CN103414362B - 一种基于通用电压控制策略的可编程电压波形发生设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器，包括电容电流控制内环和相并联的两路电压控制通道，所述电压控制通道内设置有陷波滤波器和基于内模原理的电压控制器。本发明提供的基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器，与现有技术相比，属于一种通用的可编程电压波形发生设备，在不改变设备拓扑和控制策略情况下能够灵活应用于不同应用场合而，设计调试简单；该设备通过合理配置参考电压，可以方便地生成各种不对称的基波与谐波合成电压，在实际应用中可用于不间断电源、可编程电源、动态电压调节器和串联型有源滤波器；该设备输出电压具有高精度、高可靠性等优点，能够满足电压波形要求较高的场合。

Description

一种基于通用电压控制策略的可编程电压波形发生设备

技术领域

本发明涉及一种用于不间断电源、动态电压调节器以及串联型有源滤波器的可编程的电压波形发生设备，属于电力电子技术。

背景技术

目前电压源型逆变器在不间断电源、动态电压调节器、有源滤波器以及一些分布式发电系统中得到了广泛应用。在这些领域中，大部分的电压源型逆变器需要根据不同应用场合输出不同种类的电压波形。一般来说，在三相系统中常见的输出电压波形包括：1、对称的正弦基波电压；2、不对称的正弦基波电压；3、对称的基波与谐波合成电压；4、不对称的基波与谐波合成电压。其中，波形1常见于各类不间断电源、可编程电源领域，波形1、2常见于动态电压调节器和故障发生器领域，波形3、4常见于串联型有源滤波器领域。

虽然在不同应用场合下，所要求发生的电压波形不尽相同，但其硬件设备大都是基于电压源型逆变器及相应的滤波电路和储能装置，硬件拓扑上具有相似性。目前国内外绝大多数电压波形发生系统的控制策略都是针对不同的输出要求，进行设计调试，控制系统的差异性较大。因此，现有的电压波形发生设备输出电压波形较为单一，往往只能应用于特定场合；同时现有电压波形发生系统控制策略的设计较为繁琐，缺乏一种可生成各种电压波形的通用控制策略；此外现有电压波形发生系统输出电压的可靠性和精度仍有待提高，特别是对于谐波电压的精确追踪必须借助复杂的控制策略或者升高系统控制带宽来实现。

发明内容

发明目的：为了克服现有电压波形发生技术中存在的输出波形单一、控制策略实际复杂、输出可靠性及精度不高等问题，本发明提供一种可编程的电压波形发生设备，不仅可以根据实际需求输出高精度、高可靠性的电压波形，而且提出了广义的电压波形控制策略，能够灵活输出各种三相电压波形以满足各种应用场合。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器，包括电容电流控制内环和相并联的两路电压控制通道，所述电压控制通道内设置有陷波滤波器和基于内模原理的电压控制器；该电压波形控制器的输入信号经变换后分成两路电压分量分别进入相应的电压控制通道，在电压控制通道内首先通过陷波滤波器滤除不当电压分量在该电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节输出电压；两路电压控制通道的输出电压在两相静止坐标系下的输出信号输入至电容电流控制内环；基于电容电流控制内环的输出信号产生该电压波形控制器的输出信号。

一种具体的实现方案为：所述两路电压控制通道分别为正序电压控制通道和负序电压控制通道；

该电压波形控制器的输入信号首先通过派克变换策略得到电压的正序分量和负序分量，其中：正序分量输入正序电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在正序电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节正序输出电压；负序分量输入负序电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在负序电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节负序输出电压；

所述正序输出电压和负序输出电压分别与d轴或q轴的电容电流解耦、信号叠加后进行派克反变换，得到在两相静止坐标系下的输出信号并输入电容电流控制内环；电容电流控制内环的输出信号经过克拉克变换后作为该电压波形控制器的输出信号。

电压波形控制器的输入信号首先通过正/负派克变换得到相应的输出电压参考值和测量值，得到所包含的正/负序分量，实现正/负序分量的独立控制；同时输出电压中的奇波分量和偶次分量，并分别通过正/负派克变换解耦到正/负序电压控制通道。

另一种具体的实现方案为：所述两路电压控制通道分别为α坐标电压控制通道和β坐标电压控制通道；

该电压波形控制器的输入信号首先通过克拉克变换策略得到电压的α坐标分量和β坐标分量，其中：α坐标分量输入α坐标电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在α坐标电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节α坐标输出电压；β坐标分量输入β坐标电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在β坐标电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节β坐标输出电压；

在两相静止坐标系下，所述α坐标输出电压和β坐标输出电压输入电容电流控制内环；电容电流控制内环的输出信号进行克拉克反变换后作为该电压波形控制器的输出信号。

优选的，所述基于内模原理的电压控制器在不同参考坐标系下能够至少实现比例积分控制（PI）、比例谐振控制（PR）、多谐振控制（Multipleparalleledresonantcontrol，MRC）和重复控制（Repetitivecontrol，RC）。所述基于内模原理的电压控制器通过所需跟踪参考电压的类型，可以采用比例积分控制、比例谐振控制、多谐振控制和重复控制，以实现对不同类型参考电压信号的无静差追踪。两路电压控制通道中使用的基于内模原理的电压控制器能够实现的控制可以相同也可以不相同。

有益效果：本发明提供的基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器，与现有技术相比，属于一种通用的可编程电压波形发生设备，在不改变设备拓扑和控制策略情况下能够灵活应用于不同应用场合，设计调试简单；该设备通过合理配置参考电压，可以方便地生成各种不对称的基波与谐波合成电压，在实际应用中可用于不间断电源、可编程电源、动态电压调节器和串联型有源滤波器；该设备输出电压具有高精度、高可靠性等优点，能够满足电压波形要求较高的场合；可以通过隔离变压器接入不同的工作环境（如电网、负载等），实现了多种供电放肆，保证了设备在应用上的灵活性。

附图说明

图1为本发明的一种应用结构框图；

图2为本发明相应的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器的工作应用，包括储能元件1、对直流母线进行稳压用的直流电容2、电压源型逆变器3、LC型滤波电路4和隔离变压器5；所述储能元件1和直流电容2并联后接入电压源型逆变器3的直流侧，所述电压源型逆变器3的交流侧与LC型滤波电路4的输入端相接，所述LC型滤波电路4的输出端与隔离变压器5相接。

储能元件1与直流电容2并联后与电压源型逆变器3的直流侧相连接，可减少电压源型逆变器的直流侧的电源文波，稳定直流母线电压。电压源型逆变器3在逆变模式下用于将直流母线的能量转换为三相交流电输出，在整流模式下，将交流侧的能量转换为直流电输入储能元件1实现能量贮存。电压源型逆变器3的交流侧与LC型滤波电路4的电感输入侧相连接，将电压源型逆变器3交流侧输出电压中的高次谐波有效滤除。LC型滤波电路4的输出侧与隔离变压器5的输入侧相连接。隔离变压器5的输出侧与相应的电网或者负载相连接。所述储能元件1为蓄电池或超级电容。

所述隔离变压器与电网或负载连接，起到电气隔离的作用，能够减少电网/负载波动对设备的影响，保证控制系统的稳定性和设备的可靠性。

所述电压源型逆变器通过PWM开关信号调制产生所需的输出电压波形，所述PWM开关信号通过本发明提供的电压波形控制器产生的调制波与载波信号的比较得到。所述载波信号为三角波信号。要求电压波形控制器的输出波形可以精确追踪各种电压参考波形，比如合成的谐波电压、三相对称电压等。所述电压波形控制器由两种实现方式，下面分别加以说明。

第一种实现方式如图2所示，所述电压波形控制器包括电容电流控制内环和相并联的两路电压控制通道，所述电压控制通道内设置有陷波滤波器和基于内模原理的电压控制器；所述两路电压控制通道分别为正序电压控制通道和负序电压控制通道；

所述电压源型逆变器的输出信号（即电压波形控制器的输入信号）首先通过派克变换策略得到电压的正序分量和负序分量，其中：正序分量输入正序电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在正序电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节设备的正序输出电压，保证其无静差追踪；负序分量输入负序电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在负序电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节设备的负序输出电压，保证其无静差追踪；

设备的正序输出电压和设备的负序输出电压分别与d轴或q轴的电容电流解耦、信号叠加后进行派克反变换，得到在两相静止坐标系下的输出信号并输入电容电流控制内环；电容电流控制内环的输出信号经过克拉克变换后作为电压波形控制器产生的调制波。

在不间断电源、可编程电源、动态电压调节器和故障发生器应用中，参考电压信号一般为直流分量，基于内模原理的电压控制器9控制电压源型逆变器3的输出，使储能元件1的电能变换成三相交流电向负载侧传输。其中，正序分量和负序分量由正序电压通道6和负序电压控制通道7上的基于内模原理的电压控制器9分开调节，实现正、负序电压的解耦。在串联型有源滤波器应用中，储能元件1可以不参与工作，参考电压信号一般为各次谐波分量，基于内模原理的电压控制器9控制电压源型逆变器3的输出，实现直流电容2和电网之间的无功功率、畸变功率的交换。其中奇次谐波由正序电压通道6上的基于内模原理的电压控制器9进行调节，偶次谐波由负序电压控制通道7上的基于内模原理的电压控制器9进行调节。

第二种实现方式为：所述电压波形控制器包括电容电流控制内环和相并联的两路电压控制通道，所述电压控制通道内设置有陷波滤波器和基于内模原理的电压控制器；所述两路电压控制通道分别为α坐标电压控制通道和β坐标电压控制通道；

所述电压源型逆变器的输出信号首先通过克拉克变换策略得到电压的α坐标分量和β坐标分量，其中：α坐标分量输入α坐标电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在α坐标电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节设备的α坐标输出电压，保证其无静差追踪；β坐标分量输入β坐标电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在β坐标电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节设备的β坐标输出电压，保证其无静差追踪；

在两相静止坐标系下，所述α坐标输出电压和β坐标输出电压输入电容电流控制内环；电容电流控制内环的输出信号进行克拉克反变换后作为该电压波形控制器的输出信号。

上述两种实现方式中，所述陷波滤波器均用于滤除电压控制通道上的特定次谐波，所述基于内模原理的电压控制器均用于追踪电压控制通道上的参考电压波形，所述电容电流控制内环均用于抑制LC型滤波电路产生的谐振。

在不间断电源、可编程电源、动态电压调节器和故障发生器应用中，参考电压信号一般为正弦基波分量，基于内模原理的电压控制器9控制电压源型逆变器3的输出，使储能元件1的电能变换成三相交流电向负载侧传输。其中，α坐标分量和β坐标分量由α坐标电压通道和β坐标电压控制通道上的基于内模原理的电压控制器9分开调节，实现α坐标、β坐标电压的解耦。在串联型有源滤波器应用中，储能元件1可以不参与工作，参考电压信号一般为各次谐波分量，基于内模原理的电压控制器9控制电压源型逆变器3的输出，实现直流电容2和电网之间的无功功率、畸变功率的交换。其中，α坐标分量和β坐标分量由α坐标电压通道和β坐标电压控制通道上的基于内模原理的电压控制器9分开调节，实现α坐标、β坐标电压的解耦。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器，其特征在于：包括电容电流控制内环和相并联的两路电压控制通道，所述电压控制通道内设置有陷波滤波器和基于内模原理的电压控制器；该电压波形控制器的输入信号经变换后分成两路电压分量分别进入相应的电压控制通道，在电压控制通道内首先通过陷波滤波器滤除不当电压分量在该电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节输出电压；两路电压控制通道的输出电压在两相静止坐标系下的输出信号输入至电容电流控制内环；基于电容电流控制内环的输出信号产生该电压波形控制器的输出信号；

所述两路电压控制通道分别为正序电压控制通道和负序电压控制通道；

该电压波形控制器的输入信号首先通过派克变换策略得到电压的正序分量和负序分量，其中：正序分量输入正序电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在正序电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节正序输出电压；负序分量输入负序电压控制通道，通过陷波滤波器滤除不当电压分量在负序电压控制通道上的投影后，再与参考电压信号比较后输入基于内模原理的电压控制器，调节负序输出电压；

所述正序输出电压和负序输出电压分别与d轴或q轴的电容电流解耦、信号叠加后进行派克反变换，得到在两相静止坐标系下的输出信号并输入电容电流控制内环；电容电流控制内环的输出信号经过克拉克变换后作为该电压波形控制器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于通用电压控制策略的可编程电压波形控制器，其特征在于：所述基于内模原理的电压控制器在不同参考坐标系下能够至少实现比例积分控制、比例谐振控制、多谐振控制和重复控制中的一种。