CN107959427A - 一种lcl滤相电压型pwm整流器的电流内环解耦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，在整流过程中通过线性扩张状态观测器对PWM整流器电流内环中蕴含的大量扰动进行观测，线性扩张状态观测器由内环PI输出Ud（q）及网侧电流经3s/2r变换后的Id（q）可以计算得出估计的扰动值，将此扰动值带入控制量Ud之中可以起到解耦的作用，从而使得电流内环仅使用PI控制就能取得理想的效果。与常规的前馈解耦等方法对比，不仅节约了传感器的成本，且能起到更好的解耦效果。

Description

一种LCL滤相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法
技术领域
本发明涉及一种解耦方法，具体是一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，属于LCL滤波三相电压型PWM整流器控制方法领域。
背景技术
相对于单 L 滤波器，LCL 滤波器能够更加有效地降低网侧电流中的高频谐波。主要体现在，达到相同的滤波效果，LCL 滤波器可以选取更小的电感，并且系统具有更加优良的动态性能。与普通的单 L 滤波器相比较，LCL 滤波器中电容支路的增加为PWM 整流器网侧电流中的高频谐波提供了通路，因此能够更好的衰减高频的谐波，然而滤波器的节数的增加也给系统的控制带来了困难。
由于LCL 滤波器在 dq 坐标系下的模型复杂，耦合严重。现有的控制方法一般是dq坐标系下直接PI控制，前馈解耦控制，坐标系下PR控制等，这些控制方法不能很好的解决耦合问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，实现了内环系统解耦，提高内环控制系统的动态性能，降低网侧电流谐波率。
为了实现上述目的，本发明基于的PWM整流器系统由三相交流电源、网侧电流传感器、直流电压传感器、网侧电感、网侧电容、交流侧电感、PWM整流桥、带线性扩张状态观测器的控制器、IGBT触发信号以及三相电源开关组成，
其特征在于，具体的方法步骤如下：
（1）将电流内环PI信号输出以及电流输出信号经坐标变换得到的作为扩张状态控制器输入，通过线性扩张状态观测器，得到扰动的估计值；
（3）控制信号与扰动的估计值之差为最终的控制信号，实现解耦目的。
进一步，步骤（1）和（2）中所采取的具体计算方式如下：
1）先根据基尔霍 k=a,b,c
式中为k相交流侧电流，为k相网侧电流，为k相交流侧电压，为k相LCL滤波器电容电压，为k相电网电压，为LCL交流侧电感，为LCL网侧电感，为LCL电容；
2）通过3s/2r变换可以得到dq坐标系下系统的简化模型
3）由上式可以得到状态方程：
其中为电流内环总扰动，为。
4）根据状态方程，得到线性扩张状态观测器的状态方程：
其中为估计值。
5）通过合理的设计线性扩张状态观测器的参数，使线性扩张状态观测器带宽大于开关频率，并且采样频率足够的情况下，能得到，根据，得到扰动值与相减，解耦完成。
进一步，PWM整流器系统中，网侧电流传感器一端通过三相电源开关与三相交流电源连接，另一端通过LCL4&5&6与PWM整流桥相连接，直流电压传感器并联在PWM整流桥上的直流侧电容两端，网侧电流传感器，直流电压传感器的输出信号经带线性扩张状态观测器的控制器输出IGBT触发信号。
对比现有技术，本发明利用线性扩张状态观测器对耦合严重的LCL滤波三相电压型PWM整流器电流内环扰动进行估计，通过对线性扩张状态观测器的合理设计，可以很大程度上对原系统进行解耦，提高控制系统的动态性能；与常规的前馈解耦等方法对比，不仅节约了传感器的成本，且能起到更好的解耦效果。并在实现了内环系统解耦，提高了内环控制系统的动态性能的同时，降低了网侧电流谐波率。
附图说明
图1为带扩张状态观测器LCL滤波三相电压型PWM整流器电流内环控制框图；
图2为LCL滤波三相电压型PWM整流器系统框图。
图中：1、三相交流电源，2、网侧电流传感器，3、直流电压传感器，4、网侧电感，5、网侧电容，6、交流侧电感，7、PWM整流桥，8、带线性扩张状态观测器的控制器，9、IGBT触发信号，10、三相电源开关，11、2r/3s变换，12、SPWM调制。
具体实施方式
下面附图对本发明做进一步的改进。
如图1和图2所示，一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，该方法所基于的PWM整流器系统由三相交流电源1、网侧电流传感器2、直流电压传感器3、网侧电感4、网侧电容5、交流侧电感6、PWM整流桥7、带线性扩张状态观测器的控制器8、IGBT触发信号9以及三相电源开关10组成，网侧电流传感器2一端通过三相电源开关10与三相交流电源1连接，另一端通过LCL4&5&6与PWM整流桥7相连接。直流电压传感器3并联在PWM整流桥7上的直流侧电容两端，网侧电流传感器2，直流电压传感器3的输出信号经带线性扩张状态观测器的控制器8输出IGBT触发信号9，具体的方法步骤如下：
（1）将电流内环PI信号输出以及电流输出信号经坐标变换得到的作为扩张状态控制器（8）输入，通过线性扩张状态观测器，得到扰动的估计值；
（2）控制信号与扰动的估计值之差为最终的控制信号，实现解耦目的。
作为本发明进一步的改进,引步骤（1）和（2）中所采取的具体计算方式如下：
1）先根据基尔霍 k=a,b,c
式中为k相交流侧电流，为k相网侧电流，为k相交流侧电压，为k相LCL滤波器电容电压，为k相电网电压，为LCL交流侧电感，为LCL网侧电感，为LCL电容；
2）通过3s/2r变换可以得到dq坐标系下系统的简化模型
3）由上式可以得到状态方程：
其中为电流内环总扰动，为。
4）根据状态方程，得到线性扩张状态观测器的状态方程：
其中为估计值。
通过合理的设计线性扩张状态观测器的参数，使线性扩张状态观测器带宽大于开关频率，并且采样频率足够的情况下，能得到，根据，得到扰动值与相减，解耦完成。
在上述公式的基础上，dq坐标系下电流内环若想使用PI控制需要进行解耦。以d轴分量为例，可以得到状态方程：
其中
为三相电网电压理想且无外部扰动时的电流内环总扰动，为。计算可以得出：
其中
从式（4）、（5）可以看出，电流内环耦合中除了电网电压相关项，还包括交流侧侧电流相关项，滤波电容电压相关项等，成分复杂，突出了内环解耦的重要性。
根据式（4）可以得到扩张状态观测器的状态方程：
其中为估计值，，为可调参数，为实际值。文献[17]通过频域分析给出了高频时线性扩张状态观测器比非线性扩张状态观测器（NESO）性能更高的结论，因此综合考虑，本文选用LESO对扰动进行观测。
当非线性函数时，系统（6）简化为线性扩张状态观测器（7）：
可调参数采用基于带宽的配置方法，则应满足以下条件：
自此带宽成为LESO唯一的调节参数，选取合适的LESO带宽，可以确定LESO的具体状态方程。
根据自抗扰控制原理，线性扩张状态观测器将外界扰动和系统内部扰动归算为总扰动并给出相应的动态补偿，因此系统鲁棒性更强，具有抑制扰动的能力。

Claims (3)

1.一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，该方法所基于的PWM整流器系统由三相交流电源（1）、网侧电流传感器（2）、直流电压传感器（3）、网侧电感（4）、网侧电容（5）、交流侧电感（6）、PWM整流桥（7）、带线性扩张状态观测器的控制器（8）、IGBT触发信号（9）以及三相电源开关（10）组成，
其特征在于，具体的方法步骤如下：
（1）将电流内环PI信号输出以及电流输出信号经坐标变换得到的作为扩张状态控制器（8）输入，通过线性扩张状态观测器，得到扰动的估计值；
（2）控制信号与扰动的估计值之差为最终的控制信号，实现解耦目的。
2.根据权利要求1所述的一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，其特征在于，所述的步骤（1）和（2）中所采取的具体计算方式如下：
1）先根据基尔霍 k=a,b,c
式中为k相交流侧电流，为k相网侧电流，为k相交流侧电压，为k相LCL滤波器电容电压，为k相电网电压，为LCL交流侧电感，为LCL网侧电感，为LCL电容；
2）通过3s/2r变换可以得到dq坐标系下系统的简化模型
过3s/2r变换可以得到dq坐标系下系统的简化模型
3）由上式可以得到状态方程：
其中为电流内环总扰动，为。
4）根据状态方程，得到线性扩张状态观测器的状态方程：
其中为估计值。
5）通过合理的设计线性扩张状态观测器的参数，使线性扩张状态观测器带宽大于开关频率，并且采样频率足够的情况下，能得到，根据，得到扰动值与相减，解耦完成。
3.根据权利要求1所述的一种LCL滤波三相电压型PWM整流器的电流内环解耦方法，其特征在于，所述的PWM整流器系统中，网侧电流传感器（2）一端通过三相电源开关（10）与三相交流电源（1）连接，另一端通过LCL4&5&6与PWM整流桥（7）相连接，直流电压传感器（3）并联在PWM整流桥（7）上的直流侧电容两端，网侧电流传感器（2），直流电压传感器（3）的输出信号经带线性扩张状态观测器的控制器（8）输出IGBT触发信号（9）。
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