CN102916596A - 电压不对称故障下pwm整流器输入输出功率谐振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法。本发明的技术方案要点为：一种电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法，将系统输出有功功率、输入无功功率二倍频脉动给定值分别与系统有功功率和无功功率实际值做差，经过比例谐振控制器并通过二倍频补偿电压计算分别得到输出有功功率和输入无功功率二倍频补偿项，将传统矢量控制得到的电压参考值分别与二倍频电压补偿项相加，以电网电压位置角为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。本发明能够对PWM整流器的输入无功功率和输出有功功率脉动进行直接补偿，实现系统的单位功率因数运行和直流母线电压的稳定控制。

Description

电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法

 

技术领域

本发明涉及一种不平衡电网电压下电压型PWM整流器的控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域，特别是一种电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法。

背景技术

三相电压型脉宽调制整流器在静止无功补偿、高压直流输电、有源电力滤波、电气传动和可再生能源并网发电等领域得到广泛应用。在电网正常情况下，整流器能够实现单位功率因数运行且输出平稳的直流母线电压。然而，在电网电压不对称故障引起电网三相电压不平衡时，基于电压三相平衡条件设计的PWM整流器输入无功功率将出现二倍频谐波，不能实现单位功率因数运行；输出有功功率将出现二倍频谐波，导致直流母线电压产生二倍频波动。

针对电网电压不对称故障下三相PWM整流器的控制，国内外学者均开展了相关研究并取得了一定的研究成果。有学者提出建立两个分别实施在正、反转同步旋转坐标系中的电流控制器对正、负序电流进行独立控制的正、负序双电流环控制策略。有学者提出由功率桥输入侧功率求取正、负序电流的方法，此方法可以获得较为稳定的输出功率，抑制直流母线电压波动。以上方法中，控制器均需要实施在同步旋转坐标系，并需要对正、负序分量进行分解。为了提高三相PWM整流器的响应速度，可在电流环外对正、负序电流参考值进行计算，有学者根据计算得到的正、负序电流给定值，在两相静止坐标系中采用比例-谐振控制器对正、负序电流统一进行调节。此方法虽然避免了电流内环中的正、负序计算，但是为了计算正、负序电流给定值，必须对系统中各分量进行正、负序分解，增加了控制方案的运算量。另外，该方法不能实现系统的单位功率因数运行。

因此，有必要设计一种电网电压不对称故障下PWM整流器的控制方法，使得控制系统运行时，不需要正、负序分解又可以对PWM整流器的输出功率脉动进行直接补偿，保持恒定的直流母线电压，同时，系统能够实现单位功率因数运行，有效提高电网电压不对称故障条件下整流器的输入输出品质。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法，该方法不需要正、负序分解计算，并通过对PWM整流器的输入输出功率脉动进行直接补偿，实现系统单位功率因数运行和稳定的直流母线电压，保证系统输入输出品质。

本发明的技术方案为：一种电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法，其特征在于包括以下步骤：(l)、检测三相电网电压，三相输入电流和直流侧电压，并通过锁相环检测电网电压旋转角速度和位置角；(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经3/2变换模块得到两相静止坐标下的电网电压和输入电流；(3)、将两相静止坐标下的电网电压和输入电流以电网电压位置角进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和输入电流；(4)、根据上一时刻输出电压以及两相旋转坐标下的电网电压和输入电流计算系统输入无功功率和输出有功功率；(5)、将系统输出有功功率、输入无功功率二倍频脉动给定值分别与步骤(4)得到的系统输出有功功率和输入无功功率实际值做差，分别经过比例谐振控制器1、比例谐振控制器2并通过补偿电压计算分别得到输出有功功率和输入无功功率二倍频补偿项；(6)、将直流侧电压给定值与步骤(1)得到的直流侧电压实际值的差经过PI控制器1后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值；(7)、将步骤(6)中计算得到的旋转坐标系下d轴电流的给定值与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d轴电流相减，然后经过PI控制器2计算得到旋转坐标系下d轴输出电压值，设q轴电流给定值为0，其与步骤(3)所计算得到的q轴电流相减，然后经过PI控制器3计算得到旋转坐标系下q轴输出电压值，将d、q轴输出电压值经过解耦补偿计算得到旋转坐标系下d、q轴电压参考值；(8)、将旋转坐标系下d、q轴电压参考值经过补偿电压计算，再分别与步骤(5)得到的二倍频补偿项相加，以电网电压位置角为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(5)中所述比例谐振控制器的角速度ω _o设置为二倍电网电压同步旋转角速度2ω _g，其频域表达式为：

本发明控制方法在电网电压不对称故障情况下，不需要对系统中的正、负序分量进行计算和分解，能够对PWM整流器的输入无功功率和输出有功功率脉动进行直接补偿，实现系统的单位功率因数运行和直流母线电压的稳定控制，保证了系统的输入输出品质。算法简单，容易实现。

附图说明

图1为三相电压型PWM整流器主电路结构图；图2为电网电压不对称故障下系统变量在不同坐标系中的关系图；图3本发明控制系统的结构原理图；图4为矢量控制下的输入输出功率波形图；图5为本发明控制下的输入输出功率波形图；图6为矢量控制下的直流母线电压波形图；图7为本发明控制下的直流母线电压波形图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。三相电压型PWM变换器主电路结构如图1所示，图1中，P _i、Q _i和P _o、Q _o分别为电网输入功率和整流器输出功率，u _a、u _b、u _c为交流侧三相电压源，i _a、i _b、i _c为三相交流侧输入电流，v _a、v _b、v _c为功率桥输入侧三相电压，u _dc为直流侧电压，O为电网中点，L和R分别为进线电感及其等效电阻，C为直流母线电容。在理想情况下，可认为电网输入功率等于整流器输出功率与进线电感及等效电阻上消耗的功率之和，而整流器输出功率等于直流侧与负载功率之和。

在电网三相电压平衡且稳定情况下，可得PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型:

                                          

                                        (1)

式中u _d、u _q分别为电网电压的d、q轴分量，i _d、i _q分别为交流侧电流的d、q轴分量，v _d、v _q分别为功率桥交流侧输入电压的d、q轴分量，ω _g为电网电压旋转角速度。

同步旋转坐标系下系统输出有功功率和输入无功功率方程为

                                                           

                                            (2)

式中：P _o、Q _i分别为输出有功功率和输入无功功率。

电网不对称故障时系统各电量包括正序分量、负序分量和零序分量。对于三相无中线系统，可以认为不存在零序分量，因此在旋转坐标系中，仅考虑系统电量中的正序分量和负序分量。如图2为静止αβ坐标系，正、反转同步速ω _g旋转dq^p，dqⁿ坐标系间的矢量关系图。图中上标n，p分别表示正、反转同步旋转坐标系，F广义表示电压、电流矢量。

由图2可知，在电网不对称故障下，系统各个变量之间坐标转换关系为：

                                               

                                                   (3)

式中上标n，p分别表示正、反转同步旋转坐标系，下标n，p分别表示正、负序分量。

根据上式可得出电网不对称故障时系统各电量在正、反转旋转坐标系中相应正、负序分量的形式：

                                

                                    (4)

由图2和式(1)-(4)可得系统方程：

                                    

                                         (5)

在不对称电网故障下系统输出有功功率和输入无功功率的二倍频方程为

                                  

                                       (6)

其中

式中P _oc2、P _os2分别为输出有功功率的余弦、正弦二倍频分量幅值，Q _ic2、Q _is2分别为输入无功功率的余弦、正弦二倍频分量幅值。

在电网不对称故障条件下系统功率可表示为直流量与二倍频分量之和的形式。在电网发生不对称故障时各电量在正转旋转坐标系中均含有二倍频交流量。因此不对称电网时PWM整流器的控制关键在于对其二倍频分量的抑制。

将式(6)中反向同步旋转坐标系下的负序分量转换到正向同步旋转坐标系下可得系统输出有功功率、输入无功功率二倍频分量为

                                 

                                     (7)

稳态时，忽略式(4)中电流微分项及等效电阻的影响，将其代入式(7)经计算整理可得

                                        (8)

由式(8)可知，正序分量为直流分量，负序分量为2倍频分量。令d轴与电网电压矢量同向，此时

=0。由于电网电压q轴的2倍频分量在0附近波动，为了降低控制系统复杂性，忽略此波动分量，可得系统功率2倍频方程为

                                                             (9)

本发明采用比例谐振（PR）控制器对二倍频脉动进行抑制，其中心频率设为二倍同步频率。该PR控制器实施于两相同步旋转坐标系中，当电网发生不对称故障时，控制器可以针对二倍频信号进行独立控制，补偿传统基于矢量控制的PI电流控制器的输出电压，达到去除输出有功功率和输入无功功率二倍频脉动的目的。系统运行时无需对系统中的电量进行正、负相序分解。

在电网发生不对称故障情况下，考虑稳态情况时的直流分量可认为是常数，为了体现对功率二倍频分量的控制，对式(9)求导可得

                                      

                                        (10)

其中

根据式(5)和式(10)可得

                            

                        (11)

式中

、

分别为同步旋转坐标系中PWM整流器二倍频控制参考电压，其可按比例谐振控制原则设计为

                                              

                                           (12)

其中

                                      

                                  (13)

                                      

                                  (14)

式中k _pr、k _ir分别为PR控制器的比例、谐振系数，

、

分别为有功、无功功率二倍频指令值。式(12)中控制电压

和的系数可以通过调节比例系数k _pr进行补偿，式(13)作为电压前馈补偿项可以省去。因此，式(12)可简化为

                                                                    (15)

式(15)即为最终的补偿电压计算过程。

根据式(1)，同步旋转坐标系中变换器控制参考电压可分别设计为：

                                      

                                        (16)

其中

式中

、

分别为变流器控制参考电压，k _p、k _i分别为控制器的比例、积分系数，

、

分别为控制器指令电流。另外，解耦补偿计算可根据式(16)进行。

在电网发生不对称故障情况下，加入功率脉动补偿电压后的控制方程为

                                                            

                                                 (17)

图3为本发明控制系统的结构原理图，其控制方法具体包括如下步骤： 

(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压u _a、u _b、u _c，三相电网电流i _a、i _b、i _c，采用锁相环检测电网电压旋转角速度ω _g和位置角θ；

(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压u _a、u _b、u _c和三相电网电流i _a、i _b、i _c经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u _α、u _β和输入电流i _α、i _β；

(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u _α、u _β与电网电流i _α、i _β以电网电压位置角θ进行Park变换，得到同步旋转坐标下的电网电压u _d、u _q与电网电流i _d 、i _q；

(4)、根据上一时刻输出电压参考值v _{d_1} ^*、v _{q_1} ^*以及步骤(3)计算得到的两相旋转坐标下的电网电压u _d、u _q，电网电流i _d 、i _q计算得到系统输出有功功率P _o、输入无功功率Q _i；

(5)、将整流器输出有功功率、输入无功功率二倍频脉动给定值分别与步骤(4)得到的整流器输出有功功率和输入无功功率实际值P _o、Q _i做差，并分别经过PR控制器(1)、PR控制器(2)计算得到PR控制器输出值u _dn ^’和u _qn ^’，再通过式(15)得到有功功率和无功功率二倍频补偿项v _dn ^*、v _qn ^*；

(6)、将直流侧电压给定值与步骤(1)得到的直流侧电压实际值的差经过PI控制器1后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值i _d ^*，并设q轴电流的给定值i _q ^*为0；

(7)、将步骤(6)中计算得到的旋转坐标系下d、q轴电流的给定值i _d ^*和i _q ^*分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴电流i _d和i _q相减，然后经过PI控制器2、PI控制器3计算分别得到旋转坐标系下d、q轴PI控制器输出值u _d ^’和u _q ^’；

(8)、根据步骤(7)计算得到的PI控制器输出值u _d ^’和u _q ^’，通过式(16)得到电压参考值v _d0 ^*和v _q0 ^*，将电压参考值v _d0 ^*和v _q0 ^*分别与二倍频电压补偿项v _dn ^*、v _qn ^*相加，以步骤(1)中检测到的电网电压位置角θ为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

图3中PR控制器的角速度ω _o设置为二倍电网电压同步角速度2ω _g，表达式为：

                             (21)

图4、图5为采用输入功率补偿控制和采用本发明控制方法时PWM整流器的输出有功功率和输入无功功率波形图，由图4输入功率补偿下的功率波形可以看出，当不对称电网故障时，系统的输入无功功率得到较好抑制，但输出有功出现了二倍频脉动；而图5中采用本发明控制时的输出有功功率和输入无功功率的二倍频脉动得到有效抑制，保证了输出有功、输入无功功率的稳定。

图6、图7分别为采用输入功率补偿控制和本发明控制方法时的直流侧电压波形图，由图6可以看出，在电网发生不对称故障时，采用矢量控制的PWM整流器直流母线电压发生二倍频波动，严重影响系统的输出品质；由图7可以看出，采用本发明控制可以有效抑制直流母线电压波动，获得较为稳定的直流母线电压。

综上所述，本发明的控制方法在不对称电网故障条件下能够有效的抑制整流器输出有功功率和输入无功功率的二倍频波动，可获得较为稳定的直流侧电压，有效提高变换器的控制品质；与基于正、负序d、q坐标的双电流控制方法相比计算量小，控制结构简单，能够同时消除系统输出有功、输入无功功率的二次脉动，同时实现系统的单位功率因数运行和稳定直流母线电压。

Claims (1)

1.一种电压不对称故障下PWM整流器输入输出功率谐振控制方法，其特征在于包括以下步骤：(l)、检测三相电网电压，三相输入电流和直流侧电压，并通过锁相环检测电网电压旋转角速度和位置角；(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经3/2变换模块得到两相静止坐标下的电网电压和输入电流；(3)、将两相静止坐标下的电网电压和输入电流以电网电压位置角进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和输入电流；(4)、根据上一时刻输出电压以及两相旋转坐标下的电网电压和输入电流计算系统输入无功功率和输出有功功率；(5)、将系统输出有功功率、输入无功功率二倍频脉动给定值分别与步骤(4)得到的系统有功功率和无功功率实际值做差，分别经过比例谐振控制器1、比例谐振控制器2并通过二倍频补偿电压计算分别得到输出有功功率和输入无功功率二倍频补偿项，其中比例谐振控制器的角速度设置为二倍电网电压同步旋转角速度；(6)、将直流侧电压给定值与步骤(1)得到的直流侧电压实际值的差经过PI控制器1后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值；(7)、将步骤(6)中计算得到的旋转坐标系下d轴电流的给定值与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d轴电流相减，然后经过PI控制器2计算得到旋转坐标系下d轴输出电压值，设q轴电流给定值为0，其与步骤(3)所计算得到的q轴电流相减，然后经过PI控制器3计算得到旋转坐标系下q轴输出电压值，将d、q轴输出电压值经过解耦补偿计算得到旋转坐标系下d、q轴电压参考值；(8)、将旋转坐标系下d、q轴电压参考值经过补偿电压计算，再分别与步骤(5)得到的二倍频补偿项相加，以电网电压位置角为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

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