CN103023358B - 三相四线并网电压源型pwm整流器电流参考值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相四线并网PWM整流器电流参考值计算方法，在电网电压不平衡跌落条件下，以消除有功功率波动、抑制直流母线电压波动为控制目标。该计算方法在满足控制目标的前提下，同时可以使得三相电流幅值参考值中的最大值最小。首先由所述整流器的三个电压传感器检测得到三相电网电压e_a,e_b,e_c，再经三个单相锁相环结构处理后得到三相电网电压的基波幅值E_a,E_b,E_c和基波相位φ_a,φ_b,φ_c，根据电网电压幅值中任意两相幅值的平方和是否小于第三相幅值的平方这一判别条件决定不同的电流参考值计算方法。

Description

三相四线并网电压源型PWM整流器电流参考值计算方法

技术领域

本发明涉及一种关于三相四线制并网电压源型PWM整流器的电流参考值计算方法。

背景技术

并网电压源型PWM整流器在电网电压不平衡条件下，正序电流和负序电压的相互作用会产生功率波动，而功率波动会直接导致整流器直流母线的不稳定，进而威胁到系统的稳定和安全运行，因此为了抑制功率波动需要额外注入负序电流，则负序电流与正序电压的耦合项可以抵消正序电流与负序电压耦合项的功率波动。

目前并网PWM整流器一般采用三线制，而对于三线整流器而言，由于没有零序电流，负序电流的存在必然导致三相电流的幅值不均衡，因此在电压跌落时可能导致其中某些相的电流已经达到整流器的电流阈值，而其它相远远不及的情况，从而限制了整流器在电压不平衡跌落时的功率输出能力。

三相四线制电压源型PWM变流器并网时工作在整流状态，故此时也称为PWM整流器。三相四线制PWM变流器具体拓扑结构有多种，目前在无功补偿和谐波治理、UPS备用电源、以及接不平衡负载逆变等方面均有所应用，而用于并网整流时一般是在直流母线需要为下一级负载提供中性点的场合，应用相对较少。三相四线制PWM整流器由于三相电流相互解耦，因此理论上可以解决目前三线PWM整流器在不平衡电网电压跌落下因消除有功波动而带来的三相电流幅值不均衡的问题，然而，目前并没有相关的专利和文献提出具有针对性的电流参考值计算方法。

发明内容

本发明的目的是克服目前用于并网整流的电压源型PWM整流器在电压不平衡跌落时功率输出能力方面的缺陷。本发明提出了一种基于三相四线电压源型PWM整流器，即带有中线的PWM整流器的电流参考值最优解计算方法，可以在电网电压不平衡跌落时抑制直流母线电压波动，并在同样功率输出情况下，降低电流最大相的幅值，从而节约整流器的电流裕量，提高整流器的功率输出能力。本发明尤其适合在电压不对称跌落时仍需保持整流器大功率输入输出的场合。

本发明的电流参考值计算方法是根据抑制整流器直流母线电压波动这一控制目标，得到电流参考值计算方程，进而由该计算方程得出电流参考值取最优解的充要条件，最后求得相应的电流参考值最优解，该最优解可以使得三相电流幅值中的最大值最小。基于本发明计算方法得出的电流参考值最优解即可设计出相应的电流内环，从而实现整流器在不平衡跌落条件下更大功率输出。

本发明计算方法的步骤如下：

首先由所述整流器的三个电压传感器检测得到三相电网电压e_a,e_b,e_c，再经三个单相锁相环结构处理后得到三相电网电压的幅值E_a,E_b,E_c和相位φ_a,φ_b,φ_c，如果电网电压幅值满足条件时，即任意两相幅值的平方和大于或等于第三相幅值的平方，基于式(2)、式(3)计算电流参考值。如果不满足该条件，则将式(4)中k_x的取值区间，即：

$k_x\∈[\frac{E_x}{\min (E_x,E_y+E_z)},\sqrt{\frac{E_x^2}{E_y^2+E_z^2}}]$

等分为n份，将包括端点在内的n+1个节点分别作为k_x的取值，再将电流参考值取最优解的充要条件，即k_xI_x＝I_y＝I_z分别与式(2)联立解得n+1组电流参考值的解，对比所得的解，其中电流幅值最大相最小的一组解即为近似最优解。

在不平衡电网电压条件下，设交流侧三相的相电压和线电流为：

则根据抑制整流器直流母线电压波动这一控制目标，基于扩展的瞬时功率理论，可得到下面电流参考值计算方程：

以上公式(1)和(2)中：E_a,E_b,E_c为三相电网电压幅值，I_a,I_b,I_c为三相电网电流幅值，φ_a,φ_b,φ_c为三相电网电压相位，为三相电网电流相位。P_ref和Q_ref分别为瞬时有功和无功功率参考值，w为电网角频率，t为时间。式(2)中三相电压的幅值和相位参数可通过检测三相电压的瞬时值，经三个单相锁相环结构输出得到。而三相电流的幅值和相位参数为待求解量，一共有六个未知量，式(2)中(2.1)、(2.2)包含两个约束条件，(2.3)右侧按正弦和余弦展开成两项实际可得到两个约束条件，因此式(2)只包含了四个约束条件，对应的电流参考值有无数组能够满足控制目标的解，构成一解集，在该解集中必有一最优解，使得三相电流幅值中的最大值最小。

从式(2)通过进一步推导可以得出以下两个结论：

1)当电网电压相位满足180°＞φ_x-φ_y＞90°,电网电压幅值满足条件时，其中x,y,z为A,B,C三相按正序排列的任何一个序列。式(2)取得电流参考值最优解的充要条件为：I_a＝I_b＝I_c        (3)

2)当电网电压相位满足180°＞φ_x-φ_y＞90°,电网电压幅值不满足条件时，设则式(2)取得电流参考值最优解的充要条件为：k_xI_x＝I_y＝I_z， $k_x\∈[\frac{E_x}{\min (E_x,E_y+E_z)},\sqrt{\frac{E_x^2}{E_y^2+E_z^2}}]---\left(4\right)$

kx为电流幅值比系数。

由于电网电压相位一般能够满足180°＞φ_x-φ_y＞90°这一条件，因此为简化问题，仅仅考虑电网电压的幅值条件。

当电网电压幅值满足条件时，基于式(2)、式(3)可计算电流参考值的最优解。

当电网电压幅值不满足条件时，基于式(2)、式(4)可计算电流参考值的最优解。由于此时式(4)中k_x对应着一个取值范围，因此采用搜索比较算法求解。即将式(4)中这一区间等分为n份，将包括两个端点在内的n+1个节点作为k_x的取值，再将电流参考值最优解的充要条件k_xI_x＝I_y＝I_z分别与式(2)联立解得n+1组电流参考值的解，对比所得的解，其中电流幅值最大相最小的一组解即为近似最优解。

附图说明

图1是三相四线制PWM电压源型整流器的基本拓扑结构；

图2是求解最优电流参考值所用图解法的相量图；

图3是本发明最优电流参考值的求解流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是三相四线PWM整流器的一般拓扑结构图，其三相交流侧串联有三个电感，直流母线有电容器组，交流三相连接三个桥臂，每个桥臂均由上下两个开关管组成；此外还有一根中线从直流侧中点引出，该中线上一般可以再串联一个滤波电感，中线另一端在并网时连电网中线。具体的中线从直流侧引出的方式可以有多种，一般可以通过上下两个开关管组成的桥臂引出或者从电容器组的中点引出。

本发明基于三相四线制并网电压源型PWM整流器的电流参考值计算方法如下：

当电网电压幅值满足条件时，由式(2)、式(3)计算电流参考值的最优解。如图2a所示，设相量：

方程(2.3)等价为：即图2a中三个相量平移后能得到图2b所示的三角形。设：

则由式(3)、式(5)结合图2b中几何关系，再利用余弦定理，即可求得Δ_ba，Δ_ca。Δ_ba，Δ_ca分别为B相与A相电流相位差，C相与A相电流相位差。

Δ_ba，Δ_ca代入式(2.1)、(2.2)经过化简可得：

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{\cos }=E_a\cos {\mathrm{\φ}}_a+\frac{I_b}{I_a}{E}_b\cos ({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ba}})+\frac{I_c}{I_a}{E}_c\cos ({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ca}})\\ k_{\sin }=E_a\sin {\mathrm{\φ}}_a+\frac{I_b}{I_a}{E}_b\sin ({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ba}})+\frac{I_c}{I_a}{E}_c\sin {({\mathrm{\φ}}_b-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ca}})}_c\end{array}\right.---\left(8\right)$

由Δ_ba，Δ_ca以及式(3)代入式(8)可得k_cos，k_sin，进而由式(7)可求得I_a。最后由Δ_ba，Δ_ca以及式(3)可得其余两相电流参考值。

当电网电压幅值不满足条件时，即此时由式(2)、式(4)来计算电流参考值的最优解。

式(4)中将此区间等分为n份，对k_x分别取包括两个边界点在内的n+1个不同的值，然后用与前述电网电压幅值满足条件时相同的求解方法，将电流参考值最优解的充要条件k_xI_x＝I_y＝I_z与式(2)联立求解得到n+1组不同的电流参考值解，对比这n+1组解，其中电流幅值最大相最小的一组解即为近似最优解。具体n的取值可以根据实际要求而定，n取值越大，结果越接近最优解，但是计算量也越大，一般可取2～4。

图3所示为本发明电流参考值的计算流程。

如图3所示，首先由三个电压传感器检测得到三相电网电压e_a,e_b,e_c，再经三个单相锁相环结构处理后得到三相电网电压的幅值E_a,E_b,E_c和相位φ_a,φ_b,φ_c，如果电网电压幅值满足时，即任意两相幅值的平方和大于或等于第三相幅值的平方，基于式(2)、式(3)计算电流参考值。如果不满足该条件，则将式(4)中这一区间等分为n份，将包括两个端点在的n+1个节点作为k_x的取值，再分别联立式(2)解得n+1组电流参考值的解，对比这些解，其中电流幅值最大相最小的一组解即为近似最优解。

Claims (1)

1.一种三相四线并网电压源型PWM整流器的电流参考值计算方法，其特征在于：首先由所述整流器的三个电压传感器检测得到三相电网电压e_a,e_b,e_c，再经三个单相锁相环结构处理后得到三相电网电压的基波幅值E_a,E_b,E_c和基波相位φ_a,φ_b,φ_c，根据电网电压幅值中任意两相幅值的平方和是否小于第三相幅值的平方这一判别条件决定不同的电流参考值计算方法；

当电网电压幅值满足时，即任意两相幅值的平方和大于或等于第三相幅值的平方时，则基于下述式(2)、式(3)计算电流参考值：

I_a＝I_b＝I_c    (3)

式中：E_a,E_b,E_c为三相电网电压幅值，I_a,I_b,I_c为三相电网电流幅值，φ_a,φ_b,φ_c为三相电网电压相位，为三相电网电流相位；P_ref和Q_ref分别为瞬时有功和无功功率参考值，w为电网角频率，t为时间；

当电网电压幅值不满足时，即某一相幅值的平方大于另两相幅值的平方和,则将区间等分为n份，将包括两个端点在内的n+1个节点作为k_x的取值，再分别联立所述的式(2)，解得n+1组电流参考值的解，对比所述的n+1组电流参考值的解，其中电流幅值最大相最小的一组解即为近似最优解；式中：E_a,E_b,E_c为三相电网电压幅值。