CN107204630A - 兼具快速动态响应的海岛npc型电源高精度控制方法 - Google Patents

兼具快速动态响应的海岛npc型电源高精度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，通过负载电流的中高频分量前馈，有效提高了系统的动态响应速度，并降低冲击性负荷下电源输出电压的剧烈扰动，增强了海岛NPC型电源的抗扰性能；同时电压外环采用QPR+重复控制，实现了输出电压在基频和主要次谐波频率处的无静差控制，从而提高了海岛NPC型电源输出电压的控制精度;能够有效提高系统的动态响应性能及其输出电压的控制精度，增强了系统稳定性，解决了海岛国防设施和民用设备的可靠供电难题。

Description

兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法
技术领域
本发明涉及海岛特种负荷供电领域，特别是关于一种兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法。
背景技术
随着社会经济的发展，人类对电力的需求日益增大，电力应用的区域范围越来越扩大，随着供电用电环境和所带负荷均越来越复杂，对电能质量的挑战越来越大。其中，海岛自然环境特别恶劣，使得电源系统难以长时间高可靠运行，在70度以上的高温中更是故障频发，同时金属设施在“天然腐蚀箱”环境中受腐蚀严重。同时，海岛电源常工作于弱电网或独立供电模式下，极易影响电源的鲁棒性能与抗扰性能，并造成电源供电不可靠。另一方面，海岛冲击性负荷不仅会影响到电网环境的安全稳定，也会对相关电力设备产生影响。对于冲击性无功负荷引起的系统电压波动，一般采用在各车间设置静止型动态无功补偿装置(SVC装置)，但这种方法经济适用性不高并且不适用于环境多变的海岛；发生大扰动情况将会加重冲击性负荷对暂态稳定性的影响。在研究实例中，当该地区电网发生诸如机组跳机、线路断路等大扰动的情况下，可以通过迅速切除部分大容量冲击负荷的措施来维持系统的稳定，但对于用户来说，这种方法带来了极大的不便。如何增强系统的抗扰性、提升系统的动态响应性能以及提高系统的输出精度，成为近年来的研究热点。
发明内容
本发明旨在提供一种兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，提高系统的动态响应速度，并降低冲击性负荷下电源输出电压的剧烈扰动，增强海岛NPC型电源的抗扰性能；提高海岛NPC型电源输出电压的控制精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对海岛NPC型电源逆变器交流侧的滤波电容电压uo_abc、输出电流io_abc以及负载电流iLoad_abc分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器；
2)将采样得到的负载电流iLoad_abc的中高频分量前馈，得到前馈量Δu_abc；
3)将电压指令信号uref_abc与前馈量Δu_abc作差，得到实际电压参考值
4)将实际电压参考值与滤波电容电压uo_abc作差，得到电压误差量Δu1_abc；
5)将电压误差量Δu1_abc经重复控制得到电流量i1_abc；电压误差量Δu1_abc通过QPR控制后得到QPR控制电流参考值iref2_abc；
6)将步骤5)中的电流量i1_abc经补偿器Gs(s)补偿后得到重复控制电流参考值iref1_abc；
7)将重复控制电流参考值iref1_abc加上QPR控制电流参考值iref2_abc得到电流内环参考指令iref_abc，并与逆变器输出电流iL_abc相减得到电流误差量ΔiL_abc；
8)将电流误差量ΔiL_abc经PI调节后，得到PWM调制波信号ur_abc；
9)对ur_abc和三角载波进行载波层叠PWM调制，得到逆变开关管的占空比信号，经LCL型三相并网逆变器的驱动保护电路，控制逆变电路开关管的开通与关断。
所述电压指令信号uref_abc与电流内环参考指令iref_abc存在以下关系：
其中，ωc为谐振带宽；J为重复控制的内模系数；ω0为电网角频率；Kp为QPR控制的比例系数，Ki为QPR控制的积分系数，ω0为电网角频率。
步骤2)中，前馈的传递函数H1(s)为：其中，KLoad为负载电流前馈系数，s为拉普拉斯变换因子，ωd为截止频率。
步骤5)中，重复控制传递函数其中，J为重复控制的内模系数，ω0为电网角频率，Krc为重复控制的比例系数。
步骤6)中，补偿器Gs(s)表达式为：其中，Nc为超前的开关周期数；Ts为开关周期；GLPF(s)为低通滤波器的传递函数。
QPR控制的传递函数为：其中，Kp为QPR控制的比例系数，Ki为QPR控制的积分系数，ωc为谐振带宽，ω0为电网角频率。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过负载电流的中高频分量前馈，有效提高了系统的动态响应速度，降低了冲击性负荷下电源输出电压的剧烈扰动，增强了海岛NPC型电源的抗扰性能；同时电压外环采用QPR+重复控制，实现了输出电压在基频和主要次谐波频率处的无静差控制，从而提高了海岛NPC型电源输出电压的控制精度；本发明能够有效提高系统的动态响应性能及其输出电压的控制精度，增强了系统稳定性，解决了海岛国防设施和民用设备的可靠供电难题。
附图说明
图1为本发明一实施例兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制系统结构图；
图2为本发明一实施例兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法控制框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制系统结构图包括模块结构、控制系统两部分。所述模块结构为n(n＝1,2,3…)个海岛NPC型电源结构子模块并联于交流母线上。所述的子模块包括前级LCL滤波电路、前级全控整流电路、后级直流储能电容、后级多电平逆变电路、后级LC滤波电路。所述后级LC滤波器接入交流母线，通过交流母线与负载相连；所述后级多电平逆变电路采用单相二极管钳位型三电平逆变电路，与后级LC滤波器一同工作，既能避免复杂的电路结构带来的控制和稳定性问题，又可对高频谐波电流起到较大的衰减作用，其中，C1、C2为后级直流储能电容，钳位二极管D11、D12、D21、D22、D31、D32与功率管T11、T12、T13、T14、T21、T22、T23、T24、T31、T32、T33、T34构成二极管钳位型三电平逆变电路，电感La、Lb、Lc与电容Ca、Cb、Cc并联成后级LC滤波器，uo_abc为三相输出相电压，iL_abc为逆变侧输出相电流，N’为中性点，iLoad_abc为三相负载电流，ur_abc为PWM调制波信号，uref_abc为电压指令信号，iref_abc为电流内环参考指令。所述控制系统包括冲击性负载高频电流分量前馈、电压外环QPR+重复控制、电流内环PI控制、载波层叠PWM控制，得到逆变电路各开关管的触发脉冲，控制逆变电路开关管的开通与关断。
图2为控制框图，在每个采样周期的起始点，对三相输出相电压uo_abc、输出相电流io_abc以及三相负载电流iLoad_abc分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器进行处理；将采样得到的三相负载电流iLoad_abc的中高频分量引入前馈提高系统的动态响应速度,得到前馈量Δu_abc；其中前馈系数为:
其中，KLoad为负载电流前馈系数，s为拉普拉斯变化因子，ωd为截止频率；
将电压指令信号uref_abc与前馈量Δu_abc作差，得到实际电压参考值
电压外环控制器GQPR+RC(s)采用准比例谐振+重复控制来实现输出电压在基频和主要次谐波频率处的无静差控制，从而达到海岛NPC型电源输出电压的控制精度的目的。其在等效连续域的表达式为：
其中,Kp为比例系数，Ki为积分系数，ωc为谐振带宽，ω0为电网角频率，J为内模系数，Krc为比例系数，Gs(s)为补偿器传递函数：
其中，超前环节esNcTs用以实现对系统相位的补偿，保证控制系统在中低频段近似零相移；而GLPF(s)采用适当的低通滤波器实现控制高次谐振频率处的增益，进而改善控制系统的稳定裕度。
将式(1)进行适当数学变换，则有
由于存在等式变换：
那么，式(4)可展开为：
式中：ωc为谐振带宽，可减小公共母线的基波频率波动对重复控制增益的影响。其与重复控制的内模系数J存在以下数学关系：
考虑到公共母线基波频率的波动范围可被限定在±0.5Hz范围内，容易计算出J的取值为0.92。
经重复控制得到的重复控制电流参考值iref1_abc加上经QPR控制得到的QPR控制电流参考值iref2_abc，得到电流内环参考指令iref_abc，并与逆变器输出电流iL_abc相减得到电流误差量ΔiL_abc；ΔiL_abc经过PI调节后，得到移相PWM调制波信号ur_abc。

Claims (7)

1.一种兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，对海岛NPC型电源逆变器交流侧的滤波电容电压uo_abc、输出电流io_abc以及负载电流iLoad_abc分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器；
2)将采样得到的负载电流iLoad_abc的中高频分量前馈，得到前馈量Δu_abc；
3)将电压指令信号uref_abc与前馈量Δu_abc作差，得到实际电压参考值
4)将实际电压参考值与滤波电容电压uo_abc作差，得到电压误差量Δu1_abc；
5)将电压误差量Δu1_abc经重复控制得到电流量i1_abc；电压误差量Δu1_abc通过QPR控制后得到QPR控制电流参考值iref2_abc；
6)将步骤5)中的电流量i1_abc经补偿器Gs(s)补偿后得到重复控制电流参考值iref1_abc；
7)将重复控制电流参考值iref1_abc加上QPR控制电流参考值iref2_abc得到电流内环参考指令iref_abc，并与逆变器输出电流iL_abc相减得到电流误差量ΔiL_abc；
8)将电流误差量ΔiL_abc经PI调节后，得到PWM调制波信号ur_abc；
9)对ur_abc和三角载波进行载波层叠PWM调制，得到逆变开关管的占空比信号，经LCL型三相并网逆变器的驱动保护电路，控制逆变电路开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，所述电压指令信号uref_abc与电流内环参考指令iref_abc存在以下关系：
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其中，ωc为谐振带宽；J为重复控制的内模系数；Kp为QPR控制的比例系数，Ki为QPR控制的积分系数，ω0为电网角频率；Krc为重复控制的比例系数。
3.根据权利要求2所述的兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，J的取值为0.92。
4.根据权利要求1所述的兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，步骤2)中，前馈的传递函数H1(s)为：其中，KLoad为负载电流前馈系数，s为拉普拉斯变换因子，ωd为截止频率。
5.根据权利要求1所述的兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，步骤5)中，重复控制传递函数
6.根据权利要求1所述的兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，步骤6)中，补偿器Gs(s)表达式为：其中，Nc为超前的开关周期数；Ts为开关周期；GLPF(s)为低通滤波器的传递函数。
7.根据权利要求1所述的兼具快速动态响应的海岛NPC型电源高精度控制方法，其特征在于，QPR控制的传递函数为：
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