CN109412438B - 基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法 - Google Patents

基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109412438B
CN109412438B CN201811202276.2A CN201811202276A CN109412438B CN 109412438 B CN109412438 B CN 109412438B CN 201811202276 A CN201811202276 A CN 201811202276A CN 109412438 B CN109412438 B CN 109412438B
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
controller
cpci
grid
axis
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.)
Active
Application number
CN201811202276.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109412438A (zh
Inventor
赵剑锋
张森
孙海翔
赵志宏
刘康礼
汪泓
金龙
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.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
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 Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201811202276.2A priority Critical patent/CN109412438B/zh
Publication of CN109412438A publication Critical patent/CN109412438A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109412438B publication Critical patent/CN109412438B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于复矢量比例复数积分控制器cPCI(Complex Vector Proportional Complex Integral)的三相并网变流器电流控制方法，根据被控对象的数学模型和静止αβ坐标系下电流控制器无误差跟踪给定值的约束关系，得到cPCI电流控制器模型。将α轴和β轴的实际电流与参考电流的差值，作为cPCI电流控制器的输入，在静止αβ坐标系下实现并网电流的控制。本发明可以方便的应用于电机和电力电子领域的电流环设计中，无需复杂的旋转坐标变换，直接在静止αβ坐标系下实现，cPCI控制器参数的最优增益值设计，提高了电流环的稳定性并改善了系统动态响应性能。

Description

基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法。
背景技术
并网变流器具有功率双向调节、有功功率和无功功率独立控制等优点，被广泛应用于储能、风力发电、光伏发电等分布式新能源并网发电系统中。并网变流器的控制目标是输出电流控制，能否精确快速地实现对输出电流的控制直接影响着电网电能质量，因此，电流控制技术是并网变流器的关键技术之一。
对于电流控制的性能要求，一般是具有较高的稳态精度和快速的动态响应。PI控制器对直流量具有无穷大增益，可以实现对直流分量的无静差跟踪。在同步旋转坐标系(SRF)下，基波正序交流信号转换为直流量，通过PI控制器可实现对交流信号的无静差调节，因此，PI控制器在电流控制领域得到广泛的应用。
然而，被控对象在SRF下会出现交叉耦合项，使得d、q轴电流的暂态调节响应相互影响，并且耦合随着控制频率的增大而增大，导致电流环稳定性下降。为了克服耦合的影响，一般在电流环中采用电压前馈解耦控制，这又增加了算法实现的复杂性，并且数字实现过程中延时的存在会影响前馈解耦的有效性。cPI控制器提供了SRF下的另一种解耦方法，使电流环可以获得较高的稳定性和动态响应速度，并且受数字延时的影响较小，但是控制器的设计在SRF下实现，因此需要将采集的电流信号先转换到SRF下，通过cPI控制器，然后将输出信号再反变换到静止αβ坐标系得到调制波信号，增加了算法运算过程和计算资源的消耗。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提供一种基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法，无需复杂的旋转坐标变换，直接在静止αβ坐标系下设计cPCI电流控制器，简化了算法计算过程，提高了电流环的稳定性和抗扰动能力。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法，在静止αβ坐标系下通过cPCI控制器实现对电流的控制。
该方法包括以下步骤：
(1)对并网变流器网侧三相电流ia、ib、ic采样，经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换，得到α轴和β轴实际电流分量iα、iβ；
(2)电压外环采用PI控制器，其输出为有功电流参考值
Figure BDA0001830290810000011
结合无功电流参考值
Figure BDA0001830290810000012
并转换到静止αβ坐标系下，得到α轴和β轴参考电流分量
Figure BDA0001830290810000013
分别将α轴和β轴的实际电流与参考电流的差值
Figure BDA0001830290810000021
作为cPCI电流控制器的输入；
(3)cPCI控制器的输出为调制波信号，经过调制模块运算得到PWM信号，以控制并网变流器主电路功率开关管，实现并网电流的控制。
cPCI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001830290810000022
其中，kp为控制器的比例系数，ki为控制器的积分系数，s为复频域，j为复数单位，ωe为控制频率，假设电网频率为f，则ωe＝2*pi*f。
控制器参数满足：kp＝k*L，ki＝k*RL，其中L表示滤波器电感，RL代表滤波器等效电阻，k为控制器增益，由根轨迹曲线来确定其大小。
控制器增益k的最优值kopt，在电流环取得最大稳定性时获得。
有益效果：本发明采用的cPCI控制器，无需复杂的旋转坐标变换，直接在静止αβ坐标系下实现对交流信号的稳态无误差跟踪，简化了算法计算过程，可以提高电力电子器件的开关频率。控制器参数的最优值选择使系统获得最大稳定性的同时获得了良好的动态响应性能，拓宽了电流环的使用范围，提高了系统的稳定性并改善了动态响应性能。此外，cPCI控制器可以方便地扩展到电力电子领域中对交流量跟踪控制的系统中，例如并网逆变器系统中的电压外环设计以及电机控制系统中电流内环设计。
附图说明
图1是三相并网变流器双闭环控制原理图；
图2是基于cPCI控制器的电流环控制原理图；
图3是cPCI控制器的具体实现原理图；
图4是cPCI控制器的频率响应曲线；
图5是基于cPCI控制器的电流环根轨迹图；
图6是基于cPCI控制器的电流环闭环频率响应；
图7是有功负载投入时刻的三相并网电流；
图8是单位功率因数控制时的a相电网电压和电流；
图9是a相电流参考值和实际值偏差。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法中，如图1所示，在静止αβ坐标系下通过cPCI控制器实现对电流的控制。
该方法包括以下步骤：
(1)对并网变流器网侧三相电流ia、ib、ic采样，经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换，得到α轴和β轴实际电流分量iα、iβ；
(2)电压外环采用PI控制器，其输出为有功电流参考值
Figure BDA0001830290810000031
结合无功电流参考值
Figure BDA0001830290810000032
并转换到静止αβ坐标系下，得到α轴和β轴参考电流分量
Figure BDA0001830290810000033
分别将α轴和β轴的实际电流与参考电流的差值
Figure BDA0001830290810000034
作为cPCI电流控制器的输入；
(3)cPCI控制器的输出为调制波信号，经过调制模块运算得到PWM信号，以控制并网变流器主电路功率开关管，实现并网电流的控制。
cPCI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001830290810000035
其中，kp为控制器的比例系数，ki为控制器的积分系数，s为复频域，j为复数单位，ωe为控制频率，假设电网频率为f，则ωe＝2*pi*f。
控制器参数满足：kp＝k*L，ki＝k*RL，其中L表示滤波器电感，RL代表滤波器等效电阻，k为控制器增益，由根轨迹曲线来确定其大小。
控制器增益k的最优值kopt，在电流环取得最大稳定性时获得。
下面结合实例进一步说明。
图1为三相并网变流器双闭环控制原理图，其中变流器通过电感L与电网交互，RL为电感等效电阻。并网变流器在静止αβ坐标系的数学模型：
Figure BDA0001830290810000036
其中υα、υβ分别为变流器输出电压的α轴和β轴分量，iα、iβ为变流器输出电流的α轴和β轴分量，eα、eβ为电网电压的α轴和β轴分量。
将式(1)写成矢量形式：
Figure BDA0001830290810000037
忽略扰动电压eαβ(s)的影响，得到并网变流器的矢量模型为：
Figure BDA0001830290810000038
cPCI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001830290810000039
其中，kp为比例环节系数，ki为积分环节系数，s为复频域，j为复数单位，ωe为控制频率，假设电网频率为f，则ωe＝2*pi*f。图3为cPCI控制器的实现原理，α轴和β轴的实际电流与参考电流的差值，分别作为xα和xβ的输入，输出yα和yβ为调制波电压。图4为cPCI控制器的波特图，可以看出在控制频率50Hz处，控制器增益为无穷大，可以在控制频率处实现对交流信号的稳态无误差跟踪，并且控制器对直流分量有较大衰减，可以抑制由于采样导致的交流信号偏移的影响。结合式(3)和式(4)，并考虑到延时环节
Figure BDA0001830290810000041
得到图2所示的基于cPCI控制器的电流环控制原理图，因此，电流环开环和闭环传递函数如式(5)和式(6)所示
Figure BDA0001830290810000042
Figure BDA0001830290810000043
图5是电流环根轨迹图，开环零点
Figure BDA0001830290810000044
与闭环极点
Figure BDA0001830290810000045
重合，因此当增益k较小时，由于闭环极点
Figure BDA0001830290810000046
和
Figure BDA0001830290810000047
距离虚轴较远，闭环极点
Figure BDA0001830290810000048
作为主导极点，此时系统处于过阻尼状态，电流突变时并不会产生超调，继续增大开环增益k，直到
Figure BDA0001830290810000049
和
Figure BDA00018302908100000410
重合，此时系统处于临界阻尼状态，此时对应的增益k即为kopt，电流环获得最大的稳定性，继续增大增益k将会产生振荡直至系统失稳。
图6是对应的电流环闭环频率响应曲线，在控制频率50Hz处，电流实现了单位增益且零相位偏差输出，说明cPCI控制器可以实现对交流信号的稳态无误差控制。
通过仿真对所提出的cPCI控制器性能进行验证，图7是投入负载瞬间的三相电网电流波形，经过大约一个周期的暂态调整，电网电流达到稳态；图8是单位功率因数控制时a相电网电压和a相电流波形，可以看出电压电流同相位，实现单位功率因数控制；图9是电流给定与实际电流的偏差，从仿真波形看出，偏差基本为0，只在电流给定突变瞬间产生电流偏差，并且在小于一个周期内偏差减小到0；上述仿真说明了cPCI控制器可以无误差跟踪交流信号，并且暂态响应速度快。

Claims (1)

1.一种基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法，其特征在于：在静止αβ坐标系下通过cPCI控制器实现对电流的控制；所述控制方法包括以下步骤：
(1)对并网变流器网侧三相电流ia、ib、ic采样，经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换，得到α轴和β轴实际电流分量iα、iβ；
(2)电压外环采用PI控制器，其输出为有功电流参考值
Figure FDA0002459946390000011
结合无功电流参考值
Figure FDA0002459946390000012
并转换到静止αβ坐标系下，得到α轴和β轴参考电流分量
Figure FDA0002459946390000013
分别将α轴和β轴的实际电流与参考电流的差值
Figure FDA0002459946390000014
作为cPCI电流控制器的输入；
(3)cPCI控制器的输出为调制波信号，经过调制模块运算得到PWM信号，以控制并网变流器主电路功率开关管，实现并网电流的控制；
所述的cPCI控制器的传递函数为：
Figure FDA0002459946390000015
其中，kp为控制器的比例系数，ki为控制器的积分系数，s为复频域，j为复数单位，ωe为控制频率，假设电网频率为f，则ωe＝2*pi*f；kp＝k*L，ki＝k*RL，其中L表示滤波器电感，RL代表滤波器等效电阻，k为控制器增益，由根轨迹曲线来确定其大小。
CN201811202276.2A 2018-10-16 2018-10-16 基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法 Active CN109412438B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811202276.2A CN109412438B (zh) 2018-10-16 2018-10-16 基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811202276.2A CN109412438B (zh) 2018-10-16 2018-10-16 基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109412438A CN109412438A (zh) 2019-03-01
CN109412438B true CN109412438B (zh) 2020-06-30

Family

ID=65468214

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811202276.2A Active CN109412438B (zh) 2018-10-16 2018-10-16 基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109412438B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104158215A (zh) * 2014-08-15 2014-11-19 中国科学院电工研究所 基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106655256B (zh) * 2016-11-02 2018-07-31 温州大学 一种用于三相并网逆变器的多目标pq优化控制方法
CN106532770B (zh) * 2016-11-30 2019-10-18 上海电力学院 基于模糊pci和pr并联复合控制的逆变器控制方法
CN108565894A (zh) * 2018-05-23 2018-09-21 上海电力学院 基于比例复数积分控制的三相并网逆变器双环控制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104158215A (zh) * 2014-08-15 2014-11-19 中国科学院电工研究所 基于正交滤波器的逆变器无交流电压传感器控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109412438A (zh) 2019-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Design of robust MPPT controller for grid-connected PMSG-Based wind turbine via perturbation observation based nonlinear adaptive control
CN110112769B (zh) 虚拟同步机输出反馈自适应控制方法
CN107395040B (zh) 并网变流器复矢量pi控制器解耦与延时补偿方法
CN102969968B (zh) 一种永磁同步电机控制方法
Bossoufi et al. Backstepping control of DFIG generators for wide-range variable-speed wind turbines
CN108808704B (zh) 一种虚拟同步发电机的控制方法及装置
Zheng et al. Integral-type terminal sliding-mode control for grid-side converter in wind energy conversion systems
CN103944428B (zh) 一种适用于电网波形畸变的三相pwm整流器的控制方法
CN108039706B (zh) 一种有源电力滤波器抗饱和频率自适应谐振控制方法
WO2021110171A1 (zh) 一种基于p-u下垂特性的虚拟直流电机控制方法
CN109638881B (zh) 电网强度自适应优化的储能逆变器虚拟同步方法及系统
Zamzoum et al. Active and reactive power control of wind turbine based on doubly fed induction generator using adaptive sliding mode approach
Debouza et al. Direct power control for grid-connected doubly fed induction generator using disturbance observer based control
CN106300444A (zh) 一种三相pwm变换器功率预测分层控制方法
CN107611971A (zh) 针对电网电压谐波畸变工况的网侧逆变器谐振全阶滑模控制方法
Zhu et al. Second-order sliding-mode control of DFIG-based wind turbines
CN110620533A (zh) 一种表贴式永磁同步电机无传感器控制方法
Huang et al. Effect of reactive power control on stability of DC-link voltage control in VSC connected to weak grid
CN109599889A (zh) 基于模糊自抗扰的不平衡电压下dfig低电压穿越控制方法、系统
CN111262460B (zh) 一种基于耦合电感的五电平整流器滑模pir控制方法
CN110165954B (zh) 一种双馈风力发电系统机侧变流器模型预测控制方法
CN109412438B (zh) 基于复矢量比例复数积分控制器cPCI的电流控制方法
CN112003318A (zh) 一种风电并网逆变器直流母线电压控制方法
Sun et al. Maximum Power Point Tracking of DFIG with DC‐Based Converter System Using Coordinated Feedback Linearization Control
CN110048466B (zh) 一种双馈风力发电系统网侧变流器模型预测控制方法

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant