CN110061641B - 电网环境能量前端控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电网环境能量前端控制系统和控制方法，用于直流电源系统的控制，所述直流电源系统包括市电接入端，与市电接入端连接的三相整流单元，以及直流输出端；所述控制系统包括：电网电压采集单元、电网电流采集单元和控制板；控制板根据电网电压采集单元采集电压进行电压变换，根据电网电流采集的电流进行电流变换，根据上述变换所得值进行三次谐波抑制计算，获得谐波抑制计算输出，基于谐波抑制计算输出计算三相调制波，并根据三相调制波计算得整流整流单元控制信号，以控制直流电源系统IGBT单元的开闭。本发明了一种电网环境自适应的能量前端控制系统，可稳定调节电网输出，可保证在正常条件下和电网环境波动情况下，电网能量的稳定输出，保证供电品质。

Description

电网环境能量前端控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电网控制技术领域，具体涉及一种电网环境能量前端控制系统及控制方法。

背景技术

目前市面上普遍存在的直流稳压电源，侧重于输出稳定的直流电压，不具备电网和负载两者之间的能量管理，特别是当电网环境发生突变，例如网压剧烈波动、电网电压严重畸变、网压不平衡、电网缺相时，传统的直流稳压电压就不能输出稳定的直流电压，缺乏电网环境自适应的功能，甚至会对电网的供电品质造成影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电网环境能量前端控制系统和控制方法，用于控制电网能量的稳定输出，保证直流稳压电源的供电品质。

电网环境能量前端控制系统，用于直流电源系统的控制，所述直流电源系统包括市电接入端，与市电接入端连接的三相整流单元，以及直流输出端；所述控制系统包括：

电网电压采集单元：包括设置在U相与V相之间的第一电压传感器，设置在V相与W相之间的第二电压传感器，设置在U相与W相之间的第三电压传感器和设置在直流输出端的第四电压传感器；

电网电流采集单元：包括设置在U相上的第一电流传感器，设置在V相上的第二电流传感器和设置在W相上的第三电流传感器；

控制板，包括：

电网电压变换单元：用于根据电网电压采集信号变换得两相静止坐标系下的电网电压、两相静止坐标系下电网电压的正序分量和负序分量，以及电网电压角频率及U相电压相位；

电网电流变换单元：用于根据电网电流采集信号及U相电压相位变换计算两相静止坐标系下的电网电流值，并进一步计算同步旋转坐标系下的电网电流值；

谐振抑制计算单元：包括第一谐振抑制器、第二谐振抑制器和第三谐振抑制器，所述第一谐振抑制器输入端接入电网直流母线电压给定值信号和直流母线电压采集信号，并进行谐振抑制计算输出；所述第二谐振抑制器输入第一谐振抑制器的输出信号和电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流计算信号，并进行谐振抑制计算输出；所述第三谐振抑制器输入电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值i_q-ref与电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流计算信号，并进行谐振抑制计算输出；

SVPWM脉冲调制单元：用于根据第二谐振抑制器的输出信号、第三谐振抑制器的输出信号，以及U相电压相位信号，计算三相调制波；

整流控制信号计算单元：用于根据SVPWM脉冲调制单元的输出信号和预设高频三角波比较，输出三相整流单元控制信号；所述三相整流单元控制信号经驱动板传递至三相整流单元，用以控制IGBT的开闭。

作为优选，控制系统进一步包括缺相检测板，所述缺相检测板输入端连接电网电压输入信号，并在电网发生缺相故障时生成缺相信号输出至控制板；所述控制板进一步包括缺相控制单元：用于在检测到缺相信号时暂停输出三相整流单元控制信号。

作为优选，控制板进一步包括相序检测控制单元，用以根据电网电压采集信号生成相序检测信号，并在相序错误时，对电网U相电流和V相电流进行重新赋值。

作为优选，控制系统进一步包括用于采集控制板温度的温度传感器，以及与驱动板连接的散热风机；所述控制板获取温度传感器的检测信号，并可根据温度信号的高低生产风机驱动信号。

本发明还提供一种电网环境能量前端控制方法，包括以下步骤：

S1：采集电网三相电压，变换得到两相静止坐标系下的电网电压u_α、u_β；

其中，u_α、u_β为两相静止坐标系下的电网电压值；

S2：基于两相静止坐标系下的电网电压，计算两相静止坐标系下电网电压的正序分量与负序分量

其中，

为两相静止坐标系下，电网α轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网α轴的负序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的负序电压；

S3：对电网电压的正序分量进行锁相处理，得到电网电压的角频率ω和U相电压相位θ；

S4：基于电流采样值、U相电压相位θ，计算两相静止坐标系下的电网电流值i_α、i_β，并进一步计算同步旋转坐标系下的电网电流值i_d和i_q；

其中，i_α为两相静止坐标系下的电网α轴电流；i_β为两相静止坐标系下的电网β轴电流；i_d为电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流；i_q为电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流；

S5：SVPWM脉冲调制单元基于第二谐振抑制器的输出、第三谐振抑制器的输出以及U相电压相位θ，计算脉冲调制波；

S6：将脉冲调制波和预设的高频三角波进行比较，计算得三相整流单元的调制控制信号。

作为优选：计算两相静止坐标系下，电网电压正序分量的方法为：

对u_α进行滤波处理，得到u′_α；对u_α进行滤波和变相处理，得到u′_qα；对u_β进行滤波处理，得到u′_β；对u_β进行滤波和变相处理，得到u′_qβ；

在得到u′_α,u′_qα,u′_β,u′_qβ后，依据下式得到两相静止坐标系下，电网电压的正序分量与负序分量：

作为优选：脉冲调制波的计算方法为：

谐振抑制器的传递函数为：

其中：k_p为比例增益；k_{r_100}为100Hz谐振比例增益；k_{r_300}为300Hz谐振比例增益；ω_c为品质因子；ω_{res_100}为100Hz谐振角频率；ω_{res_300}为300Hz谐振角频率。

在控制单元内预先设置电网直流母线电压给定值u_{dc_ref}，u_{dc_ref}与直流母线电压采集值进行比较，作为第一谐振抑制单元的输入，进行第一次谐波抑制运算；

第一谐振抑制单元的输出与电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流相比较，作为第二谐振抑制单元的输入；

第二谐振抑制单元的输出与u_d-i_qωL相叠加，作为SVPWM脉冲调制单元的第一输入；

电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值i_q-ref与电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流计算值i_q相比较，作为第三谐振抑制单元的输入；

第三谐振抑制单元的输出与u_q+i_dωL相叠加，作为SVPWM脉冲调制单元的第二输入；

电网U相电压的相位θ作为SVPWM脉冲调制单元的第三输入；

SVPWM脉冲调制单元基于第一输入、第二输入和第三输入，计算脉冲调制波。

作为优选：所述控制方法进一步包括以下步骤：

计算电网电压的不平衡度：

根据电网电压不平衡度ε_v来计算k_{r_100}，k_{r_100}的计算方法为：k_{r_100}＝10·ε_v。

作为优选：所述控制方法进一步包括以下步骤：在电网发生缺相故障时，缺相检测板发出脉冲信号给控制板，控制板停止对三相整流单元输出三相整流单元控制信号。

作为优选：所述控制方法进一步包括以下步骤：当电网电压相序发生错误时，将U相电流检测值进行AD转换后，赋值给V相电流，将V相电流检测值进行AD转换后，赋值给U相电流。

作为优选：所述控制方法进一步包括以下步骤：当检测到控制板温度超过设定值时，启动风机散热。

本发明提供的电网环境能量前端控制系统及方法的有益效果在于：

1.本发明了一种电网环境自适应的能量前端控制系统，可稳定调节电网输出，具有电网自适应功能，可保证在正常条件下和电网环境波动情况下，电网能量的稳定输出，保证供电品质。

2.设计了一种谐振抑制器，用谐振抑制器取代传统的PI调节器。能够提高闭环负反馈控制的响应速度，同时保证闭环无静差控制，而且可扩展性强，可以依据不同的电网环境，增加相应频率的谐振抑制环节。在谐振抑制器中加入了谐振抑制环节，可有效抑制电网电流中的谐波分量。

3.实现了对电网电压的正序分量和负序分量的准确提取，然后对提取出的电网电压正序分量进行锁相。相较于传统的锁相方法，这种首先提取出正序分量，再对正序分量进行锁相的方法，可以在电网电压发生严重畸变、不平衡、网压波动等情况时，依然能够保证很高的锁相精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电网环境能量前端控制系统的结构原理图；

图2为本发明电网环境能量前端控制系统的控制算法流程图；

图3为三阶积分法计算电网电压正序分量和负序分量原理图；

图4为锁相算法的原理图；

图5为电网环境能量前端控制系统谐振抑制闭环控制算法原理图；

图6为电网环境能量前端控制系统工作在有源逆变模式时应用示意图；

图7为电网环境能量前端控制系统工作在升压整流模式(空载)时的试验波形图；

图8为电网环境能量前端控制系统工作在升压整流模式(满载)时的试验波形图；

图9为电网环境能量前端控制系统工作在有源逆变模式(空载)时的试验波形图；

图10为电网环境能量前端控制系统工作在有源逆变模式(满载)时的试验波形图；

其中：1-电网U相电流；2-直流母线电压；3-电网UV线电压；4-直流母线电流；5-电网V相电流；6-电机定子电流。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，不用于暗指相对重要性。

本发明首先提供一种电网环境能量前端控制系统，用于直流电源系统的控制。

参考图1，直流电源系统的主回路包括市电接入端(用于接入三相市电)，与市电接入端连接的三相整流单元，以及直流输出端；在三相整流单元和市电输入端之间还可以设置有滤波电感和预充电电路等，在直流输出端还设置有支撑电容、放电电阻等，这属于现有技术，此处不再赘述。

控制系统包括：

电网电压采集单元：包括设置在U相与V相之间的第一电压传感器，用于采集U相与V相之间的电压；设置在V相与W相之间的第二电压传感器，用于采集V相与W相之间的电压；设置在U相与W相之间的第三电压传感器，用于采集U相与W相之间的电压；设置在直流输出端的第四电压传感器，用于采集直流输出电压；

电网电流采集单元：包括设置在U相上的第一电流传感器，用于采集U相电流；设置在V相上的第二电流传感器，用于采集V相电流；设置在W相上的第三电流传感器，用于采集W相电流；

控制板：本实施例中，控制板采用DSP板，所述控制板包括：

电网电压变换单元：用于根据电网电压采集信号变换得两相静止坐标系下的电网电压、两相静止坐标系下电网电压的正序分量和负序分量，以及电网电压角频率及U相电压相位；

电网电流变换单元：用于根据电网电流采集信号及U相电压相位变换计算两相静止坐标系下的电网电流值，并进一步计算同步旋转坐标系下的电网电流值；

谐振抑制计算单元：包括第一谐振抑制器、第二谐振抑制器和第三谐振抑制器，所述第一谐振抑制器输入端接入电网直流母线电压给定值信号和直流母线电压采集信号，并进行谐振抑制计算输出；所述第二谐振抑制器输入第一谐振抑制器的输出信号和电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流计算信号，并进行谐振抑制计算输出；所述第三谐振抑制器输入电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值i_q-ref与电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流计算信号，并进行谐振抑制计算输出；

SVPWM脉冲调制单元：用于根据第二谐振抑制器的输出信号、第三谐振抑制器的输出信号，以及U相电压相位信号，计算三相调制波；

整流控制信号计算单元：用于根据SVPWM脉冲调制单元的输出信号和预设高频三角波比较，输出三相整流单元控制信号；所述三相整流单元控制信号经驱动板传递至三相整流单元，用以控制IGBT的开闭。

当电网发生单相缺相故障或者两相缺相故障时，如果不及时调整控制策略，不能保证直流电源系统正常工作。基于此，控制系统进一步包括缺相检测板，所述缺相检测板输入端连接电网电压输入信号，并在电网发生缺相故障时生成缺相信号输出至控制板；所述控制板进一步包括缺相控制单元：用于在检测到缺相信号时暂停输出三相整流单元控制信号。

当电网发生相序错误时，如果不调整控制策略，将不能保证稳定的直流输出，基于此，控制板进一步包括相序检测控制单元，用以根据电网电压采集信号生成相序检测信号，并在相序错误时，对电网U相电流和V相电流进行重新赋值。

同时，考虑到温度对电子器件的影响，控制系统进一步包括用于采集控制板温度的温度传感器，以及与驱动板连接的散热风机；控制板获取温度传感器的检测信号，并可根据温度信号的高低生产风机驱动信号，启动风机散热。

基于上述的控制系统，本发明进一步提供一种电网环境能量前端控制方法，具体包括以下步骤：

S1：采集电网三相电压，变换得到两相静止坐标系下的电网电压；

其中，u_α、u_β为两相静止坐标系下的电网电压值；u_UV为电网UV线电压的瞬时值，可通过第一电压传感器采集获得，u_VW为电网VW线电压的瞬时值，可通过第二电压传感器采集获得，u_WU为电网WU线电压的瞬时值，可通过第三电压传感器采集获得；

S2：计算两相静止坐标系下，电网电压的正序分量与负序分量

其中，

为两相静止坐标系下，电网_α轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网α轴的负序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的负序电压；

参考图3，具体计算方法如下：

其中，H_d(s),H_q(s)为三阶积分法的两个相互正交的传递函数；k为比例系数；ω_ref为角频率基准值，本实施例中，采用的为100π；T_S为电网电压的采样周期；z^-1为单位延迟算子；z^-2为两个单位延迟算子相乘，z^-3为三个单位延迟算子相乘。

将两相静止坐标系下的电网电压u_α作为第一组三阶积分单元H_d(s)、H_q(s)的输入，u_β作为第二组三阶积分单元H_d(s)、H_q(s)的输入，第一组三阶积分单元H_d(s)的输出为u′_α、H_q(s)的输出为u′_qα，第二组三阶积分单元H_d(s)的输出为u′_β、H_q(s)的输出为u′_qβ。联立式(2)、(3)，即可得到图2中的u′_α,u′_qα,u′_β,u′_qβ。其中：u′_α与u_α同相，且滤除了u_α中偏离50Hz的杂波分量；u′_qα与u_α在相位上滞后90°，且滤除了u_α中偏离50Hz的杂波分量；u′_β与u_β同相，且滤除了u_β中偏离50Hz的杂波分量；u'_qβ与u_β在相位上滞后90°，且滤除了u_β中偏离50Hz的杂波分量。

在得到u′_α,u′_qα,u′_β,u′_qβ后，依据式(4)得到两相静止坐标系下，电网电压的正序分量与负序分量：

式(4)中：

为两相静止坐标系下，电网α轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网α轴的负序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的负序电压。

S3：对电网电压的正序分量进行锁相处理，得到电网电压的角频率ω和U相电压相位θ；

参考图4，图4中：

为同步旋转坐标系(dq轴系)下，电网d轴电压的正序分量；

为同步旋转坐标系(dq轴系)下，电网q轴电压的正序分量；ω为电网电压角频率；θ为电网U相电压的相位。

参考图4，对两相静止坐标系下的电网电压的正序分量进行锁相的步骤为：

1).对

按照式(5)进行Park变换，得到同步旋转坐标系下的电网电压值：

式(5)中，θ即为图4中的电网U相电压的相位。

2).为电网q轴电压的正序分量设定给定值，本实施例中该给定值Ref为0，反馈值为

两者作差，得到的偏差给PI调节器，再用100π减去PI调节器的输出值，得到的就是电网电压的角频率ω；

3).对ω按照采样周期T_S作积分，得到电网U相电压的相位θ。

S4：基于电流采样值，变换计算两相静止坐标系下的电网电流值，并进一步计算同步旋转坐标系下的电网电流。

电网相电流由第一电流传感器TA1、第二电流传感器TA2和第三电流传感器TA3检测获得，控制单元上设置有电流信号采集接口，采集上述3个电流传感器的输出信号，经过控制板上DSP芯片的AD转换得到电网相电流的瞬时值，然后按照式(6)，经过Clark变换得到两相静止坐标系下的电网电流：

式(6)中：i_a、i_b和i_c分别为电网U相电流、电网V相电流、电网W相电流；i_α为两相静止坐标系下的电网α轴电流；i_β为两相静止坐标系下的电网β轴电流。

再基于式(7)，对两相静止坐标系下的电网电流进行Park变换，得到同步旋转坐标系下的电网电流：

式(7)中：i_d为电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流；i_q为电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流；θ即为图4中的电网U相电压的相位。

S5：计算脉冲调制波。

图5所示为脉冲调制波计算方法原理图，与传统的PID算法不同，本发明提供了一种基于谐振抑制器的脉冲调制波生成方法。

第四电压传感器TV4采集直流输出端的直流母线电压，并输出至控制单元的控制板，经过控制板上DSP芯片的AD转换得到直流母线电压瞬时值。

图5中，u_{dc_ref}为直流母线电压给定值，i_q-ref为电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值；u_dc为直流母线电压采集值；u_d为同步旋转坐标系下的电网d轴电压，u_q为同步旋转坐标系下的电网q轴电压，ω为电网电压的角频率，L为图1中的储能电感的感值；T_a，T_b，T_c为经过SVPWM调制后的三相脉冲调制波。其他变量的含义如前所述。

图5中，包括第一谐振抑制器、第二谐振抑制器和第三谐振抑制器，其中，谐振抑制器的传递函数为：

式(8)中：k_p为比例增益；k_{r_100}为100Hz谐振比例增益；k_{r_300}为300Hz谐振比例增益；ω_c为品质因子；ω_{res_100}为100Hz谐振角频率；ω_{res_300}为300Hz谐振角频率。

在控制单元内预先设置电网直流母线电压给定值u_{dc_ref}，u_{dc_ref}与直流母线电压采集值进行比较，作为第一谐振抑制器的输入，进行第一次谐振抑制运算；

第一谐振抑制器的输出与电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流i_d相比较，作为第二谐振抑制器的输入；

第二谐振抑制器的输出与u_d-i_qωL相叠加，作为SVPWM脉冲调制单元的第一输入；

电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值i_q-ref与电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流计算值i_q相比较，作为第三谐振抑制器的输入；

第三谐振抑制器的输出与u_q+i_dωL相叠加，作为SVPWM脉冲调制单元的第二输入；

电网U相电压的相位θ作为SVPWM脉冲调制单元的第三输入；

SVPWM脉冲调制单元的基于第一输入、第二输入和第三输入，计算脉冲调制波。

采用谐振抑制器来取代传统的PI调节器，既能实现闭环无静差控制，又能有效抑制因电网电压不平衡导致的电网电流2次(100Hz)谐波，还可以抑制电网电流的5次(250Hz)和7次(350Hz)谐波。式(8)中，ω_{res_100}＝200πrad/s，ω_{res_300}＝600πrad/s。

电网电压的谐波分量主要是5次(250Hz)和7次(350Hz)，当能量前端控制系统接入这样的电网运行时，电网电流也会出现5次(250Hz)和7次(350Hz)谐波分量。为了抑制电网电流的5次和7次谐波，如式(8)所示，采用了300Hz谐振抑制器，谐波抑制效果明显。此外，控制板实时采集电网电流值，然后通过快速傅里叶变换得到电网电流的频谱，依据频谱确定谐波成分，然后基于谐波成分在式(8)的基础上增加相应的谐振抑制器。

为了限制装置的启动电流，设计了启动电流抑制算法，即当u_dc≤0.9u_{dc_ref}时，图5中第一谐振抑制器(电压外环谐振抑制器)的输出被强制限制在±0.05，当u_dc>0.9u_{dc_ref}，第一谐振抑制器(电压外环谐振抑制器)的输出限幅被打开。

S6：基于脉冲调制波，计算整流单元的调制控制信号。

控制单元内预设高频三角波，步骤S5中计算获得的三相调制波与DSP芯片内置的高频三角波(载波)相比较，得到整流单元的驱动信号，即图1中三相可控整流桥的6个IGBT的驱动信号，驱动信号由控制板下发至驱动板，经过驱动板上的驱动电路放大后给图1中6个IGBT，驱动IGBT的开通与关断。

特别需要注意的是，能量前端控制系统不论工作在升压整流模式还是有源逆变模式，能量前端控制系统始终接在市电电网上，且控制方法都是按照图2所示流程图执行。当能量前端控制系统工作在有源逆变模式时，一种典型应用方式如图6所示。

如图6所示，当能量前端控制系统工作在有源逆变模式时，电网输入接口接市电电网，直流输出接口接变频器，变频器用来驱动一台负载电机，且变频器工作在恒转矩控制模式。负载电机的主轴与拖动电机的主轴通过联轴器连接。当拖动电机带动负载电机转动时，变频器工作在恒转矩控制模式，驱动电机工作在恒转矩运行状态，此时，能量的流动方向如图6所示，最终能量前端控制系统的控制效果是，在保证稳定输出直流母线电压的同时，负载电机发出的能量直接馈入市电电网。

同时，本发明所述的控制方法，还可以实现电网前端自适应控制。

电网电压不平衡故障时，计算电网电压的不平衡度，并根据电网电压的不平衡度调整谐振比例增益：

依据式(9)计算出电网电压的不平衡度：

电网电压不平衡导致会导致能量前端控制系统在接入电网运行时，电网电流的2次(100Hz)谐波分量显著增大，但是采用了谐振抑制器，可以有效抑制电网电流的2次谐波，并且依据计算出的电网电压不平衡度ε_v，实时调整式(8)中k_{r_100}的值，确保谐波抑制效果。k_{r_100}的取值依据式(10)进行：

k_{r_100}＝10·ε_v (10)

在电网发生缺相故障时，缺相检测板发出脉冲信号给控制板，控制板停止对三相整流单元输出三相整流单元控制信号。具体的说，当电网发生单相缺相故障或者两相缺相故障时，缺相检测板可以立即检测出电网发生了缺相故障，并立即输出一个占空比约60％，周期约68ms的脉冲信号给控制板，控制板接收到脉冲信号后，立即控制板停止输出脉冲信号给驱动板，装置停机，可以有效避免因缺相故障而导致电网电流发生过流现象，即保护了装置，也避免了对电网造成冲击。

当电网电压相序发生错误时，将U相电流检测值进行AD转换后，赋值给V相电流，将V相电流检测值进行AD转换后，赋值给U相电流。具体的说，依据图4所示锁相算法计算出的电网电压角频率ω会立刻变成一个负数，即ω＝-314rad/s，此时控制板需要在软件里将采集到的电网电流值做如下处理：控制板采集第一电流传感器TA1电流传感器的输出信号i_a，经过DSP芯片的AD转换后，将转换后的值赋给i_b；控制板采集TA2电流传感器的输出信号，经过DSP芯片的AD转换后，将转换后的值赋给i_a。这样就可以有效避免因相序错误而发生电网电流过流现象，且保证装置正常运行。

当能量前端控制系统接入市电电网时，图1中的滤波电容直接并联在三相进线上，导致电网电流会含有无功分量，从而降低电网侧的功率因数。设计了无功补偿算法来提高电网侧的功率因数，保证能量前端控制系统工作在升压整流模式时，电网侧的功率因数始终是1，而工作在有源逆变模式时，电网侧的功率因数是-1，即电网侧始终保持单位功率因数运行。在进行无功补偿时，对应于图5，i_{q_ref}的计算方法为：

式(11)中，C为图1中滤波电容的容值，其他变量的含义如前所述。由式(11)可以看出，电网电压的幅值发生波动时，可以依据坐标变换的结果自动调整无功补偿值，实现电网自适应无功补偿。

图7～图10为电网环境能量前端控制系统在各种工况下试验波形图。

图7所示为升压整流空载升压模式下试验波形图，从图7可见，直流母线电压2输出无波动，电网UV线电压3谐波分量小，可见，本发明提出的能量前端控制系统，可以保证稳定的直流电压输出，同时确保电网电压的高供电品质。

图8所示为升压整流满载模式下试验波形图，从图8可见，直流母线电压2和直流母线电流4都可稳定输出，电网V相电流5谐波分量小，没有明显波动。本发明提出的能量前端控制系统，可以保证稳定的直流输出，同时，有效抑制电网电流的谐波。

图9为有源逆变空载模式下试验波形图，从图9可见，直流母线电压2输出无波动，电网UV线电压3谐波分量小，可见，本发明提出的能量前端控制系统，可以保证稳定的直流电压输出，同时确保电网电压的高供电品质。

图10为有源逆变满载模式下试验波形图，可见直流母线电压2可稳定输出，电网U相电流1没有明显波动。可以看出本发明提出的能量前端控制系统，可以保证稳定的直流电压输出，同时有效抑制电网电流的谐波，且保证电网侧单位功率因数运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.电网环境能量前端控制系统，用于直流电源系统的控制，所述直流电源系统包括市电接入端，与市电接入端连接的三相整流单元，以及直流输出端；其特征在于，所述控制系统包括：

电网电压采集单元：包括设置在U相与V相之间的第一电压传感器，设置在V相与W相之间的第二电压传感器，设置在U相与W相之间的第三电压传感器和设置在直流输出端的第四电压传感器；

电网电流采集单元：包括设置在U相上的第一电流传感器，设置在V相上的第二电流传感器和设置在W相上的第三电流传感器；

控制板，包括：

电网电压变换单元：用于根据电网电压采集信号变换得两相静止坐标系下的电网电压u_α、u_β、两相静止坐标系下电网电压的正序分量和负序分量，以及电网电压角频率及U相电压相位；所述电网电压变换单元基于三阶积分法计算电网电压的正序分量和负序分量，方法为：

其中，H_d(s),H_q(s)为三阶积分法的两个相互正交的传递函数；k为比例系数；ω_ref为角频率基准值；T_S为电网电压的采样周期；z^-1为单位延迟算子；z^-2为两个单位延迟算子相乘，z^-3为三个单位延迟算子相乘；

将u_α作为第一组三阶积分单元H_d(s)、H_q(s)的输入；u_β作为第二组三阶积分单元H_d(s)、H_q(s)的输入；第一组三阶积分单元H_d(s)的输出为u′_α、H_q(s)的输出为u′_qα；第二组三阶积分单元H_d(s)的输出为u′_β、H_q(s)的输出为u′_qβ；

联立以上二式，即可得到u′_α,u′_qα,u′_β,u′_qβ；基于u′_α,u′_qα,u′_β,u′_qβ计算电网电压的正序分量和负序分量；其中，u′_α与u_α同相，且滤除了u_α中偏离50Hz的杂波分量；u′_qα与u_α在相位上滞后90°，且滤除了u_α中偏离50Hz的杂波分量；u′_β与u_β同相，且滤除了u_β中偏离50Hz的杂波分量；u′_qβ与u_β在相位上滞后90°，且滤除了u_β中偏离50Hz的杂波分量；

计算电网电压正序分量和负序分量的方法为：

对u_α进行滤波处理，得到u′_α；对u_α进行滤波和变相处理，得到u′_qα；对u_β进行滤波处理，得到u′_β；对u_β进行滤波和变相处理，得到u′_qβ；

在得到u′_α,u′_qα,u′_β,u′_qβ后，依据下式得到两相静止坐标系下，电网电压的正序分量与负序分量：

其中：

为两相静止坐标系下，电网α轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的正序电压；

为两相静止坐标系下，电网α轴的负序电压；

为两相静止坐标系下，电网β轴的负序电压；

电网电流变换单元：用于根据电网电流采集信号及U相电压相位变换计算两相静止坐标系下的电网电流值，并进一步计算同步旋转坐标系下的电网电流值；

谐振抑制计算单元：包括第一谐振抑制器、第二谐振抑制器和第三谐振抑制器，所述第一谐振抑制器输入端接入电网直流母线电压给定值信号和直流母线电压采集信号，并进行谐振抑制计算输出；所述第二谐振抑制器输入第一谐振抑制器的输出信号和电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流计算信号，并进行谐振抑制计算输出；所述第三谐振抑制器输入电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值与电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流计算信号，并进行谐振抑制计算输出；

SVPWM脉冲调制单元：用于根据第二谐振抑制器的输出信号、第三谐振抑制器的输出信号，以及U相电压相位信号，计算三相调制波；

整流控制信号计算单元：用于根据SVPWM脉冲调制单元的输出信号和预设高频三角波比较，输出三相整流单元控制信号；所述三相整流单元控制信号经驱动板传递至三相整流单元，用以控制IGBT的开闭。

2.如权利要求1所述的电网环境能量前端控制系统，其特征在于：所述控制系统进一步包括缺相检测板，所述缺相检测板输入端连接电网电压输入信号，并在电网发生缺相故障时生成缺相信号输出至控制板；所述控制板进一步包括缺相控制单元：用于在检测到缺相信号时暂停输出三相整流单元控制信号。

3.如权利要求1所述的电网环境能量前端控制系统，其特征在于：所述控制板进一步包括相序检测控制单元，用以根据电网电压采集信号生成相序检测信号，并在相序错误时，对电网U相电流和V相电流进行重新赋值。

4.如权利要求1所述的电网环境能量前端控制系统，其特征在于：所述控制系统进一步包括用于采集控制板温度的温度传感器，以及与驱动板连接的散热风机；所述控制板获取温度传感器的检测信号，并可根据温度信号的高低生产风机驱动信号。

5.电网环境能量前端控制方法，采用权利要求1至4中任意一项所述的电网环境能量前端控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集电网三相电压，变换得到两相静止坐标系下的电网电压u_α、u_β；

其中，u_α、u_β为两相静止坐标系下的电网电压值；

S2：对电网电压的正序分量进行锁相处理，得到电网电压的角频率ω和U相电压相位θ；

S3：基于电流采样值、U相电压相位θ，计算两相静止坐标系下的电网电流值i_α、i_β，并进一步计算同步旋转坐标系下的电网电流值i_d和i_q；

其中，i_α为两相静止坐标系下的电网α轴电流；i_β为两相静止坐标系下的电网β轴电流；i_d为电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流；i_q为电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流；

S4：SVPWM脉冲调制单元基于第二谐振抑制器的输出、第三谐振抑制器的输出以及U相电压相位θ，计算脉冲调制波；

S5：将脉冲调制波和预设的高频三角波进行比较，计算得三相整流单元的调制控制信号。

6.如权利要求5所述的电网环境能量前端控制方法，其特征在于：脉冲调制波的计算方法为：

谐振抑制器的传递函数为：

其中：k_p为比例增益；k_{r_100}为100Hz谐振比例增益；k_{r_300}为300Hz谐振比例增益；ω_c为品质因子；ω_{res_100}为100Hz谐振角频率；ω_{res_300}为300Hz谐振角频率；

在控制单元内预先设置电网直流母线电压给定值信号u_{dc_ref}，u_{dc_ref}与直流母线电压采集信号进行比较，作为第一谐振抑制器的输入，进行第一次谐波抑制运算；

第一谐振抑制器的输出与电网电流同步旋转坐标系下的电网d轴电流相比较，作为第二谐振抑制器的输入；

第二谐振抑制器的输出与u_d-i_qωL相叠加，作为SVPWM脉冲调制单元的第一输入；u_d为同步旋转坐标系下的电网d轴电压；

电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流给定值i_q-ref与电网电流同步旋转坐标系下的电网q轴电流计算值i_q相比较，作为第三谐振抑制器的输入；

第三谐振抑制器的输出与u_q+i_dωL相叠加，作为SVPWM脉冲调制单元的第二输入；u_q为同步旋转坐标系下的电网q轴电压；L为储能电感的电感值；

电网U相电压的相位θ作为SVPWM脉冲调制单元的第三输入；

SVPWM脉冲调制单元基于第一输入、第二输入和第三输入，计算脉冲调制波。

7.如权利要求6所述的电网环境能量前端控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括以下步骤：

计算电网电压的不平衡度：

根据电网电压不平衡度ε_v来计算k_{r_100}，k_{r_100}的计算方法为：k_{r_100}＝10·ε_v。

8.如权利要求5所述的电网环境能量前端控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括以下步骤：在电网发生缺相故障时，缺相检测板发出脉冲信号给控制板，控制板停止对三相整流单元输出三相整流单元控制信号。

9.如权利要求5所述的电网环境能量前端控制方法，其特征在于，所述控制方法进一步包括以下步骤：当电网电压相序发生错误时，将U相电流检测值进行AD转换后，赋值给V相电流，将V相电流检测值进行AD转换后，赋值给U相电流。

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