CN104716817B - 一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统及方法 - Google Patents

一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制方法(3)，该控制方法由比例控制模块K、减法模块、虚拟电阻R、高通滤波模块G(s)串联组成，对电网电流Is1和电抗器电流ILi进行控制，得到有源阻尼控制量Uci2。Uci2与主控制器(1)产生的调制波相加得到新的调制波指令Uri2。本发明公开的有源阻尼控制方法额外无需增加电流或电压传感器，采用简单的控制算法就可以有效的抑制LCL滤波引入的谐振问题。

Description

一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统及方法
技术领域
本发明属于电力电子变流技术应用领域，特别涉及基于多绕组变压器的LCL变流器的有源阻尼控制系统及方法。
背景技术
与单电感滤波器相比，LCL滤波器体积小、成本低、滤波效果好，因此在PWM变流器中获得了广泛的应用。但是LCL滤波器是个三阶系统，存在一个谐振点，如果没有采取有效的处理措施，该谐振点会导致输出电流中含有谐振点附近频率的纹波电流，情况严重的会导致控制系统不稳定。
目前抑制该谐振点的方法有两个：有源阻尼和无源阻尼。
无源阻尼就是在滤波电容支路串联一个电阻。该控制方法较为简单，但是会增大系统的损耗，降低系统效率，提高一次系统的复杂性。
有源阻尼就是通过测量滤波电容支路电流、电网电流或通过状态监测等方式，在控制回路中增加一个虚拟电阻来抑制控制回路的谐振量。这些控制策略都是基于单个LCL变流器的，增加了传感器的数量或者提高了控制系统的复杂性。目前还没有简单有效的，不用额外增加传感器的基于多绕组变压器变流器的有源阻尼控制策略。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种应用于多绕组变压器LCL滤波变流器的有源阻尼控制系统及方法，不需要增加实际的阻尼电阻或额外的传感器，能有效的抑制LCL滤波器引入的谐振，使变流器的效率和成本都得到改善。
为了达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统，其特征在于，包括：主控制器(1)，调制器(2)，有源阻尼控制器(3)；
主控制器(1)，用于根据控制指令Ord产生调制波Uri1，作为有源阻尼控制器(3)输入之一；其中所述调制波Uri1的表达式为Uri1＝[Uri1a,Uri1b,Uri1c]T，Uri1a为A相调制波、Uri1b为B相调制波、Uri1c为C相调制波；
有源阻尼控制器(3)，由比例控制模块K、减法模块、虚拟电阻R、高通滤波模块G(s)依次串联组成，对电网电流信号Is1和电抗器电流信号ILi进行控制，得到有源阻尼控制量Uci2,具体计算公式为：
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
其中，电网电流Is1的表达式为Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；Isa为电网A相电流、Isb为电网B相电流、Isc为电网C相电流；电抗器电流ILi的表达式为ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILia表示第i个模块的A相电抗电流、ILib表示第i个模块的B相电抗电流、ILic表示第i个模块的C相电抗电流；Ki为比例控制模块的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波器传递函数；有源阻尼控制量Uci2的表达式为Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T,Uci2a为A相有源阻尼控制量、Uci2b为B相有源阻尼控制量、Uci2c为C相有源阻尼控制量；
调制波Uri1和有源阻尼控制量Uci2经过加法器后，输出调制波Uri2，具体计算公式为：
Uri2＝Uri1+Uci2
调制器(2)，用于将调制波Uri2转变成PWM脉冲信号；所述调制波Uri2的表达式为Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T,Uri2a为经过有源阻尼修正后的A相调制波信号、Uri2b为经过有源阻尼修正后的B相调制波信号、Uri2C为经过有源阻尼修正后的C相调制波信号。
上述方案中，所述比例控制模块Ki的大小由变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：
Ki＝K/N。
本发明还提供一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制方法，其特征在于，包括步骤：(1)根据控制指令Ord产生调制波Uri1；(2)电网电流信号Is1经过比例控制模块K后和电抗器电流信号ILi做减法运算，得到的信号再经过虚拟电阻R、高通滤波模块G(s)串联组成的控制模块，得到有源阻尼控制量Uci2:
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
其中，电网电流Is1的表达式为Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；Isa为电网A相电流、Isb为电网B相电流、Isc为电网C相电流；电抗器电流ILi的表达式为ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILia表示第i个模块的A相电抗电流、ILib表示第i个模块的B相电抗电流、ILic表示第i个模块的C相电抗电流；Ki为比例控制模块的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波器传递函数；有源阻尼控制量Uci2的表达式为Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T；Uci2a为A相有源阻尼控制量、Uci2b为B相有源阻尼控制量、Uci2c为C相有源阻尼控制量；
(3)调制波Uri1和有源阻尼控制量Uci2相加得到调制波Uri2；其中Uri2的表达式为Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T；Uri2a为经过有源阻尼修正后的A相调制波信号、Uri2b为经过有源阻尼修正后的B相调制波信号、Uri2C为经过有源阻尼修正后的C相调制波信号；
(4)用调制器将调制波Uri2转变成PWM脉冲信号。
上诉方案中，所述比例控制模块Ki的大小由变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：
Ki＝K/N。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
1)基于多绕组变压器的变流器，采用LC或LCL滤波器可以有效减小滤波器的体积，提高装置的功率密度。本发明采用网侧电流Is1和模块电抗器电流ILi进行有源阻尼控制，网侧电流Is1和模块电抗器电流ILi需要采样参与主控制器(1)的控制和保护，因此本发明所述的有源阻尼控制策略不需要额外增加传感器或电阻，就可以有效的抑制LCL滤波器引入的谐振。
2)网侧电流Is1包含有励磁涌流，不同模块模块电抗器电流ILi有一定偏差，本发明所述有源阻尼控制策略的高通滤波器G(s)可以滤除电流的低频分量，保留谐振频率的分量。不同模块存在一定的不均流，但是其高频分量差别不大。本发明所述的有源阻尼控制策略通过高通滤波器可以有效的滤除低频分量，保留抑制谐振有用的高频分量，减小低频分量对主控制器(1)的扰动。
3)本发明所述的有源阻尼控制策略，通过虚拟电阻R来衰减谐振电流，滤波电容支路无需阻尼电阻。因此降低了系统的损耗，提高了系统的效率。
附图说明
图1是本发明一种基于多绕组变压器变流器有源阻尼控制方法的基本原理框图。
图2是本发明所述的一种基于多绕组变压器的变流器。
图3是本发明一种基于多绕组变压器变流器有源阻尼控制系统的一种具体实施方式。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，一种应用于直流输电的基于多绕组变压器变流器，交流接口(4)与交流电网相连，直流接口(5)与直流电网相连，功率模块(6)与多绕组的副边绕组相连。功率模块采用LC滤波器，由于多绕组变压器有一定的漏抗，因此本质上是一个LCL滤波器。
如图1所示，一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统，其特征在于，包括：主控制器(1)，调制器(2)，有源阻尼控制器(3)；
主控制器(1)，用于根据控制指令Ord产生调制波Uri1，作为有源阻尼控制器(3)输入之一；其中所述调制波Uri1的表达式为Uri1＝[Uri1a,Uri1b,Uri1c]T；
有源阻尼控制器(3)，由比例控制模块K、减法模块、虚拟电阻R、高通滤波模块G(s)依次串联组成，对电网电流信号Is1和电抗器电流信号Ili进行控制，得到有源阻尼控制量Uci2,具体计算公式为：
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
其中，电网电流Is1的表达式为Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；电抗器电流Ili的表达式为ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILi表示第i个模块的电抗电流；Ki为比例控制模块的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波器传递函数；有源阻尼控制量Uci2的表达式为Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T；
调制波Uri1和有源阻尼控制量Uci2经过加法器后，输出调制波Uri2，具体计算公式为：
Uri2＝Uri1+Uci2
调制器(2)，用于将调制波Uri2转变成PWM脉冲信号；所述调制波Uri2的表达式为Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T。
所述比例控制模块Ki的大小由变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：Ki＝K/N。
一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制方法，其特征在于，包括步骤：(1)根据控制指令Ord产生调制波Uri1；(2)电网电流信号Is1经过比例控制模块K后和电抗器电流信号Ili做减法运算，得到的信号再经过虚拟电阻R、高通滤波模块G(s)串联组成的控制模块，得到有源阻尼控制量Uci2:
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
其中，电网电流Is1的表达式为Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；电抗器电流Ili的表达式为ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILi表示第i个模块的电抗电流；Ki为比例控制模块的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波器传递函数；有源阻尼控制量Uci2的表达式为Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T；
(3)调制波Uri1和有源阻尼控制量Uci2相加得到调制波Uri2；其中Uri2的表达式为Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T；
(4)用调制器将调制波Uri2转变成PWM脉冲信号。
所述比例控制模块Ki的大小由变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：
Ki＝K/N。
图3是根据本发明一种基于多绕组变压器的换流器有源阻尼控制系统的一个具体实施方式。主控制器(1)根据给定的指令直流电压Udc_ref、有功电流指令ILd_ref、无功电流指令ILq_ref，采样电网电压Us1、功率模块(6)电抗器电流ILi(i＝1,2)、功率模块(6)电容电压Udci(i＝1,2)，通过锁相环PLL模块、abc/dq0变换模块、比例积分模块PI1、比例积分模块PI2、电流解耦控制前馈系数ωL、dq0/abc变换模块，产生功率模块(6)的调制波Uri1(i＝1,2)。有源阻尼控制器(3)，由比例控制模块K、减法模块、虚拟电阻R、高通滤波模块G(s)串联组成，对电网电流Is1和电抗器电流ILi进行控制，得到有源阻尼控制量Uci2:
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
Uri2＝Uri1+Uci2
其中，电网电流Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；电抗器电流ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILi表示第i个模块的电抗电流，i＝1、2；K为比例控制模块的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波器传递函数；调制波Uri1＝[Uri1a,Uri1b,Uri1c]T，Uri1表示主控制器(1)产生的第i个模块调制波，i＝1、2；调制波Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T，Uri2表示有源阻尼控制器(3)修正后的第i个模块调制波，i＝1、2；有源阻尼控制量Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T，Uci2表示有源阻尼控制器(3)产生的第i个模块调制波修正值，i＝1、2；
网侧电流Is1包含有励磁涌流，不同模块模块电抗器电流ILi有一定偏差，本发明所述有源阻尼控制方法采用高通滤波器G(s)滤除电流的低频分量，减小低频分量对主控制器(1)的扰动。高通滤波器G(s)可以采用一阶滤波器或二阶滤波器，滤波器的截止频率一般在250Hz左右。如果截止频率太低，则对低频的滤波效果太差；如果截止频率太高，则会导致高频分量的相位滞后，进而导致抑制谐振的效果变差。通过高通滤波器G(s)滤除低频分量之后，各个模块的高频分量基本相当，为了简化控制算法，所有模块采用相同的比例控制模块Ki。比例控制模块Ki的大小变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：Ki＝K/N。比例控制模块Ki的大小变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式为：Ki＝K/N。虚拟电阻R由滤波器LC和多绕组变压器的漏抗共同决定的，一般取值范围在0.05到2之间。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所体检的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统，其特征在于，包括：主控制器(1)，调制器(2)，有源阻尼控制器(3)；
主控制器(1)，用于根据控制指令Ord产生调制波Uri1，作为有源阻尼控制器(3)输入之一；其中所述调制波Uri1的表达式为Uri1＝[Uri1a,Uri1b,Uri1c]T，Uri1a为A相调制波、Uri1b为B相调制波、Uri1c为C相调制波；
有源阻尼控制器(3)，由比例控制模块K、减法模块、虚拟电阻R、高通滤波模块依次串联组成，对电网电流信号Is1和电抗器电流信号ILi进行控制，得到有源阻尼控制量Uci2,具体计算公式为：
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
其中，电网电流信号Is1的表达式为Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；Isa为电网A相电流、Isb为电网B相电流、Isc为电网C相电流；电抗器电流信号ILi的表达式为ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILia表示第i个模块的A相电抗电流、ILib表示第i个模块的B相电抗电流、ILic表示第i个模块的C相电抗电流；Ki为比例控制模块K的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波模块的传递函数；有源阻尼控制量Uci2的表达式为Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T,Uci2a为A相有源阻尼控制量、Uci2b为B相有源阻尼控制量、Uci2c为C相有源阻尼控制量；
调制波Uri1和有源阻尼控制量Uci2经过加法器后，输出调制波Uri2，具体计算公式为：
Uri2＝Uri1+Uci2
调制器(2)，用于将调制波Uri2转变成PWM脉冲信号；所述调制波Uri2的表达式为Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T,Uri2a为经过有源阻尼修正后的A相调制波信号、Uri2b为经过有源阻尼修正后的B相调制波信号、Uri2C为经过有源阻尼修正后的C相调制波信号。
2.如权利要求1所述的一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制系统，其特征在于，所述比例控制模块K的系数Ki的大小由变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：
Ki＝K/N。
3.一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制方法，其特征在于，包括步骤：(1)根据控制指令Ord产生调制波Uri1；(2)电网电流信号Is1经过比例控制模块K后和电抗器电流信号ILi做减法运算，得到的信号再经过虚拟电阻R、高通滤波模块串联组成的控制模块，得到有源阻尼控制量Uci2:
Uci2＝(Is1*Ki-ILi)*R*G(s)
其中，电网电流信号Is1的表达式为Is1＝[Isa,Isb,Isc]T；Isa为电网A相电流、Isb为电网B相电流、Isc为电网C相电流；电抗器电流信号ILi的表达式为ILi＝[ILia,ILib,ILic]T,ILia表示第i个模块的A相电抗电流、ILib表示第i个模块的B相电抗电流、ILic表示第i个模块的C相电抗电流；Ki为比例控制模块K的系数；R为虚拟电阻；G(s)为高通滤波模块的传递函数；有源阻尼控制量Uci2的表达式为Uci2＝[Uci2a,Uci2b,Uci2c]T；Uci2a为A相有源阻尼控制量、Uci2b为B相有源阻尼控制量、Uci2c为C相有源阻尼控制量；
(3)调制波Uri1和有源阻尼控制量Uci2相加得到调制波Uri2；其中Uri2的表达式为Uri2＝[Uri2a,Uri2b,Uri2c]T；Uri2a为经过有源阻尼修正后的A相调制波信号、Uri2b为经过有源阻尼修正后的B相调制波信号、Uri2C为经过有源阻尼修正后的C相调制波信号；
(4)用调制器将调制波Uri2转变成PWM脉冲信号。
4.如权利要求3所述的一种基于多绕组变压器的变流器有源阻尼控制方法，其特征在于，所述比例控制模块K的系数Ki的大小由变压器变比K和功率模块数N共同决定，其公式如下：
Ki＝K/N。
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