CN108540001A - 一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法 - Google Patents

一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108540001A
CN108540001A CN201810325382.3A CN201810325382A CN108540001A CN 108540001 A CN108540001 A CN 108540001A CN 201810325382 A CN201810325382 A CN 201810325382A CN 108540001 A CN108540001 A CN 108540001A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
power
source type
voltage source
coordinate system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810325382.3A
Other languages
English (en)
Inventor
陈泉坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201810325382.3A priority Critical patent/CN108540001A/zh
Publication of CN108540001A publication Critical patent/CN108540001A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration

Abstract

本发明公开了一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，该方法可在保持直流侧电容电压稳定的前提下，在两相静止坐标系下分别对系统输出的有功功率和无功功率进行直接控制，快速响应系统的有功功率和无功功率需求；无需提取电网电压的矢量角信息，在电网电压出现三相不平衡时仍能实现准确定向。因此，本发明可应用在三相电压源型整流器出现的场合，能够有效地应对电网电压的畸变。

Description

一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控 制方法
技术领域
本发明属于整流器控制技术领域，具体涉及一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，三相电压源型整流器已具备电网侧电流正弦化且可单位功率因数运行、能量双向传输等优点。因此，该整流器被广泛应用在不间断电源UPS(Uninterruptable Power Supply)、交流调速、风力发电和光伏发电等新能源领域。对于三相电压型整流器来说，并网控制是基本要求，其控制性能的优劣直接影响到整流器的应用。现有的整流器并网控制技术主要有电压定向控制(Voltage Oriented Congtrol)、虚拟磁链定向控制(Virtual-flux Oriented Control)、直接功率控制(Direct Power Control)和预测直接功率控制(Predictive Direct Power Control)等。电压定向控制和虚拟磁链定向控制是基于对电流的间接控制，其控制性能取决于电流环所采取的控制策略。直接功率控制具有高动态性能、控制方法简单、容易实现等优点，因此被国内外的学者和专家广泛关注并深入研究。
目前，基于开关表的直接功率控制方案，虽然具备很高的动态性能和鲁棒性等优点，但其开关频率不固定，所需要的采样频率较高。基于电网电压定向或虚拟磁链定向的直接功率控制都需要通过锁相环技术来获取相应的位置信号，当三相电网电压不平衡或电流畸变时，会严重影响定向的精度，进而影响整流器的控制性能。
发明内容
针对现有技术所存在的技术问题，本发明提供了一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法。该方法在两相静止坐标系下实施，无需通过锁相环来提取电网电压矢量角的信息，因此在三相电网电压平衡和不平衡的条件下，均能实现对整流器输出有功功率和无功功率的直接控制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的的技术方案是：一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，包括如下步骤：
(1)分别采集三相电压源型整流器的直流侧电容电压udc、三相电网电压esa、esb和esc、三相电网电流isa、isb和isc；
(2)根据Clarke变换矩阵，分别计算三相电网电压在两相静止坐标系下的α轴分量esα和β轴分量esβ、三相电网电流在两相静止坐标系下α轴分量isα和β轴分量isβ；
(3)直流侧电容电压给定值的平方与直流侧电容电压udc的平方之间的差值，经PI控制器调节后得到有功功率的给定值P*，无功功率的给定值Q*按照系统需要设定；
(4)根据瞬时功率理论，利用三相电网电压的αβ轴分量esα、esβ和三相电网电流的αβ轴分量isα、isβ，计算出整流器输出的实际有功功率P和无功功率Q；
(5)三相电压源型整流器有功功率的给定值P*与实际有功功率P之间的差值，经PI控制器调节后，再添加上无功功率的解耦分量ωsLQ，计算出中间变量x；
(6)三相电压源型整流器无功功率的给定值Q*与实际无功功率Q之间的差值，经PI控制器调节后，再添加上有功功率的解耦分量-ωsLP，计算出中间变量y；
(7)将中间变量x、y送入参考电压矢量计算模块中，计算出整流器交流侧输出电压αβ轴分量的给定值
(8)将和直流电容电压udc送入SVPWM调制模块中，生成用于控制三相电压源型整流器各相桥臂IGBT开通和关断所需的脉冲信号，在保证直流侧电容电压udc稳定的前提下，实现对整流器输出有功功率P和无功功率Q的有效控制。
步骤(4)中所述的整流器实际输出的有功功率P和无功功率Q的计算表达式为：
步骤(5)中所述的无功功率的解耦分量ωsLQ，其中，L为三相电压源型整流器交流侧与电网之间连接电感的电感值，ωs为电网的角频率，基本上可以将其当作常数100π。
步骤(7)中所述的参考电压矢量计算模块的算法如下：
令可得：
步骤(8)中所述的SVPWM调制模块，可根据udc和设定的开关频率，生成驱动三相电压源型整流器所需要的控制信号。
本发明的有益效果是：直接在两相静止坐标系下进行相关控制，无需获取电网电压的矢量角，因此，在电网电压不平衡时，仍能保持较高的控制性能；内环直接以系统的有功功率P和无功功率Q为控制对象，可获得较高的功率响应速度；整个控制系统，结构简单，易于工程实现。
附图说明
图1为三相电压源型整流器的结构示意图。
图2为基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制算法的系统结构图。
图3(a)为本发明所述控制算法的总的结构框图。
图3(b)为本发明所述控制算法的有功功率控制回路的结构框图。
图3(c)为本发明所述控制算法的无功功率控制回路的结构框图。
图3(d)为本发明所述控制算法的直流电容电压控制回路的结构框图。
图4(a)为本发明所述控制算法在系统给定无功功率Q*＝0，负载电阻RL由64Ω切换到32Ω，也即系统负载由2.5kW切换到5.0kW时，三相电压源型整流器的输出情况：从上到下依次为电网A相电压esa和电流isa、直流侧电容电压udc、有功功率P、无功功率Q。
图4(b)为本发明所述控制算法在负载电阻RL为64Ω，即系统负载为2.5kW，系统给定无功功率Q*由0切换到2.5kVar时，三相电压源型整流器的输出情况：从上到下依次为电网A相电压esa和电流isa、直流侧电容电压udc、有功功率P、无功功率Q。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本实例三相电压源型整流器主电路拓扑包括负载电阻RL、直流侧电容C、六个IGBT、整流器交流侧与电网之间的连接电抗器L和连接电阻R等。esa、esb和esc为三相电网电压，isa、isb和isc为三相电网电流，udc为直流侧电容电压，idc为整流器直流侧总电流，iC为直流侧电容电流，iL为负载电流，箭头所示方向为电流正方向，L和R分别为交流侧电感值和电阻值。本发明所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法的步骤如下：
根据基尔霍夫电压定理和基尔霍夫电流定理，三相电压源型整流器在三相abc坐标系下的数学模型可以表示为：
其中，Sa、Sb和Sc分别为abc相桥臂的开关函数。
将式(1)和式(2)分别进行Clarke变换，可得整流器在两相静止坐标系下的数学模型：
其中，Sα和Sβ分别为等效的αβ相桥臂的开关函数。
三相电压源型整流器在两相静止坐标系下输出的有功功率和无功功率可以表示为
根据式(3)和式(5)，以功率为状态变量的整流器数学模型可以表示为
令和若则整流器交流侧输出的电压可以表示为
如图2所示，根据式(6)，可将有功功率给定值和实际值之间的差值经PI控制器调节并添加无功功率解耦环节ωsLQ后作为x的值，将无功功率给定值和实际值之间的差值经PI控制器调节并添加有功功率解耦环节-ωsLP后作为y的值。随后，可利用式(7)，计算出整流器交流侧输出电压的给定值然后，通过SVPWM调制算法，生成相应的脉冲信号，来控制整流器中IGBT的开通和关断。
根据等效的αβ相桥臂的开关函数Sα和Sβ的信号特点，可以认为Sα和Sβ在一个采样周期内的平均值分别等于usα/udc和usβ/udc。将其代入式(4)中，可以得到直流侧电容电压的状态方程：
经整理，可得
如图2所示，根据式(9)，可将直流侧电容电压给定值与实际值平方的差值，经PI控制器调节后，作为系统有功功率的给定值P*，从而实现对直流侧电容电压的有效控制。
如图3(a)所示，本发明所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制算法的控制结构由直流侧电容电压控制外环和有功功率及无功功率控制内环组成。有功功率控制回路的结构框图如图3(b)所示，无功功率控制回路的结构框图如图3(c)所示，直流侧电容电压控制回路的结构框图如图3(d)所示。根据相应的控制回路结构框图，即可进行PI控制器参数设计。
以下我们对本发明的控制方案进行测试，所采用的三相电压源型整流器的参数如表1所示：
表1
电网电压有效值 110V 直流母线电压udc 400V
电感值L 3e-3H 直流侧电容值C 1200μF
电阻值R 0Ω 负载电阻RL 64Ω
为了能够清晰的看出电网相电压与相电流之间的相位关系，将电网A相电压esa的幅值减半显示在图4中。如图4(a)所示，当系统给定无功功率Q*＝0，负载电阻RL由64Ω切换到32Ω，也即系统负载由2.5kW切换到5.0kW时，电网A相电压esa与A相电流isa一直保持同相位，直流侧电容器的电压值udc在经历了0.05s的波动后，很快恢复到给定值400V；由于有功功率控制回路与无功功率控制回路之间存在交叉前馈解耦环节，当系统的有功功率跳变时，整流器输出的无功功率会出现一个微小的波动。如图4(b)所示，当负载电阻RL为64Ω，也即系统负载为2.5kW，系统给定无功功率Q*由0切换到2.5kVar时，电网A相电压esa与A相电流isa之间的相位从同相位很快调整到给定值，直流侧电容的电压值udc出现了一个很小的波动，但很快又稳定在给定值400V。同样的，由于有功功率控制回路与无功功率控制回路之间存在交叉前馈解耦环节，当系统的无功功率跳变时，整流器输出的有功功率也会出现一个微小的波动。
综上所述，本发明所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法无需提取电网电压的矢量角信息，控制结构简单，易于实施，可分别实现对直流侧电容电压、系统输出的有功功率和无功功率的有效控制。

Claims (5)

1.一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，包括如下步骤：
(1)分别采集三相电压源型整流器的直流侧电容电压udc、三相电网电压esa、esb和esc、三相电网电流isa、isb和isc；
(2)根据Clarke变换矩阵，分别计算三相电网电压在两相静止坐标系下的α轴分量esα和β轴分量esβ、三相电网电流在两相静止坐标系下α轴分量isα和β轴分量isβ；
(3)直流侧电容电压给定值的平方与直流侧电容电压udc的平方之间的差值，经PI控制器调节后得到有功功率的给定值P*，无功功率的给定值Q*按照系统需要设定；
(4)根据瞬时功率理论，利用三相电网电压的αβ轴分量esα、esβ和三相电网电流的αβ轴分量isα、isβ，计算出整流器输出的实际有功功率P和无功功率Q；
(5)三相电压源型整流器有功功率的给定值P*与实际有功功率P之间的差值，经PI控制器调节后，再添加上无功功率的解耦分量ωsLQ，计算出中间变量x；其中，L为三相电压源型整流器交流侧与电网之间连接电感的电感值，ωs为电网的角频率；
(6)三相电压源型整流器无功功率的给定值Q*与实际无功功率Q之间的差值，经PI控制器调节后，再添加上有功功率的解耦分量-ωsLP，计算出中间变量y；
(7)将中间变量x、y送入参考电压矢量计算模块中，计算出整流器交流侧输出电压αβ轴分量的给定值
(8)将和直流电容电压udc送入SVPWM调制模块中，生成用于控制三相电压源型整流器各相桥臂IGBT开通和关断所需的脉冲信号，在保证直流侧电容电压udc稳定的前提下，实现对整流器输出有功功率P和无功功率Q的有效控制。
2.根据权利要求1所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，其特征在于：步骤(4)中所述的整流器实际输出的有功功率P和无功功率Q的计算表达式为：
3.根据权利要求1所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，其特征在于：步骤(5)中所述的电网的角频率ωs取常数100π。
4.根据权利要求1所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，其特征在于：步骤(7)中所述的参考电压矢量计算模块的算法如下：
令可得：
5.根据权利要求1所述的基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法，其特征在于：步骤(8)中所述的SVPWM调制模块根据udc和设定的开关频率，生成驱动三相电压源型整流器所需要的控制信号。
CN201810325382.3A 2018-04-12 2018-04-12 一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法 Pending CN108540001A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810325382.3A CN108540001A (zh) 2018-04-12 2018-04-12 一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810325382.3A CN108540001A (zh) 2018-04-12 2018-04-12 一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108540001A true CN108540001A (zh) 2018-09-14

Family

ID=63480994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810325382.3A Pending CN108540001A (zh) 2018-04-12 2018-04-12 一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108540001A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429836A (zh) * 2019-07-23 2019-11-08 合肥为民电源有限公司 一种三相pwm整流器的控制方法及装置
CN111510034A (zh) * 2020-05-15 2020-08-07 华北电力大学 双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置
CN112352366A (zh) * 2018-11-22 2021-02-09 东芝三菱电机产业系统株式会社 不间断电源装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102882383A (zh) * 2012-09-28 2013-01-16 无锡清源电气科技有限公司 一种模块化多电平风电变流器的直接功率控制方法
CN103346583A (zh) * 2013-04-15 2013-10-09 湖南大学 一种具有快速功率响应能力的定频直接功率pwm变换器控制方法
CN104009487A (zh) * 2014-06-06 2014-08-27 北方工业大学 不平衡电网电压下pwm整流器直接功率控制方法及装置
CN104617798A (zh) * 2015-03-05 2015-05-13 河南师范大学 三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法
CN104617797A (zh) * 2015-03-05 2015-05-13 河南师范大学 三相电压型pwm变换器三矢量直接功率控制方法
CN104701845A (zh) * 2015-03-20 2015-06-10 朱鹏程 基于虚拟磁链的不平衡电网下pwm整流器直接功率控制方法
CN107623451A (zh) * 2017-08-18 2018-01-23 河南科技大学 Lcl滤波型pwm整流器的有源阻尼直接功率控制系统及方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102882383A (zh) * 2012-09-28 2013-01-16 无锡清源电气科技有限公司 一种模块化多电平风电变流器的直接功率控制方法
CN103346583A (zh) * 2013-04-15 2013-10-09 湖南大学 一种具有快速功率响应能力的定频直接功率pwm变换器控制方法
CN104009487A (zh) * 2014-06-06 2014-08-27 北方工业大学 不平衡电网电压下pwm整流器直接功率控制方法及装置
CN104617798A (zh) * 2015-03-05 2015-05-13 河南师范大学 三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法
CN104617797A (zh) * 2015-03-05 2015-05-13 河南师范大学 三相电压型pwm变换器三矢量直接功率控制方法
CN104701845A (zh) * 2015-03-20 2015-06-10 朱鹏程 基于虚拟磁链的不平衡电网下pwm整流器直接功率控制方法
CN107623451A (zh) * 2017-08-18 2018-01-23 河南科技大学 Lcl滤波型pwm整流器的有源阻尼直接功率控制系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YONGHAO GUI等: "A Voltage Modulated DPC Approach for Three-Phase PWM Rectifier", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112352366A (zh) * 2018-11-22 2021-02-09 东芝三菱电机产业系统株式会社 不间断电源装置
CN110429836A (zh) * 2019-07-23 2019-11-08 合肥为民电源有限公司 一种三相pwm整流器的控制方法及装置
CN110429836B (zh) * 2019-07-23 2020-04-28 合肥为民电源有限公司 一种三相pwm整流器的控制方法及装置
CN111510034A (zh) * 2020-05-15 2020-08-07 华北电力大学 双馈感应电机无锁相环功率控制方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106410849B (zh) 基于虚拟同步发电机的微网逆变器均衡控制方法
Mahela et al. A review of distribution static compensator
Karanki et al. Particle swarm optimization-based feedback controller for unified power-quality conditioner
CN110112940B (zh) 一种基于αβ坐标系下的PWM整流器自适应滑模QPIR控制方法
CN106026140B (zh) 一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置及方法
Zaveri et al. Control techniques for power quality improvement in delta connected load using DSTATCOM
CN110021953A (zh) 电网电压不平衡时柔性多状态开关的直流侧电压控制方法
CN108540001A (zh) 一种基于两相静止坐标系的三相电压源型整流器直接功率控制方法
Zhou et al. Adaptive DC-link voltage control for shunt active power filters based on model predictive control
CN106972759A (zh) 一种模拟电网扰动的电源
Mohanraj et al. A unified power quality conditioner for power quality improvement in distributed generation network using adaptive distributed power balanced control (ADPBC)
Molina et al. Advanced power conditioning system for grid integration of direct-driven PMSG wind turbines
CN111952960A (zh) 基于电力弹簧的智能负载柔性多目标协调控制方法
Mikkili et al. Simulation and RTDS Hardware implementation of SHAF for Mitigation of Current Harmonics with pq and Id-Iq Control strategies using PI controller
CN206948199U (zh) 一种模拟电网扰动的电源
Laggoun et al. Dual Virtual Flux-based Direct Power Control for rectifier under harmonically distorted voltage condition
Liang et al. Unbalanced control strategy of improved virtual synchronous generator in power grid
Yao et al. Research on VIENNA rectifier based on active disturbance rejection control
CN206820538U (zh) 三臂整流逆变器串接负载式ups电路
Singh et al. Analysis Modelling & Simulation of VSC based D-Statcom for Reactive VAR Compensation
Anjana et al. PV source integrated micro-grid for power quality improvement
Jian et al. The research of new cascade bridgeless multi-level rectifier
Dehghani et al. Dynamic behavior control of induction motor with STATCOM
Patel et al. Simulation & Analysis of Unified Power Quality Conditioner (UPQC) for Power Quality Improvement
CN109256968A (zh) 一种三相电压型pwm变换器的滑模功率抵消直接功率控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180914

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication