CN102916598A - 电网不对称故障下电压型pwm整流器功率补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法。本发明的技术方案要点为：一种电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法，将计算得到的输入有功功率、无功功率，经过带通滤波器和控制器，得到二倍频补偿电压，并补偿到传统矢量控制的输出电压中，最终得到了两相静止坐标系下的参考电压，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，实现有功功率和无功功率的稳定控制。本发明在电网不对称故障条件下，不需要对系统中的正、负序分量进行计算和分解，能够对电压型PWM整流器的功率脉动进行直接补偿，实现有功功率和无功功率的稳定控制，可以有效提高电网不对称故障条件下电压型PWM整流器的运行能力，算法简单，容易实现。

Description

电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法

  

技术领域

    本发明涉及电压型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，特别涉及一种电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法。 

背景技术

在电网发生不对称故障时，电网电压将发生不对称跌落，采用矢量控制策略的PWM整流器直流侧将出现二次谐波功率，导致直流母线电压波动、电网输入侧出现大量谐波，严重影响PWM整流器的输出品质。 

在电网不对称故障时，电网电压会产生不对称跌落。此时，比较经典的PWM整流器控制方法是采用对称分量理论对系统进行正、负序分解，并分别建立相应的正、负序电流内环控制结构。该方法需要在电流内环进行正、负序分解运算，这将增加控制器的复杂程度，降低系统的动态响应。为了避免在电流环内进行正、负序分解运算，提高系统响应速度，有学者采用谐振控制器对正、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。 

因此，有必要设计一种电网不对称故障下电压型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整流器的功率脉动进行直接补偿，提高电网不对称故障条件下整流器的运行能力。 

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法，该方法不需要对电量进行正、负序分解运算，且能够对电压型PWM整流器的功率脉动进行直接补偿，获得稳定的输入有功功率和无功功率。 

本发明的技术方案为：一种电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法，其特征在于包括以下步骤：（l）、检测三相电网电压、三相电网电流和直流侧电压，并通过锁相环计算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电网电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；（3）、将步骤（2）得到的两相静止坐标系下的电网电压和电网电流以电网电压位置角度进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和电网电流；（4）、根据两相旋转坐标下的电网电压和电网电流计算系统有功功率和无功功率；（5）、将步骤（4）得到的系统有功功率和无功功率实际值经过带通滤波器(1)、带通滤波器(2)得到系统有功功率和无功功率二倍频脉动实际值，将系统有功功率、无功功率二倍频脉动给定值分别与有功功率和无功功率二倍频脉动实际值作差，然后首先通过PI控制器(1)、PI控制器(2)计算得到PI控制器的输出电压，再经过补偿电压计算模块分别得到有功功率和无功功率二倍频补偿项，其中带通滤波器的中心角速度设置为二倍同步角速度；（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(3)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(4)计算得到旋转坐标系下d轴输出电压，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(5)计算得到旋转坐标系下q轴输出电压，将d、q轴输出电压经过前馈补偿解耦模块得到旋转坐标系下d、q轴电压的参考值；（8）、将步骤（7）中计算得到的旋转坐标系下d、q轴电压参考值和步骤（5）得到的二倍频补偿项相加，以电网电压角度为变换角进行反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。 

本发明步骤（5）中所述的带通滤波器的中心角速度ω _o设置为二倍同步旋转角速度2ω _g，其频域表达式为： 

本发明具有以下有益效果：在电网不对称故障条件下，本发明不需要对系统中的正、负序分量进行计算和分解，能够对电压型PWM整流器的功率脉动进行直接补偿，实现有功功率和无功功率的稳定控制，可以有效提高电网不对称故障条件下电压型PWM整流器的运行能力，算法简单，容易实现。

附图说明

    图1为三相电压型PWM整流器的主电路结构图；图2为电网发生不对称故障时系统变量在不同坐标系中的关系图；图3为本发明控制系统的结构原理图；图4为矢量控制下的输入功率波形图；图5为本发明控制下的输入功率波形图；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。 

具体实施方式

结合附图详细描述实施例。三相电压型PWM整流器主电路结构如图1所示。图1中，u _ga、u _gb、u _gc为交流侧三相电压源；i _ga、i _gb、i _gc为三相交流侧电流；u _ca、u _cb、u _cc为功率桥输入侧三相电压；u _dc为直流侧电压；L _g和R _g分别为进线电感及其等效电阻；C为直流滤波电容；O为电网中点；i _L为负载电流，直流侧负载由电阻R _L等效表示。 

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）

u _gd、u _gq分别为电网电压的d、q轴分量；i _gd 、i _gq分别为交流侧电流的d、q轴分量；u _cd 、u _cq分别为整流桥交流侧输入电压的d、q轴分量；w _g为电网电压旋转角速度；

同步旋转坐标系下系统功率方程为：

                      

                  （2）

P _g 、Q _g分别为有功功率和无功功率。令电网电压矢量和d轴同向，此时u _gq =0，系统功率方程可简化为： 

                          

                      （3）

由式（3）可知，通过调节i _gd 、i _gq可以实现网侧有功、无功功率的独立控制。

电网电压发生不对称故障时，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，可以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，在电网发生不对称故障情况下，系统各个变量之间坐标转换关系为： 

                         

                        （4）

                         

                       （5）

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

             

            （6）

式中下标n，p分别表示正、负序分量，由上式可知，在电网不对称故障下各电量在正转旋转坐标系中均含有二倍频交流量，因此电网电压，整流桥交流侧电压及电网电量可表示为：

                             （7）

式中下标0，2分别表示直流分量和二倍频分量。

由上式可知，电网不对称故障下各电量在正向同步旋转坐标系中表现为直流分量与二倍频分量之和。为了对二倍频分量进行单独控制，将式（7）带入式（1）并将式中直流量和二倍频分量分离可得系统稳态电压方程和二倍频电压方程 

               

              （8）

               

              （9）

同理在电网电压发生不对称故障条件下系统功率也可表示为直流量与二倍频分量之和的形式:

                          

                     （10）

将式（7），（10）带入式（3）可得

                 

               （11）

当系统功率不存在二倍频分量时式（11）可表示为

                                              （12）

将式（12）带入式（11）可得功率波动分量如下

                 

               （13）

在电网不对称故障下各电量在正转旋转坐标系中均含有二倍频交流量。因此电网不对称故障下PWM整流器的控制关键在于对其二倍频分量的抑制。

电网发生不对称故障条件下电压型PWM整流器功率补偿控制方法原理分析如下： 

根据式（1），同步旋转坐标系中整流器控制参考电压可分别设计为：

                  

                （14） 

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。

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，达到去除有功功率和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。 

为了体现对功率二倍频分量的控制，对式（13）求导可得 

   

  （15）

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，式（15）可进一步表示为

                                   （16） 

由于电网电压为不可控量，根据式（9）和式（16）可得

             

        （17）

式中

、

为同步旋转坐标系中PWM整流器二倍频控制参考电压。

、

可设计为 

                        

                   （18） 

其中，

                

           （19）

                           （20）

式中：k _p1、k _i1分别为PI控制器的比例、积分系数；ω _g为电网电压旋转角速度；

、

分别为有功功率和无功功率二倍频指令值。对比式（19）、式（14）可以看出，式（19）中后三项均包括在主控制器设计式（14）中，在补偿环节系统实施过程中可以不再考虑。式（19）中第一项可视为一个前馈补偿量不再考虑。

图3为本发明控制系统的结构原理图，显示了电网电压发生不对称故障条件下电压型PWM整流器功率脉动补偿控制原理。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 _ga、u _gb、u _gc，三相电网电流i _ga、i _gb、i _gc，和直流侧电压u _dc，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 _ga、u _gb、u _gc和三相电网电流i _ga、i _gb、i _gc经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u _gα、u _gβ和电网电流i _gα、i _gβ；

（3）、将步骤（2）计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u _gα、u _gβ与电网电流i _gα、i _gβ以电网电压旋转位置角θ进行Park变换，得到同步旋转坐标下的电网电压u _gd、u _gq与电网电流i _gd 、i _gq；

（4）、通过步骤（3）计算得到的两相旋转坐标下的电网电压u _gd、u _gq，电网电流i _gd 、i _gq计算得到系统输入有功功率P _g、无功功率Q _g；

（5）、将步骤（4）得到的系统有功功率和无功功率实际值P _g、Q _g分别经过带通滤波器(1)、带通滤波器(2)得到系统有功功率和无功功率二倍频脉动实际值

、，将系统有功功率、无功功率二倍频脉动给定值分别、

与有功功率和无功功率二倍频脉动实际值

、

作差，然后首先通过PI控制器（1）、PI控制器（2）计算得到PI控制器（1）、PI控制器（2）的输出电压v _gd2、v _gq2，再经过补偿电压计算模块分别得到有功功率和无功功率二倍频补偿项u _cd2 ^*、u _cq2 ^*；

（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（3）后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值i _gd ^* ；并设q轴电流的给定值i _gq ^* 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 _gd ^* 和i _gq ^* 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 _gd和i _gq相减得到d、q轴电流误差，然后将d、q轴电流误差首先经过PI控制器（4）、PI控制器（5）计算分别得到PI控制器（4）、PI控制器（5）的输出电压v _gd和v _gq，再经过前馈补偿解耦模块得到旋转坐标系下d、q轴电压的参考值u _cd ^*、u _cq ^*；

（8）、步骤（7）计算得到的d、q轴电压参考值u _cd ^* 和u _cq ^* 与二倍频补偿项u _cd2 ^*、u _cq2 ^*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G(s)为带通滤波器，用于提取目标变量的二次脉动量，其表达式为： 

                  

                 （21）

图4和图5分别为采用矢量控制和采用本发明控制方法的电压型PWM整流器的输入功率波形图。由图4可以看出，在电网发生不对称故障时，采用矢量控制的输入有功功率和无功功率发生二倍频波动；由图5可以看出，采用本发明控制可以有效抑制输入有功功率和无功功率的二倍频波动。

图6和图7分别为采用矢量控制和采用本发明控制方法的直流母线电压波形图。图6为采用矢量控制时的PWM整流器直流母线电压波形图，当电网电压发生不对称故障时，系统的直流母线电压出现二倍频脉动；由图7可以看出，采用本发明控制时，直流母线电压二倍频脉动得到一定程度的抑制，起到了稳定直流母线电压的作用。 

综上所述，本发明的控制方法在电网发生不对称故障条件下能够有效的抑制整流器输入功率的二倍频波动，可获得较为稳定的直流侧电压，有效提高整流器的运行品质，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入有功、无功功率的二次脉动。 

Claims (1)

1.一种电网不对称故障下电压型PWM整流器功率补偿控制方法，其特征在于包括以下步骤：（l）、检测三相电网电压、三相电网电流和直流侧电压，并通过锁相环计算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电网电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；（3）、将步骤（2）得到的两相静止坐标系下的电网电压和电网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轴电网电压和电网电流；（4）、根据两相旋转坐标下的电网电压和电网电流计算系统有功功率和无功功率；（5）、将步骤（4）得到的系统有功功率和无功功率实际值分别经过带通滤波器(1)、带通滤波器(2)得到系统有功功率和无功功率二倍频脉动实际值，将系统有功功率、无功功率二倍频脉动给定值分别与有功功率和无功功率二倍频脉动实际值作差，然后首先分别通过PI控制器(1)、PI控制器(2)计算得到PI控制器(1) 、PI控制器(2)的输出电压，再经过补偿电压计算模块分别得到有功功率和无功功率二倍频补偿项，其中带通滤波器的中心角速度设置为二倍同步旋转角速度；（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(3)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(4)计算得到旋转坐标系下d轴输出电压，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(5)计算得到旋转坐标系下q轴输出电压，将d、q轴输出电压经过前馈补偿解耦模块得到旋转坐标系下d、q轴电压的参考值；（8）、将步骤（7）中计算得到的旋转坐标系下d、q轴电压参考值和步骤（5）得到的二倍频补偿项相加，以电网电压角度为变换角进行反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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