CN108054776A - 一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法 - Google Patents
一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法，通过对单相变流器并网控制的数学模型进行简化后，设计比例微分（PI）控制器实现有功无功交叉控制；然后利用单相锁相环（PLL）对电源电压的相位及幅值进行跟踪锁定，得到与电源电压同频率的角频率ωt及正余弦信号sinωt和cosωt，将电流的有功分量和无功分量通过截止频率为ω/2π的低通滤波器（LPF），分别得到Id和Iq；最后将有功瞬时交流电压和无功瞬时交流电压之和作为调制波，选择适当的调制方式，得到控制变换器开关管通断的开关信号。本发明的控制方法简化了控制器结构，提高系统稳定性和动态响应。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，单相并网变流器在各种场合得到了广泛的应用。目前对于单相并网变换器控制策略研究较多的是瞬态电流直接控制，其优点是控制简单并且易于实现，具有良好的动态响应。但是不能实现网侧功率因数的控制，也不能向网侧提供无功功率，不适用于单相PWM并网变换器。而传统的dq解耦控制能较好地实现单相PWM变换器并网运行时的功率因数控制及无功功率控制，但是其控制算法中包含了微分算子，并且控制结构较为复杂，计算量大，因此实现起来较为复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够简化控制器结构，提高系统的稳定性能和动态响应的基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法。技术方案如下：
一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法，包括如下步骤：
步骤1：建立单相变流器并网控制的数学模型：
定义单相交流电压及电流为：
则单相变流器并网控制的数学模型为：
式中Us为交流电压源的最大值；Ud和Uq分别为交流端口电压Uab在d轴和q轴上直流分量的幅值；Id和Iq分别为交流电流Is在d轴和q轴上直流分量的幅值；ω为交流电压的角频率；L为交流侧连接电感；R为交流侧电阻；p为微分算子；
步骤2：简化单相变流器并网控制数学模型：
将常值Us等效为比例微分控制器的一个初始值，通过调节比例微分控制器来达到(R-Lp)Id和(R-Lp)Iq分量的效果，则单相变流器并网控制数学模型简化为：
步骤3：检测有功电流：
设is(t)＝Is sinωt＝Id sinωt+Iq cosωt，则电流的有功分量为：
将有功电流转化成直流分量及2倍角频率的交流分量，再经过低通滤波器滤波，得到只含直流分量的有功电流；
步骤4：检测无功电流：
电流的无功分量为：
将无功电流转化成直流分量及2倍角频率的交流分量，再经过低通滤波器滤波，得到只含直流分量的无功电流；
步骤5：获取控制变换器开关管通断的开关信号：
将有功瞬时交流电压和无功瞬时交流电压之和作为最终的调制波，通过调制得到控制变换器开关管通断的开关信号。
进一步的，求取所述Id和Iq的方法为：利用单相锁相环对电源电压的相位及幅值进行跟踪锁定，得到与电源电压同频率的ωt及正余弦信号sinωt和cosωt；将电流的有功分量和无功分量通过截止频率为的低通滤波器，再将低通滤波器的输出乘以2，即得到Id和Iq。
本发明的的有益效果是：本发明消除了传统dq解耦控制算法中含有的微分算子p，提高了系统的稳定性能；通过设计比例微分(PI)控制器简化了控制器结构，具有较高的响应速度；实现交流侧的功率因数控制的同时，还能向网侧提供感性或者容性无功功率。
附图说明
图1为本发明的模块化多电平变换器(MMC)结构示意图。
图2为本发明的dq有功无功交叉解耦控制的示意图。
图3为本发明的RL串联电路仿真电路图。
图4a)为本发明的MMC变换器对RL电路进行无功补偿的仿真波形图。
图4b)为本发明的MMC变换器对RC电路进行无功补偿的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例以模块化多电平变换器(MMC)为例进行分析，通过对单相变流器并网控制的数学模型进行简化后，设计比例微分(PI)控制器实现有功无功交叉控制；然后利用单相锁相环(PLL)对电源电压的相位及幅值进行跟踪锁定，将电流的有功分量和无功分量通过截止频率为的低通滤波器(LPF)，分别得到Id和Iq；最后将有功瞬时交流电压和无功瞬时交流电压之和作为调制波，得到控制变换器开关管通断的开关信号。此设计方法简化控制器结构，提高系统稳定性和动态响应。
包含如下的主要步骤：
1)、建立单相MMC并网控制的数学模型：
MMC的并网结构示意图如图1所示，每相桥臂均由若干个相同的子模块(SM)和桥臂电感串联构成，两个桥臂电感的连接点构成相应的输出端口a和b。定义交流电压及电流为：则对图1所示的单相MMC变换器采用基尔霍夫电压定律，可得MMC并网控制的数学模型为：式中Us为交流电压源的最大值；Ud和Uq分别为交流端口电压Uab在dq坐标系下的d轴和q轴上直流分量的幅值；Id和Iq分别为交流电流Is在dq坐标系下的d轴和q轴上直流分量的幅值；ω为交流电压的角频率；L为交流侧连接电感；R为交流侧电阻；p为微分算子。
2)、简化单相MMC并网控制数学模型：
由于Us为常值，可等效为比例微分(PI)控制器的一个初始值；考虑(R-Lp)Id和(R-Lp)Iq分量值相对于其他通道值很小，可通过调节比例微分(PI)控制器来达到其效果，故MMC变换器并网控制数学模型可简化为：变换器端口电压Uab在d轴上的分量仅与交流电流中的有功在q轴的直流分量Iq有关，Uab在q轴上的分量仅与交流电流中的有功在d轴的直流分量Id有关，简化了控制结构，实现有功无功交叉控制，其控制框图如图2所示。
3)、检测有功电流：
MMC变换器中电压电流方向如图1所示，利用单相锁相环(PLL)对电源电压的相位及幅值进行跟踪锁定，得到与电源电压同频率的角频率ωt及正余弦信号sinωt和cosωt。设is(t)＝Issinωt＝Id sinωt+Iqcosωt，则电流的有功分量为：
因此有功电流转化成直流分量及2倍角频率的交流分量，再通过截止频率为的低通滤波器(LPF)，则可得到只含直流分量的有功电流。
4)、检测无功电流：
电流的无功分量为：
无功电流转化成直流分量及2倍角频率的交流分量，再通过截止频率为的低通滤波器(LPF)，则可得到只含直流分量的有功电流。
其中，对于Id和Iq：利用单相锁相环对电源电压的相位及幅值进行跟踪锁定，得到与电源电压同频率的ωt及正余弦信号sinωt和cosωt；将电流的有功分量和无功分量通过截止频率为的低通滤波器，再将低通滤波器的输出乘以2，即得到Id和Iq。
5)、获取控制变换器开关管通断的开关信号：
将变换器端口电压在d轴上的分量Ud和sinωt作乘积，得到有功瞬时交流电压；将变换器端口电压在q轴上的分量Uq和cosωt作乘积，得到无功瞬时交流电压；最后将有功瞬时交流电压和无功瞬时交流电压之和作为最终的调制波，在选择适当的调制方式，即可得到控制变换器开关管通断的开关信号。
为了验证该方法的有效性和正确性，在Matlab/Simulink搭建相应的模型。模型的简单结构示意图如图3所示，负载阻抗分别选取感性和容性进行分析，MMC变换器并联在网侧，向网侧提供感性或者容性无功功率，实现交流侧的功率因数控制。
图4中实线表示电压，虚线表示电流。图4a)为MMC变换器对RL电路进行无功补偿的仿真波形，起始时刻投入10Ω的电阻负载，1s时刻投入电感为0.03H、电阻为10Ω的阻感负载，此时网侧电压相位超前于网侧电流；大约经过0.05s后，网压和网流实现了同相。图4b)为MMC变换器对RC电路进行无功补偿的仿真波形，起始时刻投入10Ω的电阻负载，1s时刻投入电容为0.32mF、电阻为10Ω的阻容负载，此时网侧电压相位滞后于网侧电流；大约经过0.06s后，网压和网流实现了同相。此处电流的谐波是由MMC变换器这个非线性元件引入的。本文设计比例微分(PI)控制器简化控制结构，实现有功无功交叉控制和交流侧的功率因数控制，向网侧提供感性或者容性无功功率，且具有较快的响应速度。
Claims (2)
1.一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立单相变流器并网控制的数学模型：
定义单相交流电压及电流为：
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式中Us为交流电压源的最大值；Ud和Uq分别为交流端口电压Uab在d轴和q轴上直流分量的幅值；Id和Iq分别为交流电流Is在d轴和q轴上直流分量的幅值；ω为交流电压的角频率；L为交流侧连接电感；R为交流侧电阻；p为微分算子；
步骤2：简化单相变流器并网控制数学模型：
将常值Us等效为比例微分控制器的一个初始值，通过调节比例微分控制器来达到(R-Lp)Id和(R-Lp)Iq分量的效果，则单相变流器并网控制数学模型简化为：
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步骤3：检测有功电流：
设is(t)＝Issinωt＝Id sinωt+Iqcosωt，则电流的有功分量为：
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将有功电流转化成直流分量及2倍角频率的交流分量，再经过低通滤波器滤波，得到只含直流分量的有功电流；
步骤4：检测无功电流：
电流的无功分量为：
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将无功电流转化成直流分量及2倍角频率的交流分量，再经过低通滤波器滤波，得到只含直流分量的无功电流；
步骤5：获取控制变换器开关管通断的开关信号：
将有功瞬时交流电压和无功瞬时交流电压之和作为最终的调制波，通过调制得到控制变换器开关管通断的开关信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于dq有功无功交叉解耦的单相变流器并网控制方法，其特征在于，求取所述Id和Iq的方法为：利用单相锁相环对电源电压的相位及幅值进行跟踪锁定，得到与电源电压同频率的ωt及正余弦信号sinωt和cosωt；将电流的有功分量和无功分量通过截止频率为的低通滤波器，再将低通滤波器的输出乘以2，即得到Id和Iq。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180518 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |