CN109450267B - 一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法,该方法将电压型交流源置于H3IMC的电压型变换级(VSC)的交流侧,负载置于混合有源三次谐波注入变换级(H3C)的交流侧。在系统控制中,对负载电压幅值进行闭环控制,控制器输出作为电源电流中的有功分量的参考值,并根据输出滤波器吸收的无功分量计算出电源电流中的无功分量的参考值,由电源电流的闭环控制得到VSC的电压调制比和调制角度,从而使得系统正常工作,负载切换时保持电压幅值稳定,电源电流波形质量良好。本发明无需改变H3IMC拓扑结构,实现了性能良好的升压控制,适合运用于分布式发电等输入电压较小的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种矩阵变换器控制方法,尤其涉及一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法,属于矩阵变换器控制领域。
背景技术
分布式发电系统中,大量分散的电力需求与资源相互链接,成为大电网有益的辅助和重要补充,提高了供电的可靠性。为了满足不同用电负载的需求,功率变换器成为分布式发电系统的关键组成部分之一。
矩阵变换器(Matrix Converter,MC)是一种直接AC-AC功率变换器。无需中间储能环节的优势,使其在多种应用场合越来越受到关注。
混合有源三次谐波注入矩阵变换器(Hybrid Active Third-Harmonic InjectionMatrix Converter,H3IMC)是MC的一种新型拓扑,拓扑包含具有三次谐波注入电路的三相不控整流级(H3C)与电压型逆变级(VSC),如图1所示。H3IMC没有直流母线储能元件,继承了传统MC相对于传统的背靠背变换器在体积、重量和可靠性上的优势。此外,相对于传统MC,H3IMC还具有以下显著优点:
1)两级变换器控制上解耦,无需传统MC因输入和输出耦合要求严格的协同配合控制策略,降低了调制算法实现的复杂性;
2)虽然增加了元件,但其H3C比传统MC中整流级承受更小的电流应力,从而具有更高的可靠性和效率;
3)H3C交流侧电流高次谐波含量更少,有利于减轻滤波器设计的压力;同时,其直流母线电压为平滑的六脉波,电磁兼容性更好;
4)更重要的是,H3IMC的电压约束关系为:
为适应分布式发电系统等输入电压较低的场合,实现升压发电具有实用价值。由拓扑所限制,H3IMC的功率由H3C流向VSC时,即正向运行时,最大电压传输比为0.866,得益于双向功率流动性质,H3IMC的功率由VSC流向H3C时,即反向运行时,电压传输比可高于1/0.866,从而为负载提供较高的电压。文献(L.Xiong,Loh P C,W.Peng,et al,“Distributedgeneration using indirect matrix converter in reverse powermode”IEEE Transactions on Power Electronics.,vol.28,no.3,pp.1072-1082,2012)针对传统MC的反向运行状态采用了恒端电压闭环控制和变换器输入电流闭环控制策略,并对发电系统接负载和并网运行这两种工况分别进行了研究(L.Xiong,Loh P C,B.F,et al,“Loadsharingusing droop control for parallel operation of matrixconverters asdistributed generator interfaces in isolatedmode”2012IEEE Energy ConversionCongress and Exposition,pp.962-968,Raleigh,NC,2012和L.Xiong,W.Peng,Loh P C,etal,“Distributedgeneration interface using indirect matrix converter in boostmode with controllable grid side reactivepower”Proceedings of IEEE Conferenceon Power and Energy,pp.59-64,Ho Chi Minh City,2012)。而对于H3IMC这种新型拓扑,还未有学者提出使其能反向升压发电的控制策略。与传统MC不同的是,H3IMC的H3C中的三次谐波注入功能提高了系统对无功功率的控制能力,使得输入电流控制可以有效的补偿输出滤波器吸收的无功功率。而传统MC的输入电流功率因数的控制范围为在负载较轻,特别是空载情况下,无法向输出侧提供滤波器吸收的无功功率。因此,一种基于升压运行状态的H3IMC的无功功率补偿技术具有实用价值。
针对这一问题,需要对H3IMC的反向运行进行研究,提出一种使得H3IMC稳定升压运行的控制策略,并对输出滤波器吸收的无功功率进行补偿,提高负载电压波形质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法,弥补了H3IMC反向升压发电运行控制方法的空缺,并对输出滤波器吸收的无功功率进行补偿,提高负载电压波形质量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法,将电压型交流源置于H3IMC的电压型变换级的交流侧,负载置于混合有源三次谐波注入变换级的交流侧;该方法包括如下步骤:
步骤1,设置混合有源三次谐波注入变换级交流侧的三相负载电压的参考值,并据此得到混合有源三次谐波注入变换级的开关信号;
步骤2,对混合有源三次谐波注入变换级交流侧的三相负载电压幅值进行闭环控制,得到闭环控制的控制器的输出值;
步骤3,将步骤2得到的闭环控制的控制器的输出值作为电压型变换级交流侧输入电流中的有功分量的参考值,即d轴电流,对d轴电流进行闭环控制;计算输出滤波器吸收的无功功率,再计算得到电压型变换级交流侧输入电流中的无功分量的参考值,即q轴电流,对q轴电流进行闭环控制;并对输出滤波器吸收的无功功率进行补偿;
步骤4,计算得到电压型变换级输入侧的功率,根据该功率设置三次谐波参考值,对三次谐波进行闭环控制,得到谐波注入桥臂开关管的开关信号。
作为本发明的一种优选方案,步骤3所述对输出滤波器吸收的无功功率进行补偿具体如下:
当空载时,需补偿的无功功率的计算公式为:
当非空载时,需补偿的无功功率的计算公式为:
作为本发明的一种优选方案,步骤3所述对输出滤波器吸收的无功功率进行补偿,从电压型变换级侧得到需补偿的无功功率的计算公式为:
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、本发明通过闭环控制,稳定调节负载电压,使其满足负载的电压等级需求。
2、本发明通过设置输入电流中的无功分量参考值,补偿输出滤波器吸收的无功功率,使得即使在空载条件下,保持负载电压波形良好。
附图说明
图1是本发明H3IMC正向运行系统拓扑结构图。
图2是H3C扇区划分与开关状态图。
图3是VSC电压矢量合成图。
图4是一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法框图。
图5是电源频率25-100Hz输入、负载侧仿真波形图,其中,(a)为25Hz,(b)为50Hz,(c)为75Hz,(d)为100Hz。
图6是电源频率25-100Hz、负载1000W-300W切换仿真波形图,其中,(a)为25Hz,(b)为50Hz,(c)为75Hz,(d)为100Hz。
图7是空载时加入无功补偿前后的输入、输出仿真波形图,其中,(a)为未加入无功补偿,(b)为加入无功补偿。
图8是空载时加入无功补偿前后的负载电压THD分析图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
H3IMC反向运行结构和传统发电结构功率流动的方向相反,其双向功率流动特性是由其拓扑结构本身决定的。通过控制策略在H3C和VSC之间交换功率时,拓扑结构提供了自然的功率流通路径,与调制策略无关,因此本发明反向运行结构的调制策略与传统发电结构调制策略相同,包括H3C的自然换流调制算法,和VSC的电压空间矢量调制算法。
反向运行时,根据H3C交流侧的参考电压的瞬时值大小,一个输出周期划分为六个扇区,电压瞬时值相同的时间点为扇区分界点,如图2所示。对于三相桥臂,根据自然换流方式控制其通断,例如在扇区1(ua>ub>uc)中开通Sap和Scn,其它扇区以此类推。对于谐波注入桥臂,通过调制其通断和电感Ly的滤波作用得到波形可控的准三次谐波电流,此谐波电流通过双向开关Say、Sby和Scy分别注入至输出端,即注入到输出三相电压瞬时绝对值最小相的电流中[10,11],例如在扇区1中开通Sby。
VSC采用电压空间矢量调制算法,六个开关的通断组合对应6个有效电压矢量(U1~U6),有效电压矢量将αβ平面分成6个扇区,如图3所示。在每个扇区,采用相邻有效矢量合成给定的电压矢量Ui。两个有效电压矢量的占空比dμ、dγ(按逆时针)可表示为:
其中θi为Ui的扇区角,mv为VSC的调制系数。
本发明所提的基于H3IMC反向升压运行系统的控制框图,如图4所示。总体控制思路为:设置三相负载电压的参考值,对负载电压幅值ULm进行闭环控制,控制器的输出作为输入电流d轴分量的参考值i* id,即负载电压外环与输入电流内环结构,得到VSC电压空间矢量调制所需控制信号θv、mv,此外采集输入电压、电流计算系统所需有功功率P*和无功功率Q*,计算得到H3C电路中注入谐波电流参考值i* L,闭环控制得到谐波注入桥臂开关管的开关信号。
Ⅰ、VSC控制方法
系统的采样电路采集输入侧的三相电压、电流,以输入电压为参考得到静止-旋转坐标系变换所需相角θi,对输入电压、电流进行坐标变换后得到输入电流d、q轴分量iid、iiq,并可计算得到系统所需有功功率P*和无功功率Q*,即:
Ⅱ、H3C控制方法
设置三相负载电压参考值u* La、u* Lb和u* Lc,根据图2所示的扇区划分,控制H3C侧的三相桥臂中上、下管和双向开关的通断。
采样电路采集三相负载电压,对其进行坐标变换,计算出负载电压幅值ULm,所设定的三相负载电压参考值u* La、u* Lb和u* Lc的幅值即负载电压幅值参考值U* Lm,两者作差输入PI控制器。由于H3IMC无中间储能元件,输入输出功率实时守恒,负载电压与输入电流的大小成正相关,因此可以设置PI控制器的输出为输入电流的d轴分量的参考值i* id。将VSC交流侧的输入电流d轴分量iid,与参考值i* id作差经过PI控制器得到VSC的调制信号umid,H3C侧有较强的无功功率控制能力,可以设置输入电流q轴分量参考值i* iq为任意值,同样地,与实际值iiq作差经过PI控制器得到调制信号umiq,d、q轴的电压调制信号umid和umiq再经过坐标变换与计算即可得到VSC电压空间矢量调制所需控制信号θv、mv。
为得到谐波注入桥臂中开关管的开关信号,将输入侧计算得到的有功功率参考值P*和无功功率参考值Q*用于计算谐波电流参考值i* L,以扇区1为例,将式(2)代入下式:
i* L与实际采样值iL作差后输入PI控制器,设置控制器输出为与谐波电流成正相关的电感两端电压值,从而得到桥臂中开关管的开关信号。
III、无功功率补偿
在本发明所提控制方法中,可以通过设定输入电流q轴参考值i* iq来向输出侧提供所需无功功率,以补偿滤波电感吸收的无功功率,达到提高输出电压、电流波形质量的作用。
以最极端情况,即空载,为例进行分析。空载时,三相输出电流全部流入滤波电感,根据所设定的负载电压角频率以及电感参数,可计算得到电感吸收的无功功率,即系统所需的无功功率Q*:
其中,U* Lm为所设定的负载电压幅值参考值,ω为负载电压角频率,Cf为输出滤波电容的容值。将式(4)代入式(2)后,d轴输入电压可以通过计算可知,因此可得输入电流q轴参考值i* iq。
当不是空载情况但负载较轻时,输出电流在阻感和电容两条支路上分流,若考虑此时电感上无功功率,则需调整式(4)为:
若计算发现在阻感支路上的分流较小,即电感上压降较小,可忽略电感上的无功功率,则计算无功功率参考值时仍使用式(4)即可。
图5的(a)、(b)、(c)、(d)分别展示了设置输入电源频率为25Hz、50Hz、75Hz和100Hz时的输入电压、电流和负载电压波形,可见负载电压和交流源电流三相对称,且具有较好的正弦度,保证系统可以正常反向运行。
图6的(a)、(b)、(c)、(d)为分别设置输入电源频率为25Hz、50Hz、75Hz和100Hz,负载功率在0.6s时从1000W切换至300W的动态仿真波形,从图中可以看出,系统从重载切至轻载时,经过短暂的动态过程之后负载电压幅值依旧能稳定在给定值100V,调制比没有达到限幅值,因此反向运行系统在轻载时仍然能获得较好的性能。
在负载电压恒定的控制策略下,考虑空载条件,对无功补偿方法的有效性进行验证,交流侧电压、电流和负载电压如图7的(a)、(b)所示,可见加入无功补偿方法后,三相负载电压正弦度明显提高,交流侧电流虽然较小,但正弦度也有一定程度的提升。对a相负载电压进行THD分析后发现,未对无功功率补偿时,THD高达10.81%,补偿后降低为2.27%,主要包含的5、7次谐波的含量明显降低,如图8所示。仿真结果验证了本技术的有效性和可行性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于混合有源三次谐波注入变换器的升压控制方法,其特征在于,所述混合有源三次谐波注入变换器由混合有源三次谐波注入变换级和电压型变换级串联而成,其中,混合有源三次谐波注入变换级的拓扑包括三相全控整流桥和三次谐波注入电路,电压型变换级的拓扑包括三相桥臂;当混合有源三次谐波注入变换器反向运行时,将电压型交流源置于H3IMC的电压型变换级的交流侧,负载置于混合有源三次谐波注入变换级的交流侧,功率从电压型变换级的交流侧流向混合有源三次谐波注入变换级的交流侧;该方法包括如下步骤:
步骤1,设置混合有源三次谐波注入变换级交流侧的三相负载电压的参考值,并据此得到混合有源三次谐波注入变换级的开关信号;
步骤2,对混合有源三次谐波注入变换级交流侧的三相负载电压幅值进行闭环控制,得到闭环控制的控制器的输出值;
步骤3,将步骤2得到的闭环控制的控制器的输出值作为电压型变换级交流侧输入电流中的有功分量的参考值,即d轴电流,对d轴电流进行闭环控制;计算输出滤波器吸收的无功功率,再计算得到电压型变换级交流侧输入电流中的无功分量的参考值,即q轴电流,对q轴电流进行闭环控制;并对输出滤波器吸收的无功功率进行补偿;
步骤4,计算得到电压型变换级输入侧的功率,根据该功率设置三次谐波参考值,对三次谐波进行闭环控制,得到谐波注入桥臂开关管的开关信号。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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