CN103326611B - 一种三相电压源型pwm变流器的预测直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电压源型PWM变流器的预测直接功率控制方法，将预测控制中的无差拍控制思想引入三相电压源型PWM变流器的直接功率控制策略，由电压控制环和无差拍功率控制环两个控制器共同完成功率解耦控制和直流侧稳压控制，无需锁相环，并且使用空间矢量调制方式，实现了直接功率控制的开关频率恒定，因此输出滤波器易于设计和工程实现。控制器设计简单，控制性能具有响应速度快，控制精度高，鲁棒性好的特点。<!--1-->

Description

一种三相电压源型PWM变流器的预测直接功率控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种三相电压源型PWM变流器的直接功率控制方法，特别是一种基于功率预测无差拍调节的直接功率控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展以及电力半导体开关器件性能的不断提高，三相电压源型PWM变流器早已实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输。由于其呈现出的受控电流源特性，三相电压源型PWM变流器取得了广泛的应用，如静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波（APF）、轻型高压直流输电（HVDC）、风能等可再生能源的并网发电等等领域。

并网控制是三相电压源型PWM变流器控制的基本要求，其并网控制性能的优劣直接影响到PWM变流器的应用。目前，三相电压源型PWM变流器并网控制策略主要有矢量控制和直接功率控制两种。其中，矢量控制在电压或者虚拟磁链定向的基础上，通过输出电流矢量的控制，实现三相电压源型PWM变流器有功和无功的控制，电网电压矢量位置的准确获得直接关系到变流器运行性能。然而，电压定向容易受电网电压谐波和不平衡的影响；虚拟磁链定向有零漂和积分漂移问题；基于电网电压基波的锁相环（PLL）技术又存在动态性能和稳定性只能进行折中的问题。并且对于动态响应要求较高的系统，矢量控制没有很好的功率快速响应能力。如果在矢量定向的基础上，对变流器的有功和无功功率进行直接控制，这便是直接功率控制技术，它具有更快的功率响应速度，但仍依赖于矢量的定向准确度。直接功率还有一种基于功率滞环控制的直接功率控制策略，但这种控制方式开关频率不固定，难以进行输出滤波器的设计。基于PI调节的定频虚拟磁链定向直接功率控制方式能实现定频直接功率控制，但是快速性有所降低。

 发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供一种无需电网电压矢量角度信息，并且响应速度快、开关频率恒定的三相电压源型PWM变流器的直接功率控制方法，从而提高三相电压源型PWM变流器的并网性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种三相电压源型PWM变流器的预测直接功率控制方法，三相电压源型PWM变流器包括检测电路、控制电路、驱动电路、直流侧电容，三相电压型PWM变流器的桥臂由两个IGBT串联组成，检测电路的输出端接入控制电路，控制电路的输出端接入驱动电路，驱动电路的六个输出端分别与三相电压型PWM变流器的六个开关器件的控制极相连，三相电压型PWM变流器的桥臂与直流侧电容并联，三相电压型PWM变流器通过输出电感和电阻连接电网，所述三相电压源型PWM变流器预测直接功率控制方法包括以下步骤：

（a）检测并采样三相电压源型PWM变流器与电网公共连接点处的系统相电压                                                、、，以及交流侧电流、、，利用CLARKE变换计算出系统电压的分量、和交流侧电流的分量、。同时检测采样直流侧电容电压；

（b）、直流侧电容电压给定值与直流侧电容电压的差值经PI控制器得到有功功率目标值，无功功率目标值根据系统所需直接给定；

（c）、根据瞬时无功功率理论，由系统电压的分量、和交流侧电流的分量、，计算出三相电压源型PWM变流器功率的实际输出值、；

（d）、根据三相电压源型PWM变流器坐标系下的离散功率方程，应用无差拍控制器和反馈补偿器得到三相PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、；

（e）、将、按给定频率进行SVPWM调制，得到的脉冲序列信号用于控制三相电压源型PWM变流器的开关器件，实现交直流侧功率传输的平衡，有功功率和无功功率实现了解耦控制，并且能快速响应功率的变化，并保证直流侧电容电压稳定在目标电压。

步骤（c）所述的三相电压源型PWM变流器功率的实际输出值、计算表达式为：

步骤（d）第k个采样周期时刻三相电压源型PWM变流器坐标系下的离散功率方程为：

其中，、为第k个采样周期时刻三相电压源型PWM变流器功率的实际输出值；为采样周期；为变流器交流侧电感值大小；、为第k个采样周期时刻系统电压的分量；、为第k个采样周期时刻三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值。

步骤（d）第k个采样周期时刻坐标系下三相电压源型PWM变流器无差拍直接功率控制器表达式为：

其中，、为第k+1个采样周期时刻的预测给定值，控制器每个采样周期的控制都是跟踪当前周期结束或者下一个周期开始时的功率给定值。

第k+1个采样周期时刻的功率预测给定计算表达式为：

其中是加权修正系数，为第k个采样周期时刻的预测误差值，由第k个采样周期时刻的采样实际输出对第k个采样周期时刻的预测值所作的比较得出，计算表达式为：

由步骤（d）所得三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、进行SVPWM调制，实现直接功率的定频控制。

本发明的有益效果：本发明中第k+1个采样周期时刻的预测给定值，由反馈补偿后给出，消除系统功率控制的静差。计算得到的第k个采样周期时刻三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、，使用SVPWM调制方法调制成脉冲序列信号去控制变流器中的开关器件，实现了开关频率的恒定。并且控制过程在坐标系下进行，不需要锁相环或者电网电压定向，减少了因锁相环或者电压矢量定向所产生的延时。控制器设计简单，易于工程实现，实现了具有快速功率响应能力的定频直接功率控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为本发明三相电压源型PWM变流器的主电路拓扑结构示意图；

图2为本发明三相电压源型PWM变流器的预测直接功率控制方法的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，本发明所用三相电压源型PWM变流器主电路拓扑包括六个IGBT开关器件，连接电抗L、直流侧电容C等。、和为三相电网相电压；、和为三相电网电流；、和为三相电压源型PWM变流器的交流侧电压输出值；为直流侧电压；L、R分别为交流侧电感和电阻值。三相电压源型PWM变流器根据直流侧电流方向不同可以分别工作在整流和逆变状态。

本发明所述预测直接功率控制步骤如下：

根据电路理论知识我们可以得到三相电压源型PWM变流器在三相abc坐标系下的电路方程如式（1）所示。

                                               （1）

如图2所示，采样得到电网相电压和交流侧电流，并将数值变换到坐标系下进行处理。将式（1）进行CLARKE变换，得到三相电压源型PWM变流器t时刻在静止坐标系下的动态方程为：

                    （2）

在第k个采样周期时刻对式（2）进行离散化可得

       （3）

其中为采样周期值。

当开关频率远大于电网电压工频时，坐标系下电网电压可近似看做不变，即：

                                     （4）

此时，略去电阻值影响的条件下，两个连续采样周期的瞬时有功功率和无功功率改变值可以表达成如下形式：

（5）

要在一个采样周期内实现有功功率和无功功率对其参考功率值的无差拍跟踪控制目标，由式（5）可以看出，控制策略需要下一个采样周期的功率值信息，则可以在第k个采样周期时刻对第k+1个采样周期时刻的功率值进行预测，用于第k个采样周期时刻的控制，即：

                               （6）

、为第k个采样周期时刻对第k+1个采样周期时刻的预测给定值，则控制器每个采样周期的控制都是跟踪当前周期结束或者下一个周期开始时的功率给定值。

如图2所示，根据第k+1个采样周期时刻的预测给定值以及第k个采样周期时刻的所需的电气量，无差拍功率控制器中三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、计算表达式为：

（7）

如图2所示，在进行三相电压源型PWM变流器输出电压目标值的计算前，需要进行预测功率值的校正。为了克服系统的误差以及控制过程中干扰对系统的影响，在每一步控制作用前，都需要运用反馈校正方法，采用预测误差修正接下来各步的预测值。在第k个采样周期时刻采集到实际输出后，与第k-1个采样周期时刻所作的预测功率值进行比较，得到预测误差计算表达式为：

                                         （8）

然后再利用预测误差对第k个采样周期时刻所作的预测给定值进行校正，校正公式为：

                                              （9）

其中为加权修正系数。

计算得到第k个采样周期时刻三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、后，利用空间矢量调制方法（SVPWM）对输出电压目标值进行调制，得到的脉冲控制信号经过驱动电路驱动主电路的IGBT开关，实现三相电压源型PWM变流器的定频预测直接功率控制。

在此说明了此发明的优选实施例，包括发明人用于实施本发明的已知最佳模式。优选实施例的变更对本领域普通技术人员而言在阅读上述说明后是显而易见的。发明人希望普通技术人员合理应用这样的变更，并且发明人认为与在此明确说明不同的应用也可以实现本发明。因此，本发明包括随附权利要求中所引用的主旨的所有修改及等效形式，这在适用的法律中是允许的。此外，上述要素的所有可能的变更的任何组合也被本发明所包含，除非在此另外指出或者在上下文中明显矛盾。

Claims (1)

1.一种三相电压源型PWM变流器的预测直接功率控制方法，三相电压源型PWM变流器包括检测电路、控制电路、驱动电路、直流侧电容，三相电压型PWM变流器的桥臂由两个IGBT串联组成，检测电路的输出端接入控制电路，控制电路的输出端接入驱动电路，驱动电路的六个输出端分别与三相电压型PWM变流器的六个开关器件的控制极相连，三相电压型PWM变流器的桥臂与直流侧电容并联，三相电压型PWM变流器通过输出电感和电阻连接电网，其特征在于，所述三相PWM变流器的预测直接功率控制方法包括以下步骤：

（a）、检测并采样三相电压源型PWM变流器与电网公共连接点处的系统相电压                                                、、，以及交流侧电流、、，利用CLARKE变换计算出系统电压的分量、和交流侧电流的分量、，同时检测采样直流侧电容电压；

（b）、直流侧电容电压给定值与直流侧电容电压的差值经PI控制器得到有功功率目标值，无功功率目标值根据系统所需直接给定；

（c）、根据瞬时无功功率理论，由系统电压的分量、和交流侧电流的分量、，计算出三相电压源型PWM变流器功率的实际输出值、；

（d）、根据三相电压源型PWM变流器坐标系下的离散功率方程，应用无差拍控制器和反馈补偿器得到三相PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、；

（e）、 将、按给定频率进行SVPWM调制，得到的脉冲序列信号用于控制三相电压源PWM变流器的开关器件，实现交直流侧功率传输的平衡，有功功率和无功功率实现了解耦控制，并且能快速响应功率的变化，并保证直流侧电容电压稳定在目标电压；

其中，步骤（c）所述三相电压源型PWM变流器功率的实际输出值、计算表达式为：

步骤（d）第k个开关周期时刻三相电压源型PWM变流器坐标系下的离散功率方程为：

其中，、为第k个开关周期时刻三相电压源型PWM变流器功率的实际输出值； 为采样周期；为变流器交流侧电感值大小；、为第k个开关周期时刻系统电压的分量；、为第k个开关周期时刻三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值；

步骤（d）第k个开关周期时刻坐标系下三相电压源型PWM变流器无差拍直接功率控制器表达式为：

其中，、为第k+1个开关周期时刻的预测给定值，控制器每个开关周期的控制都是跟踪当前周期结束或者下一个周期开始时的功率给定值；

第k+1个开关周期时刻的功率预测给定计算表达式为：

其中是加权修正系数，为第k个开关周期时刻的预测误差值，由第k个开关周期时刻的采样实际输出与第k-1个开关周期时的预测值所作的比较得出，计算表达式为：

由步骤（d）所得三相电压源型PWM变流器坐标系下的输出电压目标值、进行SVPWM调制，实现直接功率的定频控制。