CN102710165B - 一种改进的双级式变流器直流母线电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式发电供能及微网系统变流器控制技术领域，涉及一种改进的双级式变流器直流母线电压控制方法。在常规的直流母线电压外环和逆变器输出电流内环双闭环控制基础上，加入逆变器死区补偿及动态功率前馈两种辅助控制手段，其中逆变器死区补偿能够有效消除死区效应导致的误差电压矢量对电流内环动态性能的影响；动态功率前馈为一阶微分环节，能保证电流内环电流参考实时跟踪前级DC/DC模块功率输出。本发明通过采用两种辅助控制手段，能有效抑制双级式变流器暂态时直流母线电压冲击和波动，提高其动态响应。

Description

一种改进的双级式变流器直流母线电压控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电供能微网系统变流器控制技术领域，具体涉及一种改进的双级式变流器直流母线电压控制方法。

背景技术

随着传统煤炭、石油等化石燃料的日益消耗，使用清洁或可再生能源的分布式发电技术在供电系统中得到日益广泛的应用。分布式电源，如光伏发电、风力发电、微型燃气轮机、锂电池储能等输出均为直流电或高频交流电，因此为满足供电需求，DC/DC或DC/AC等变流器通常作为分布式电源接入电网的能量变换接口装置。由于逆变器正常工作时(在不含升压变压器情况下)需要较高的直流电压，而分布式电源直流电压一般都较低，为了能获得更高的直流电压通常需要串联更多的单体模块，这样会对电源单体模块管理及系统可靠性带来不利影响。含直流升压电路的双级式功率变流器作为能量变换接口，能在低电压甚至较大电压范围内正常运行，有效提高分布式能源的利用率。

作为双级式变流器系统关键技术，如何抑制直流母线电压波动，提高其动态响应也是关注和研究的焦点。为了能有效抑制PWM整流器直流母线电压冲击，文献[1、2]提出加入负载电流前馈的控制思想。针对背靠背电机拖动系统，为了能有效抑制瞬态时直流母线大的电压波动及提高系统动态响应速度，文献[3]提出同时包含负载和电网电压信息的前馈控制方法。上述前馈均是基于稳态信息，并未考虑DC/AC侧电流环动态响应时间，因此应用其所提稳态前馈方法，系统实际运行中在暂态情况下仍无法完全避免直流母线电压冲击。

在实际应用中为保证DC/AC侧每相桥臂开关管不发生直通，开通和关断信号之间还会设置一定死区，导致理想的调制信号与逆变器输出的实际电压电压存在偏差，这就是死区效应。文献[4]中探讨了死区效应产生的原因及补偿方法，但是其补偿目的是为了消除稳态误差。DC/AC逆变器死区效应导致电压误差矢量与逆变器输出电流相关，在超级电容器储能等系统实际应用中，频繁充放电导致DC/AC侧输出功率方向频繁发生切换，因此导致电压误差矢量发生变化，从而影响电流环的动态性能，严重时会恶化系统动态性能，使系统直流母线电压冲击和波动增大。

参考文献

[1]董晓鹏，王兆安.具有快速动态响应的单位功率因数PWM整流器[J].西安交通大学学报,1997,31(11):77-82.

[2]郎永强,徐殿国,Hadianamreisr.三相电压型PWM整流器的一种改进前馈控制策略[J].电机与控制学报,2006,10(2):160-169.

[3]李时杰，李耀华，陈睿.背靠背变流系统中优化控制前馈控制策略的研究[J].中国电机工程学报,2006,26(22):74-79.

[4]吴茂刚，赵荣祥，汤新舟.空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿方法[J].浙江大学学报,2006,40(3):470-473.

发明内容

本发明的目的是针对含双级式变流器的分布式发电供能系统，提供一种有效的直流母线电压控制方法，通过对常规控制算法进行相应改进，达到完全抑制和消除双级式变流器系统暂态时直流母线电压的冲击和波动的目的。为此，本发明采用如下技术方案。

一种改进的双级式变流器直流母线电压控制方法，该方法在直流母线电压外环和逆变器输出电流内环双闭环控制基础上，加入逆变器死区补偿及动态功率前馈两种辅助控制手段，其中，

逆变器死区补偿方法为：计算输出电流矢量角度θ＝arctan(i_q/i_L)，其中，i_L为直流侧输入电流测量值，i_q为DC/AC侧输出无功电流测量值，依据θ确定需要补偿的误差电压矢量ΔV_d，其具体关系为，-30°≤θ<30°，ΔV_d＝-2U_dcT_d/(3T_s)；30°≤θ<90°或--90°≤θ<-30°，ΔV_d＝-U_dcT_d/(3T_s)；90°≤θ<150°或--150°≤θ<-90°，ΔV_d＝U_dcT_d/(3T_s)；150°≤θ<210°，ΔV_d＝2U_dcT_d/(3T_s)，其中U_dc为直流母线电压，T_d为每相桥臂死区时间，T_s为功率管开关周期；然后对有功电流i_d环控制信号e_d进行相应补偿，补偿公式为e_{d_pwm}＝u_d+(i_dref-i_d)(k_p+k_i/s)+ωLi_q-ΔV_d，式中，e_{d_pwm}为d轴电压调制参考信号；u_d表示系统交流母线d轴电压；i_dref为d轴电流参考信号；i_d为逆变器输出d轴电流反馈信号；k_p、k_i分别为电流环比例和积分控制参数；电感L为滤波电感；ω为工频；

对DC/AC侧有功电流参考i_dref进行动态前馈补偿时，引入一阶微分环节，得到d轴电流参考i_dref＝(u_dc-U_dcref)(k_{p_u}+k_{i_u}/s)+i_LG_fd(s)，式中，i_dref为DC/AC侧电流环控制中有功电流参考信号，U_dcref为直流母线电压参考信号，u_dc为直流母线电压采样反馈量，k_{p_u}、k_{i_u}分别为电压环比例和积分控制参数；一阶微分前馈传递函数G_fd(s)＝(1+T_fds)/k，其中比例系数k＝1.5u_d/u_s；T_fd＝T₀+(TR+L)/k_p，T₀为直流电流i_L采样延时，T为DC/AC侧电流环控制中存在的小惯性时间常数，R表示包含DC/AC侧系统损耗及滤波电感附加电阻的等效电阻，L逆变器输出滤波器电感之和，k_p为电流环比例系数。

本发明提出了一种基于逆变器死区补偿及动态功率前馈相结合的双级式变流器直流母线控制算法，在常规的直流母线电压外环和逆变器输出电流内环双闭环控制基础上，加入逆变器死区补偿及动态功率前馈两种辅助控制手段。本发明为抑制和消除暂态时直流母线电压冲击和波动，采用了如下措施：1)对DC/AC侧d轴电流控制调制信号e_d进行相应补偿以减小死区效应对电流环控制的动态性能的影响；2)采用一阶微分前馈方法，能保证DC/AC侧有功电流输出快速跟踪直流侧输入。

附图说明

图1双级式变流器主电路结构图；

图2误差电压矢量与逆变器输出电流的关系；

图3基于死区补偿及动态功率前馈的直流母线电压控制方法；

具体实施方式

下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细表述。

双级式变流器主电路结构如图1所示，包括前级DC/DC功率变换单元和后级DC/AC功率变换单元，最后经LCL滤波器接入电网或负荷。DC/DC模块采用独立PWM控制方式：当下桥臂进行PWM调制，上桥臂关断时，电路处于Boost放电状态；当上桥臂进行PWM调制，下桥臂关断时，电路处于Buck充电状态；DC/AC模块采用空间矢量调制(SVPWM)。

DC/AC侧因死区效应导致的电压误差矢量与逆变器输出电流关系如图2所示。假定输出电流I与三相自然坐标系a轴夹角为θ，同步坐标系中d轴与a轴重合，误差电压矢量在d轴的投影为ΔV_d，则θ与误差电压矢量ΔV_i(i＝1,2,..,6)、ΔV_d的关系如下表1所示。

表1 θ与ΔV_i、ΔV_d的关系

e_{d_pwm}＝u_d+(i_dref-i_d)(k_p+k_i/s)+ωL*i_q

(1)

e_{q_pwm}＝(i_qref-i_q)(k_p+k_i/s)-ωL*i_d

式中，e_{d_pwm}、e_{q_pwm}分别为d轴和q轴电压调制参考信号；u_d表示系统交流母线d轴电压；i_dref、i_qref分别为d轴和q轴电流参考信号；i_d、i_q分别为逆变器输出d轴和q轴电流反馈信号；k_p、k_i分别为电流环比例和积分控制参数；电感L为滤波电感；ω为工频(314rad/s)。

由于DC/AC侧只有有功电流对直流母线电压会产生影响，因此主要对d轴电流控制方程进行相应补偿。由于误差电压的存在，d轴电压调制参考信号e_{d_pwm}与实际逆变器输出电压d轴电压关系为：e_{d_pwm}+ΔV_d＝e_d。因此为了消除该误差电压的影响，最直接的方式是在式(1)中的d轴电压调制参考信号中直接减去该误差电压，得到含逆变器死区效应补偿的d轴电压调制参考信号为

e_{d_pwm}＝u_d+(i_dref-i_d)(k_p+k_i/s)+ωLi_q-ΔV_d         (2)

在实际应用中，需要根据双级式变流器运行状态确定ΔV_d。为了能进行预测补偿，采用直流侧输入电流i_L代替DC/AC侧有功电流i_d，补偿开始时先依据实时测量得到的当前直流侧输出i_L及DC/AC侧输出无功电流i_q无功，确定输出电流矢量角度θ＝arctan(i_q/i_L)，然后再根据表1和图2确定需要补偿的误差电压矢量ΔV_d，其具体关系为：-30°≤θ<30°，ΔV_d＝-2U_dcT_d/(3T_s)；30°≤θ<90°或--90°≤θ<-30°，ΔV_d＝-U_dcT_d/(3T_s)；90°≤θ<150°或--150°≤θ<-90°，ΔV_d＝U_dcT_d/(3T_s)；150°≤θ<210°，ΔV_d＝2U_dcT_d/(3T_s)。该电压误差矢量即作为式(2)中在每个控制周期中需要实时补偿的量。

图3所示为含逆变器死区补偿和动态功率前馈的直流母线电压控制结构框图。对图中变量解释如下：U_dcref为直流母线电压参考，u_dc为直流母线电压采样反馈量，k_{p_u}、k_{i_u}分别为电压环比例和积分控制参数，i_dref为DC/AC侧电流环控制中有功电流(d轴电流)参考，一阶微分前馈传递函数G_fd(s)＝(1+T_fds)/k。如图中所示，在一阶微分前馈作用下，d轴电流参考i_dref＝(u_dc-U_dcref)G_u(s)+i_LG_fd(s)。由于进行前馈补偿的电流i_o不易测量，本发明中直接采用直流侧输入电流i_L作为前馈电流，同时依据稳态功率平衡，消除直流源电压u_s变化的影响，比例系数k＝1.5u_d/u_s。T_fd为微分时间常数，对系统中直流电流采样延时及DC/AC侧电流控制的响应时滞进行补偿，且T_fd＝T₀+(T_dR+L)/k_p，T₀为直流电流i_L采样延时，T_d为DC/AC侧电流环控制中存在的小惯性时间常数，R表示包含DC/AC侧系统损耗及滤波电感附加电阻的等效电阻，L为图1中所示滤波器电感之和，k_p为电流环比例系数。

Claims (1)

1.一种改进的双级式变流器直流母线电压控制方法，该方法在直流母线电压外环和逆变器输出电流内环双闭环控制基础上，加入逆变器死区补偿及动态功率前馈两种辅助控制手段，其中，

逆变器死区补偿方法为：计算输出电流矢量角度θ＝arctan(i_q/i_L)，其中，i_L为直流侧输入电流测量值，i_q为DC/AC侧输出无功电流测量值，依据θ确定需要补偿的误差电压矢量ΔV_d，其具体关系为，-30°≤θ<30°，ΔV_d＝-2U_dcT_d/(3T_s)；30°≤θ<90°或--90°≤θ<-30°，ΔV_d＝-U_dcT_d/(3T_s)；90°≤θ<150°或--150°≤θ<-90°，ΔV_d＝U_dcT_d/(3T_s)；150°≤θ<210°，ΔV_d＝2U_dcT_d/(3T_s)，其中U_dc为直流母线电压，T_d为每相桥臂死区时间，T_s为功率管开关周期；然后对有功电流i_d环控制信号e_d进行相应补偿，补偿公式为e_{d_pwm}＝u_d+(i_dref-i_d)(k_p+k_i/s)+ωLi_q-ΔV_d，式中，e_{d_pwm}为d轴电压调制参考信号；u_d表示系统交流母线d轴电压；i_dref为d轴电流参考信号；i_d为逆变器输出d轴电流反馈信号；k_p、k_i分别为电流环比例和积分控制参数；电感L为滤波电感；ω为工频；

对DC/AC侧有功电流参考即d轴电流参考信号i_dref进行动态前馈补偿时，引入一阶微分环节，得到d轴电流参考i_dref＝(u_dc-U_dcref)(k_{p_u}+k_{i_u}/s)+i_LG_fd(s)，式中，i_dref为DC/AC侧电流环控制中有功电流参考信号，U_dcref为直流母线电压参考信号，u_dc为直流母线电压采样反馈量，k_{p_u}、k_{i_u}分别为电压环比例和积分控制参数；一阶微分前馈传递函数G_fd(s)＝(1+T_fds)/k，其中比例系数k＝1.5u_d/u_s；T_fd＝T₀+(TR+L)/k_p，T₀为直流电流i_L采样延时，T为DC/AC侧电流环控制中存在的小惯性时间常数，R表示包含DC/AC侧系统损耗及滤波电感附加电阻的等效电阻，L逆变器输出滤波器电感之和，k_p为电流环比例系数。