林、李愛武、吳傳平、孫運賓、馬伏軍、王曉、肖華根、楚烺
- 分類號：H02M7/48（2007.01）I、H02M7/537（2006.01）I、H02M7/219（2006.01）I
- 代理機構：長沙正奇專利事務所有限責任公司
- 類別：發明專利
- 代理人：馬強
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在工業和居民用電中，用電負荷大多為三相負載和單相負載。但在一些特殊的工業場合，存在兩相負荷。例如，在冶金連鑄行業中，冶金連鑄電磁攪拌器需要兩相低頻正交電源供給勵磁；單相異步電動機有兩個正交的定子繞組，也需要兩相電源勵磁。兩相電源所作用的兩相電機在套用轉子磁場定向控制時，由於其定子兩相繞組自然正交，所以與三相電機套用矢量控制相比，它減少了一個從三相坐標繫到兩相坐標系的變換，減少了計算量，從理論上說，還可以提高控制的精度。因此，兩相逆變電源在工業套用中的需求使其受到重視和研究，並得到套用。
2011年7月前兩相逆變電源有兩種技術方案。一種是採用一個不可控整流橋和兩個單相逆變橋及其輸出電感構成的兩相逆變電源。兩單相逆變橋均含有4個功率開關管和一個輸出電感，並共用直流側電容。該兩相電源中兩單相逆變橋採取電流跟蹤控制使兩單相逆變器輸出期望電流。該逆變電源結構的缺點是逆變器中含有8個功率開關器件，硬體成本較高，電網側輸入電流諧波含量大，功率因數低。另一種技術方案是採用一個不可控整流橋和一個三橋臂逆變橋構成兩相逆變電源系統。該兩相逆變電源由一個三相不可控整流橋、一個三相逆變器和兩個輸出電感組成。三相逆變器中兩個橋臂的中點經輸出電感與兩單相負載連線，第三橋臂的中點作為地，與單相負載地線連線。該方案中三相逆變器的三線電流輸出採取電流跟蹤控制方法實現三相逆變器輸出期望電流。該結構與由兩個單相電源構成的兩相逆變電源相比，功率開關器件減少到6個，硬體成本有所降低。但一般情況下，作為地線的橋臂中兩個功率開關管的電流等級要高於其他兩橋臂的功率開關管。電網側電流功率因數低，諧波含量大的缺點仍然沒有克服。
發明內容
專利目的
《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》所要解決的技術問題是，針對2011年7月前已有技術不足，提供一種結構更精簡、成本低和可靠性高的兩相逆變電源系統以及一種適用於該兩相逆變電源系統的綜合控制方法。
技術方案
一種兩相逆變電源系統，包括一個三相PWM整流器、一個兩相逆變器和兩個輸出濾波電感，所述三相PWM整流器為含有6個功率開關器件的三橋臂整流橋，與電網側三相電源連線；所述兩相逆變器由兩個串聯直流側儲能電容和含有4個功率開關器件的兩相逆變橋並聯構成，兩個串聯直流側儲能電容與三相PWM整流器的直流側連線，兩個串聯直流側儲能電容的公共連線點為兩相逆變器的輸出地線，兩相逆變橋的輸出經通過兩個輸出電感與單相負載連線。
該發明還提出了一種兩相電源的綜合控制方法，包括以下方面：
1）三相PWM整流器採用直流電壓外環，電網側電流內環的雙閉環控制策略，維持直流側電壓穩定和保證三相電網側電流為正弦波且功率因數為1；
2）兩相逆變器採取直流均壓外環，逆變輸出電流內環的雙閉環控制策略，使得逆變器輸出參考指令電流。
三相PWM整流器直流電壓外環、電網側電流內環的雙閉環控制策略包括以下步驟：
1）檢測兩串聯直流電容的總電壓，與參考直流電壓作差，得到直流側電壓控制誤差；
2）直流側電壓控制誤差經比例積分調節器後，得到電網側有功電流幅值；
3）電網側有功電流幅值乘以由鎖相環得到的三相電網電壓單位同步信號，作為電網側電流內環的三相電流參考指令；
4）電網側電流內環三相電流參考指令減去檢測到的實際三相電網側電流，得到電網側三相電流跟蹤控制誤差；
5）電網側三相電流跟蹤控制誤差送比例積分調節器後，得到調製波信號；
6）調製波信號經三角載波脈寬調製，得到PWM整流器各開關管的控制脈衝。
兩相電源中兩相逆變器採取直流均壓外環，逆變輸出電流內環的雙閉環控制策略包括以下步驟：
1）分別檢測兩串聯直流電容各自的直流電壓，將兩直流電容電壓作差得到兩直流電容均壓誤差；
2）兩直流電容均壓誤差經比例積分調節器得到直流電流偏置量；
3）直流電流偏置量分別與預先設定的兩相逆變器的輸出電流參考指令相加，得到兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令；
4）兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令減去檢測到的兩相逆變器實際輸出電流，得到兩相逆變器的電流跟蹤誤差；
5）兩相逆變器的電流跟蹤誤差送比例積分調節器後，得到兩相逆變器的脈寬調製信號；
6）兩相逆變器的脈寬調製信號經三角載波調製後，得到兩相逆變器各開關管的脈寬控制信號。
改善效果
《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》採用三相PWM整流器獲得直流側電壓，可實現電網側的高功率因數，減少能量的損耗；同時該發明的兩相逆變器只包含4個功率開關管與傳統的兩相逆變電源相比要少一個開關臂，使兩相電源的結構更簡單，成本大幅度降低，並提高了系統的可靠性；PWM整流器採用電壓外環，電流內環的雙閉環控制策略可實現直流側電壓高精度的控制和電網側電流的高功率因數控制；直流側兩串聯電容的均壓外環控制和輸出電流內環控制構成的雙閉環控制策略，實現了輸出電流的快速跟蹤和兩個直流側電容的均壓。
附圖說明
圖1為2011年7月前已有技術中兩種兩相逆變電源系統圖；（a）不可控整流橋和兩個單相逆變橋及其輸出電感構成的兩相逆變電源系統；（b）不可控整流橋和一個三橋臂逆變橋構成兩相逆變電源系統；
圖2為該發明兩相逆變電源系統結構圖；
圖3為該發明三相PWM整流器電壓外環，電流內環的雙閉環控制框圖；
圖4為該發明兩相逆變器直流側電容均壓外環，輸出電流內環的雙閉環控制框圖。
權利要求
1.一種兩相逆變電源系統，包括一個三相PWM整流器、一個兩相逆變器和兩個輸出濾波電感，所述三相PWM整流器為含有6個功率開關器件的三橋臂整流橋，與電網側三相電源連線；所述兩相逆變器由兩個串聯直流側儲能電容和含有4個功率開關器件的兩相逆變橋並聯構成，兩個串聯直流側儲能電容與三相PWM整流器的直流側連線，兩個串聯直流側儲能電容的公共連線點為兩相逆變器的輸出地線，兩相逆變橋的輸出經通過兩個輸出電感與單相負載連線；其特徵在於，兩相逆變器採取兩串聯電容直流均壓外環，逆變輸出電流內環的雙閉環控制策略，使得逆變器輸出參考指令電流，包括以下步驟：
1）分別檢測兩串聯直流電容各自的直流電壓，將兩直流電容電壓作差得到兩直流電容均壓誤差；
2）兩直流電容均壓誤差經比例積分調節器得到直流電流偏置量；
3）直流電流偏置量分別與預先設定的兩相逆變器的輸出電流參考指令相加，得到兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令；
4）兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令減去檢測到的兩相逆變器實際輸出電流，得到兩相逆變器的電流跟蹤誤差；
5）兩相逆變器的電流跟蹤誤差送比例積分調節器後，得到兩相逆變器的脈寬調製信號；
6）兩相逆變器的脈寬調製信號經三角載波調製後，得到兩相逆變器各開關管的脈寬控制信號。
2.一種兩相逆變電源系統的控制方法，其特徵在於，該方法採取以下策略進行控制：
（1）三相PWM整流器採用直流電壓外環，電網側電流內環的雙閉環控制策略，維持直流側電壓穩定和保證三相電網側電流為正弦波且功率因數為1，其中，三相PWM整流器的直流輸出端與兩相逆變器的直流側兩串聯電容連線；
（2）兩相逆變器採取兩串聯電容直流均壓外環，逆變輸出電流內環的雙閉環控制策略，使得逆變器輸出參考指令電流，包括以下步驟：
1）分別檢測兩相逆變器直流側兩串聯電容各自的直流電壓，將兩電容直流電壓作差得到兩直流電容均壓誤差；
2）兩直流電容均壓誤差經比例積分調節器得到直流電流偏置量；
3）直流電流偏置量分別與預先設定的兩相逆變器的輸出電流參考指令相加，得到兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令；
4）兩相逆變器的兩相輸出電流跟蹤控制參考指令減去檢測到的兩相逆變器實際輸出電流，得到兩相逆變器的電流跟蹤誤差；
5）兩相逆變器的電流跟蹤誤差送比例積分調節器後，得到兩相逆變器的脈寬調製信號；
6）兩相逆變器的脈寬調製信號經三角載波調製後，得到兩相逆變器各開關管的脈寬控制信號。
3.根據權利要求2所述的兩相逆變電源系統的控制方法，其特徵在於，三相PWM整流器直流電壓外環、電網側電流內環的雙閉環控制策略包括以下步驟：
1）檢測PWM整流器輸出的總電壓，與參考直流電壓作差，得到直流側電壓控制誤差；
2）直流側電壓控制誤差經比例積分調節器後，得到電網側有功電流幅值；
3）電網側有功電流幅值乘以由鎖相環得到的三相電網電壓單位同步信號，作為電網側電流內環的三相電流參考指令；
4）電網側電流內環三相電流參考指令減去檢測到的實際三相電網側電流，得到電網側三相電流跟蹤控制誤差；
5）電網側三相電流跟蹤控制誤差送比例積分調節器後，得到調製波信號；
6）調製波信號經三角載波脈寬調製，得到PWM整流器各開關管的控制脈衝。
實施方式
參見圖1（a），為2011年7月前已有技術中兩種逆變電源系統圖。其中，圖1（a）為採用一個不可控整流橋和兩個單相逆變橋及其輸出電感構成的兩相逆變電源。不可控整流橋含有6個二極體和一個直流電容，通過二極體整流為兩單相逆變橋提供直流電壓。兩單相逆變橋分別含有4個功率開關管和一個輸出電感，並共用直流側電容。兩單相逆變橋可以輸出參考指令信號的兩單相電流供給兩單相負載。該逆變電源結構的缺點是逆變器中功率開關器件較多，電網側輸入電流諧波含量大，功率因數低。
圖1（b）為採用一個不可控整流橋和一個三橋臂逆變橋構成的兩相逆變電源系統圖。該兩相逆變電源由一個三相不可控整流橋、一個三相逆變器和兩個輸出電感組成。三相逆變器中兩個橋臂的中點經輸出電感與兩單相負載連線，第三橋臂的中點作為地，與單相負載地線連線。該結構與由兩個單相電源構成的兩相逆變電源相比，功率器件減少2個，成本有所降低。但一般情況下，作為地線的橋臂中兩個功率開關管的功率等級要高於其他兩橋臂的功率開關管。電網側電流功率因數低，諧波含量大的缺點仍然沒有克服。
參見圖2，為《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》的結構圖。該結構包括一個三相PWM整流器、一個兩相逆變器和兩個輸出濾波電感。所述PWM整流器為含有6個功率開關器件的三橋臂整流橋，與電網側三相電源連線；其特徵在於，所述兩相逆變器由兩個串聯直流側儲能電容（C1，C2）和含有4個功率開關器件的兩相逆變橋構成，兩個串聯直流側儲能電容與脈寬調製整流器的直流側連線，且兩個串聯直流側儲能電容的公共連線點作為兩相逆變器的輸出地線，兩相逆變橋的輸出經兩個輸出電感（L1，L2）供給兩單相負載。
該發明與傳統兩種兩相逆變電源相比，採用三相PWM整流器替代了不可控整流器，保證了電網側電流高功率因數和低諧波的高電能質量；兩相逆變器的功率開關器件進一步減少到4個，結構更精簡，降低了硬體的成本和複雜度，提高了系統的可靠性。
參見圖3，為該發明所提綜合控制方法中PWM整流器直流電壓外環、電網側電流內環的雙閉環控制框圖。
為了實現直流側電壓穩定控制，直流側電壓外環採用了一個比例積分（PI）控制器。直流電壓跟蹤誤差經PI調節器後分別乘以三相電流同步信號得到三相電網側電流參考指令信號。在電流內環跟蹤控制中，電網側電流指令信號與檢測到的實際電網側電流作差，其輸出經PI控制器後及脈寬調製後，得到PWM整流器中的各功率開關管的控制信號，保證了三相電網側電流具有低諧波、高功率因數的優點。
參見圖4，為該發明所提綜合控制方法中兩相逆變器直流均壓外環，逆變輸出電流內環的雙閉環控制框圖。
為實現直流側電容均壓，該發明提出直流均壓外環控制方法：將檢測到的兩直流電容電壓作差，經一個PI控制器後輸出為ΔUout，將ΔUout疊加到兩相逆變器輸出電流控制內環的參考指令信號中：
上式中，
、
分別為兩相逆變器電流內環控制的兩相輸出電流參考指令，
、
為兩相逆變器的期望輸出電流，由用戶預先設定。
均壓控制的原理說明如下。令ΔU=Udc1-Udc2，其中Udc1、Udc2分別為直流電容C1、C2的電壓。均壓調節過程為：當ΔU＞0時，即UC1＞UC2，則均壓PI調節器輸出疊加一個微小的正偏移量（ΔUout＞0），通過調製向電容C2充電電流增加，電容C1放電電流增加。結果是直流側兩串聯電容電壓UC1減小，UC2增加，使ΔU減小到0或者0附近；當時ΔU＜0，即UC1＜UC2時，同理可以實現均壓，將ΔU調至0。
直流均壓外環，逆變輸出電流內環的兩相逆變器雙閉環控制步驟如下：
a.直流側兩串聯電容的電壓偏差信號經PI控制器得到偏差電壓調節指令信號ΔUout。
b.偏差電壓調節指令信號ΔUout與輸出電流指令信號、疊加，得到總的輸出電流指令信號、。
c.電流指令信號、減去實際輸出電流信號作差，經PI調節器和脈寬調製後，得到兩相逆變器的4個功率開關管的控制信號。
榮譽表彰
2014年11月6日，《兩相逆變電源系統及其綜合控制方法》獲得第十六屆中國專利金獎。
