CN108988664A - 电网不平衡条件下三电平vienna整流器模型预测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测控制系统及方法，本发明解决了电网不平衡时参考电流的计算；直流侧电压和直流侧中点电压的平衡控制；三相电流过零点畸变；电网电流单位功率因数的控制。该算法将25个电压矢量根据电流方向分为6个扇区，每个扇区中有8个电压矢量。再根据中点电压的的偏出，选出5个电压矢量，根据价值函数得到最优的空间电压矢量，最优的空间电压矢量控制开关管的状态，实现三相三电平VIENNA整流器的控制。在电网不平衡时该算法不需要电网电压和电流的正负序分离、电网电压的锁相、电流内环控制模块和调制模块。

Description

电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测系统及方法。
背景技术
传统的二极管不控整流电路和晶闸管相控整流电路功率因数低、谐波含量高，给电网注入了大量的谐波和无功功率。对大电网造成了严重的污染、降低了电网的电能质量。而三电平维也纳整流器具有并网电流波形质量高、谐波含量小、功率密度大、耐压等级高、无须考虑死区、开关器件少等优点，得到了广泛的应用。然而，三电平维也纳整流器拓扑结构的特殊性导致其三相电流过零点畸变，与中点电位平衡等固有问题。
同时，电网电压不平衡在实际情况中普遍存在，特别是在弱电网中，由于电网故障、非对称的三相负载、不均匀分布的单相负载等不利因素会引起三相电网电压的不平衡。不平衡的电网电压严重影响三相三电平VIENNA整流器的安全可靠运行。
在电网故障时，VIENNA整流器应该保证直流输出电压的稳定、并网电流总谐波畸变率小于5％和平均单位功率因数运行以及维持有功功率的稳定的要求。当电网电压不平衡时，如果采用理想电网条件下的控制方法，三电平VIENNA整流器输出电流谐波增大、直流侧电压波动大、有功和无功功率产生不可控的二倍频波动等问题。不满足并网电流的要求和输出的直流侧电压的要求。
为了保证三电平VIENNA整流器在电网不平衡时的可靠稳定运行，减少对电网的谐波污染。必须解决并网电流畸变、三相电流过零点畸变、中点电位平衡的问题。
目前针对电网电压不平衡时微电网中三相AC/DC变换器的控制问题，国内外学者提出了一些解决方法。在电网不平衡条件下，如果采取基于平衡条件下的控制算法，直流侧产生偶次谐波，在交流侧产生奇次谐波，开关器件承受的压力不同，开关器件容易损坏，严重影响微电网系统的稳定性。
对于电网不平衡时三相三电平VIENNA整流器的控制策略，许多学者进行了大量研究。
(1)基于正负序分离的双同步坐标系控制方法。双同步坐标系可以实现三相不平衡交流量的解耦控制，正序分量和负序分量分别在正序坐标系和负序坐标系下控制。正序分量在正序坐标系下为直流量，负序分量在负序坐标系下为直流量，所以在双同步坐标系下常采用四个PI控制器实现电网不平衡时三相三电平VIENNA整流器的控制。但是双同步坐标系控制实现的前提是实现三相不平衡交流量中正负序分量的提取。常用的提取方法有二次谐波滤除法、参数辨识法、公式分序法等。采用这种方法需要的计算量大、控制器参数多、设计复杂。
(2)Tan-Sun坐标变换法，将三相不平衡的电压或者电流在不平衡坐标系下通过Tan-Sun坐标变换，得到两相幅值相同的正交的交流量，再通过Park坐标变换的到两个直流量。Tan-Sun坐标变换的引入可以将基于电网平衡条件下所有的控制算法应用到电网不平衡的控制中。但是Tan-Sun变换矩阵中的变量并不像Clark变换矩阵的参数一样是常数，它是随三相电压或电流的初相角变化而变化的，所以要实现准确的Tan-Sun坐标变换，初相角的必须精确获取。目前获取初相角常用的方法是获得初始时刻三相不平衡变量在正负序坐标系的值，再通过公式计算得到。采用这种方法实现不平衡条件下的控制，算法太复杂，计算量大。
(3)采用PR控制法，在αβ静止坐标系下采用PR控制消除电流跟踪误差。PR控制器在电网频率处可以获得无穷的增益来获得更好的跟踪效果，但是PR控制器的带宽小，使得控制器对电网频率的变换很敏感。在此基础上提出了非理想的PR控制器，但是当带宽设置很高时，会影响系统的稳定性，这限制了PR控制器带宽的选择。
以上方法都需要电网电压的锁相，但是在电网电压不平衡时由于负序分量的存在，电网电压的锁相会存在误差。关于电网不平衡条件下锁相的问题，目前许多学者提出的在不平衡条件下的锁相方法都是基于电网电压正序分量来估计相位的信息。电网不平衡时锁相存在误差。
以上所提出的方法在电网不平衡条件对三相三电平VIENNA整流器的控制方法计算量大，算法相对复杂，控制器参数多，设计复杂。
因此，针对三相三电平VIENNA整流器，在电网不平衡条件下研究一种简单有效控制方法，解决并网电流的畸变、输出电流过零点畸变、中点电压平衡的问题具有重大意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测系统方法，本发明无需任何控制变量的正负序分离；不需要同步旋转坐标变换和复杂的滤波器，完全在静止坐标实现。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，应用于三电平VIENNA整流器，所述三电平VIENNA整流器的开关管不设置死区时间，当电网不平衡时，所述三电平VIENNA整流器的电压外环被配置为PI控制，根据所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其延时信号，得到VIENNA整流器并网电流的给定值，确定给定参考电压矢量，根据三相电流的方向，将三相三电平VIENNA整流器的空间电压矢量进行分区，从有限集空间电压矢量中选择一空间电压矢量，以控制下一个开关周期中各个开关管状态，实现三电平VIENNA整流器的控制。
进一步的，所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构具体包括与三相电网串联的L滤波器，连接L滤波器的开关管全桥电路，与开关管全桥电路各中点连接的串联的二极管组，连在在二极管组中点与开关管全桥电路之间的直流侧滤波电容，每一相中开关管组具有串联的正接和反接的二极管，具有相通的开关驱动信号，且不设置死区时间。
进一步的，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其延时90°的信号，根据控制目标，得到电流的给定值，所述控制目标是实现直流母线电压的稳定、平均单位功率因数运行、有功功率不存在波动。
进一步的，选择空间电压矢量的具体过程为选择最接近三电平VIENNA整流器的桥臂输出电压的参考值的空间电压矢量。
进一步的，三电平VIENNA整流器的空间电压矢量，根据输入电流的极性，空间电压矢量分为六个扇区，且在每个扇区中电压矢量和电流矢量的极性必须相同。
更进一步的，在每个扇区中去除引起并网电流过零点畸变的电压矢量。
进一步的，将每个扇区的电压矢量分成两组，当检测到上侧电容电压小于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压增大的第一组空间电压矢量；当检测到上侧电容电压大于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压减小的第二组空间电压矢量。
一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测控制系统，应用于三电平VIENNA整流器，运行于处理器上，配置为执行以下指令：
保证三电平VIENNA整流器的开关管不设置死区时间；
当电网不平衡时，所述三电平VIENNA整流器的电压外环被配置为PI控制，根据所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其延时信号，得到VIENNA整流器并网电流的给定值，确定给定参考电压矢量，根据三相电流的方向，将三相三电平VIENNA整流器的空间电压矢量进行分区，从有限集空间电压矢量中选择一个空间电压矢量，以控制下一个开关周期中各个开关管状态，实现三电平VIENNA整流器的控制。
所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构具体包括与三相电网串联的L滤波器，连接L滤波器的开关管全桥电路，与开关管全桥电路各中点连接的串联的二极管组，连在在二极管组中点与开关管全桥电路之间的直流侧滤波电容，每一相中开关管组具有串联的正接和反接的二极管，具有相通的开关驱动信号，且不设置死区时间。
所述三电平VIENNA整流器的直流侧采用PI控制器，PI控制器的输出为有功功率参考值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、不需要电压电流的正负序分离，减少了因正负序分离带来的复杂计算；
2、不需要旋转坐标变换，避免了电网不平衡时锁相带来的困难和锁相带来的误差；
3、不需要电流内环实现电流的控制，避免了引入正负序旋转坐标系下的PI控制器或者静止坐标系下的PR控制器。这避免了控制器设计的复杂性和控制器参数难以确定带来的困难。无复杂参数的调节，控制简单、直观、明了。
4、不需要调制模块，大大减小因调制模块增加的控制器的控制时间，减小了控制器的延时，使得控制更精确。
5、在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其他们延时90°的信号得到电流的给定值，算法简单，易理解。
6、在控制中点平衡时，根据三相电流的方向，利用中矢量和小矢量实现中点电压的控制，与只用小矢量控制中点电压相比，控制效果更好，直流侧电压偏差更小；
7、根据电流的极性将空间电压矢量分扇区，在最优的空间电压矢量选择时循环次数从19次，减小到5次，大大减小的了计算量。
8、采用模型预测直接电流控制方法，实现了VIENNA整流器在电网不平衡时网侧电流的控制、直流侧电压的控制、直流侧中点电压的控制和输出电流过零点畸变的控制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为三相三电平VIENNA整流器主电路图；
图2为三相三电平VIENNA空间矢量图；
图3为三相三电平VIENNA空间矢量对直流侧中点电压的影响；
图4为电网不平衡时三相三电平VIENNA模型预测直接电流控制流程图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本发明在三相三电平VIENNA整流器运行在电网不平衡条件时，提出一种模型预测直接电流控制策略。该控制算法无需任何控制变量的正负序分离；不需要同步旋转坐标变换和复杂的滤波器，完全在静止坐标实现。模型预测控制作为一种非线性控制，由于其具有控制的快速性、灵活性和不需要任何PWM调制模块。这种控制方法无复杂参数的调节，控制简单、直观、明了。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的主电路拓扑为三电平VIENNA整流器，为了减小对电网注入的无功，本发明中三相三电平VIENNA整流器运行在单位功率因数。三相三电平VIENNA整流器系统包括：
主电路拓扑：三相电网；L滤波器；滤波器等效电阻R；6个开关管Sa1，Sa2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2；6个快恢复二极管Da1，Da2，Db1，Db2，Dc1，Dc2；直流侧滤波电容C1，C2；直流侧负载RL。
开关管的驱动：VIENNA拓扑不需要设置死区时间，提高了维也纳整流器系统的控制精度，降低了电流谐波。每一相的两个开关管可以采用同1路PWM信号而不影响电流的换流路径，系统体积小，功率密度等级高。
在电网不平衡时，为了维持VIENNA整流器系统直流母线电压的稳定性，采用PI控制器作为电压外环，实现VIENNA整流器直流输出电压跟随给定电压。
为了得到VIENNA整流器并网电流的参考值，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其电压和电流延时90°的信号，根据控制目标，得到电流的给定值。
得到电流的给定值后，根据VIENNA整流器的电路方程，得到给定参考电压矢量。
根据三相电流的方向，三相三电平VIENNA整流器的空间电压矢量分为六个扇区。由于VIENNA拓扑结构的限制，电压矢量的极性和电流矢量的极性相同。每个扇区中有8个电压矢量。
通过不同扇区中电压矢量对中点电压的影响不同，检测中点电压的偏差，选择合适的电压矢量实现直流侧中点电压的控制。
由于VIENNA整流器结构本身的限制，在不同扇区中去除使电流过零点畸变的电压矢量，实现了VIENNA过零点畸变的控制。
通过以上的约束从8个电压矢量中选出最优电压矢量，最优电压矢量转换为最优的开关状态，控制开关管的通断，实现VIENNA电路的控制。
为了解决电网不平衡时并网电流畸变的问题，电网不平衡时采用模型预测控制三电平VIENNA整流器。
具体的，为了实现电网不平衡时三相三电平VIENNA整流器的稳定运行，有效降低并网电流的谐波含量、并网电流的过零点畸变、直流侧电压的稳定、直流侧中点电压的稳定。本发明提出了一种模型预测直接电流控制策略。
本发明在不增加成本的前提下，实现的电网不平衡时三相三电平VIENNA整流器的有效控制。该算法计算量小、简单、直观、明了。本发明改善了系统输出波形质量，提高了系统的安全性和稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
如图1所示，本发明控制的对象为三相三电平VIENNA整流器系统，该系统包括以下部分：(1)三相电网ea，eb，ec；(2)6个开关管Sa1，Sa2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2；(3)6个快恢复二极管Da1，Da2，Db1，Db2，Dc1，Dc2；(4)直流侧滤波电容C1，C2；(5)直流侧负载RL。直流侧为两个串联的滤波电容，在两个电容中间形成一个中性点N，每相的两个二极管串联，两个开关管串联，串联的两个开关管一端连接电容中点N，另一端与二极管的中点连接。
在图1中，根据基尔霍夫电压定律可得VIENNA整流器的数学模型为：
ej,ij,uj分别为电网电压、电网电流和VIENNA桥臂输出电压。由于采样和计算带来的延时，在将公式(1)离散化时需要考虑一个周期的延时，得到在αβ坐标系下的离散化的数学，模型为
Ts为控制周期。为了减小计算量，将公式(2)做如下变换，得到改进模型
令公式(3)可进一步变换为
为给定参考电压矢量在电网不平衡时，为了得到VIENNA整流器并网电流的参考值，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其他们延时90°的信号，根据控制目标，得到电流的给定值。
VIENNA变换器传递的功率为:
在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其他们延时90°的信号xm，进一步得到：
VIENNA整流器的控制目标是实现直流母线电压的稳定、平均单位功率因数运行、有功功率不存在波动。所以po＝p*,k1＝0,k2＝0和qo＝0条件必须得到满足，由此可以得到电流的参考值可以表示为：
根据公式(4)和公式(7)可以得到给定参考电压矢量。定义目标函数如下：
uα(k+1),uβ(k+1)为空间电压矢量在αβ坐标轴上的投影。根据公式(8)从有限的电压矢量控制集中选出最优的电压矢量。
图2为三电平VIENNA空间电压矢量，根据空间电压矢量的幅值，空间电压矢量可以分为大矢量(PNN,PPN,NPN,NPP,NNP,PNP)、中矢量(PON,OPN,NPO,NOP,ONP,PNO)、小矢量(POO,PPO,OPO,OPP,OOP,POP；ONN,OON,NON,NOO,NNO,ONO)和零矢量根据输入电流的极性，空间电压矢量可分为六个扇区，VIENNA整流器拓扑的特殊性要求在每个扇区中电压矢量和电流矢量的极性必须相同。所以在每个扇区中有8个可以用于比较选择的电压矢量。这种分类扇区的划分方法，用于三电平VIENNA整流器中用于比较的19个电压矢量减小到7个，大大减小了计算量。根据电流划的分扇区总结如表I。
表I电网电流的方向和扇区的关系
图3为不同的电压矢量对直流侧中点电位的影响。可以看出，大矢量和零矢量对直流的中点电位没有影响。而中矢量和小矢量对中点电位有影响。并且正小矢量增大上侧电容电压，负小矢量增大下侧电容电压；中矢量对直流侧中点电位的影响根据电流方向不同而不同。所以根据电流方向，可以得到每个中矢量和小矢量对直流侧中点电压的影响。根据这些影响，将每个扇区中8个矢量分为两组，如表II所示。当Up<Un时选用前一组中的5个电压矢量，当Up>Un时选用第二组中的5个电压矢量。这样用于比较的电压矢量从7个进一步减小到5个。
图4为VIENNA模型预测直接电流控制流程图。本文提出的模型预测直接电流控制策略在避免了电网电压和电流的正负序分离、电网电压的锁相、电流内环控制和PWM调制模块的前提下实现了电网电流正弦化和平均单位功率因数的控制、直流母线电压和中点平衡的控制。模型预测直接电流控制策略无需引入权重系数，通过中矢量和正负小矢量对中点电位的影响不同实现中点电压的平衡控制，同时通过改进的模型使控制简单直观、计算量大大减小。
表II不同扇区中电压矢量分类
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：应用于三电平VIENNA整流器，所述三电平VIENNA整流器的开关管不设置死区时间，当电网不平衡时，所述三电平VIENNA整流器的电压外环被配置为PI控制，根据所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其延时信号，得到VIENNA整流器并网电流的给定值，确定给定参考电压矢量，根据三相电流的方向，将三相三电平VIENNA整流器的空间电压矢量进行分区，从有限集空间电压矢量中选择一个空间电压矢量，以控制下一个开关周期中各个开关管状态，实现三电平VIENNA整流器的控制。
2.如权利要求1所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构具体包括与三相电网串联的L滤波器，连接L滤波器的开关管全桥电路，与开关管全桥电路各中点连接的串联的二极管组，连在在二极管组中点与开关管全桥电路之间的直流侧滤波电容，每一相中开关管组具有串联的正接和反接的二极管，具有相通的开关驱动信号，且不设置死区时间。
3.如权利要求1所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其延时90°的信号，根据控制目标，得到电流的给定值，所述控制目标是实现直流母线电压的稳定、平均单位功率因数运行、有功功率不存在波动。
4.如权利要求1所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：选择空间电压矢量的具体过程为选择最接近三电平VIENNA整流器的桥臂输出电压的参考值的空间电压矢量。
5.如权利要求1所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：三电平VIENNA整流器的空间电压矢量，根据输入电流的极性，空间电压矢量分为六个扇区，且在每个扇区中电压矢量和电流矢量的极性必须相同。
6.如权利要求5所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：在每个扇区中去除引起并网电流过零点畸变的电压矢量。
7.如权利要求5所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测方法，其特征是：将每个扇区的电压矢量分成两组，当检测到上侧电容电压小于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压增大的第一组空间电压矢量；当检测到上侧电容电压大于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压减小的第二组空间电压矢量。
8.一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测控制系统，其特征是：应用于三电平VIENNA整流器，运行于处理器上，配置为执行以下指令：
保证三电平VIENNA整流器的开关管不设置死区时间；
当电网不平衡时，所述三电平VIENNA整流器的电压外环被配置为PI控制，根据所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构，在αβ静止坐标系下利用电压和电流及其延时信号，得到VIENNA整流器并网电流的给定值，确定给定参考电压矢量，根据三相电流的方向，将三相三电平VIENNA整流器的空间电压矢量进行分区，从有限集空间电压矢量中选择一空间电压矢量，以控制下一个开关周期中各个开关管状态，实现三电平VIENNA整流器的控制。
9.如权利要求8所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测控制系统，其特征是：所述三电平VIENNA整流器的拓扑结构具体包括与三相电网串联的L滤波器，连接L滤波器的开关管全桥电路，与开关管全桥电路各中点连接的串联的二极管组，连在在二极管组中点与开关管全桥电路之间的直流侧滤波电容，每一相中开关管组具有串联的正接和反接的二极管，具有相通的开关驱动信号，且不设置死区时间。
10.如权利要求8所述的一种电网不平衡条件下三电平VIENNA整流器模型预测控制系统，其特征是：所述三电平VIENNA整流器的直流侧采用PI控制器，PI控制器的输出为有功功率参考值。
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