CN110190734A - 一种电力电子变流器的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子变流器的控制方法及装置，采用外环和电流内环的双闭环控制，所述电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环；还包括电流指令交叉解耦控制环节：将d轴电流指令值经过第一比例调节系数，叠加至q轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二比例调节系数，叠加至d轴电流内环的输出值上。本发明将现有技术中的电流采样交叉解耦控制环节变换为电流指令交叉解耦控制环节，或者在电流指令交叉解耦控制环节的基础上再增加电流指令前馈环节，或者在电流采样交叉解耦控制环节的基础上再增加电流指令前馈环节，在保证稳态时系统的控制精度的前提下，提高了电流动态响应速度，动态效果较优，满足了系统对电流快速响应特性的需求。

Description

一种电力电子变流器的控制方法及装置

技术领域

本发明属于电力电子变流器技术领域，具体涉及一种电力电子变流器的控制方法及装置。

背景技术

电网中电力电子设备越来越多，应用的场合也越来越广。例如，变电站，直流输电等等。对于电力电子变流器，通常采用的控制方法为在dq坐标系下的双闭环控制，即采用外环和电流内环的双闭环控制，其外环可为：直流电压外环、有功功率外环、无功功率外环和交流电压外环等。其电流内环控制框图如图1所示，包括电流采样交叉解耦控制环节：将d轴电流采样值经过-ωL，叠加至q轴电流内环的输出值上；将q轴电流采样值经过ωL，叠加至d轴电流内环的输出值上。其中，L为变流器交流侧等效电感，ω为电网角频率。

这种控制方法，只能通过调大电流调节器的参数来改善电流的动态响应速度，甚至调大参数也满足不了系统对电流动态快速响应的需求，而且参数调大也带来一些负面影响，如容易引起控制不稳定，超调过大等。对高性能的系统来说，如电弧炉，电网暂态快速无功支撑等，快速的动态响应是最重要的，该控制方法的特性还满足不了系统需求。

发明内容

本发明提供了一种电力电子变流器的控制方法，用以解决现有技术的电力电子变流器的控制方法的电流响应跟踪速度慢的问题；本发明还提供了一种电力电子变流器的控制装置，用以解决现有技术的电力电子变流器的控制方法的电流响应跟踪速度慢的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：

本发明提供了一种电力电子变流器的控制方法，采用外环和电流内环的双闭环控制，所述电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环；还包括电流指令交叉解耦控制环节：将d轴电流指令值经过第一比例调节系数，叠加至所述q轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二比例调节系数，叠加至所述d轴电流内环的输出值上。

其有益效果：该方法将现有技术中的电流采样交叉解耦控制环节变换为电流指令交叉解耦控制环节，在保证稳态时系统的控制精度的前提下，提高了电流动态响应速度，动态效果较优，便于工程实现和推广。

作为方法的进一步改进，为了补偿电流动态变化时电感对电流的阻尼作用以进一步提高电流的响应速度，还包括电流指令前馈环节：将d轴电流指令值经过第一指令前馈系数，叠加至d轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二指令前馈系数，叠加至q轴电流内环的输出值上。

作为方法的进一步改进，为了进一步提高动态响应速度，所述第一比例调节系数为-ωL，所述第二比例调节系数为ωL，L为变流器交流侧等效电感，ω为电网角频率。

作为方法的进一步改进，为了进一步提高动态响应速度，所述第一指令前馈系数为-kLdi_d1 ^*/dt，所述第二指令前馈系数为-kLdi_q1 ^*/dt，k为调节系数，L为变流器交流侧等效电感，di_d1 ^*/dt为d轴电流指令值的变化率，di_q1 ^*/dt为q轴电流指令值的变化率。

本发明还提供了一种电力电子变流器的控制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述电力电子变流器的控制方法，并能够达到与方法相同的效果。

本发明还提供了一种电力电子变流器的控制方法，采用外环和电流内环的双闭环控制，所述电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环；还包括电流采样交叉解耦控制环节和电流指令前馈环节，所述电流指令前馈环节为：将d轴电流指令值经过第一指令前馈系数，叠加至d轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二指令前馈系数，叠加至q轴电流内环的输出值上。

其有益效果：该方法在现有的采用电流采样交叉解耦控制环节的双闭环控制的基础上，增加了电流指令前馈环节，以在保证稳态时系统控制精度的前提下，当电流指令变化时，电流指令前馈环节能够补偿动态变化时电感对电流的阻尼作用，提高动态变化时电流的响应速度，便于工程实现和推广。

作为方法的进一步改进，为了进一步提高动态响应速度，所述第一指令前馈系数为-kLdi_d1 ^*/dt，所述第二指令前馈系数为-kLdi_q1 ^*/dt，k为调节系数，L为变流器交流侧等效电感，di_d1 ^*/dt为d轴电流指令值的变化率，di_q1 ^*/dt为q轴电流指令值的变化率。

本发明还提供了一种电力电子变流器的控制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述电力电子变流器的控制方法，并能够达到与方法相同的效果。

附图说明

图1是现有技术中的电力电子变流器的控制方法的控制框图(只包括电流采样交叉解耦控制环节)；

图2是本发明的方法实施例1的电力电子变流器的控制方法的控制框图(只包括电流指令交叉解耦控制环节)；

图3是本发明的方法实施例2的电力电子变流器的控制方法的控制框图(包括电流指令交叉解耦控制环节和电流指令前馈环节)；

图4是本发明的方法实施例3的电力电子变流器的控制方法的控制框图(包括电流采样交叉解耦控制环节和电流指令前馈环节)；

图5-1是本发明的方法实施例2的无功电流指令由0.1pu阶跃到1pu时电流指令/电流的仿真波形图；

图5-2是本发明的方法实施例2的无功电流指令由0.1pu阶跃到1pu时模块最高、最低电压的仿真波形图；

图5-3是本发明的方法实施例2的无功电流指令由-0.1pu阶跃到-1pu时电流指令/电流的仿真波形图；

图5-4是本发明的方法实施例2的无功电流指令由-0.1pu阶跃到-1pu时模块最高、最低电压的仿真波形图。

具体实施方式

方法实施例1：

该实施例提供了一种电力电子变流器的控制方法，其控制框图如图2所示，SPWM左侧是电流内环的闭环控制，电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环，这里的d轴、q轴即为直轴、交轴，一般也被叫做有功轴、无功轴；SPWM右侧是在变流器输出电压和电网电压共同作用的电感电流框图。该实施例的方法主要针对SPWM左侧的控制部分进行改进。

为了提高动态响应速度，增加了电流指令交叉解耦控制环节：将d轴电流指令值i_d1 ^*经过第一比例调节系数-ωL，叠加至q轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值i_q1 ^*经过第二比例调节系数ωL，叠加至d轴电流内环的输出值上。其中，L为变流器交流侧等效电感，ω为电网角频率。

原理分析如下：

变流器在dq轴系下的数学模型如下式(1)所示：

式中，u_gd1和u_gq1为电网电压d轴和q轴分量，u_cd1和u_cq1为变流器输出交流电压的d轴和q轴分量，R为变流器交流侧等效电感的等效电阻，L为变流器交流侧等效电感，i_d1和i_q1为变流器输出交流电流的d轴和q轴分量，和为d轴和q轴电流的变化率，ω为电网角频率。

采用电流指令交叉解耦控制环节后，实现了解耦控制，如式(2)所示：

式中，i_d1 ^*和i_q1 ^*为d轴和q轴电流指令值，为电流比例积分调节器，k_p1为比例系数，k_i1为积分系数。

将式(2)代入式(1)，得到：

在该实施例中，第一比例调节系数为-ωL、第二比例调节系数为ωL，作为其他实施方式，这两个比例调节系数可根据实际情况进行调整。

方法实施例2：

为了进一步增加动态响应速度，在方法实施例1的基础上做了进一步改进，提供了一种电力电子变流器的控制方法，其控制框图如图3所示。

从图3中可以看出，还增加了电流指令前馈环节：将d轴电流指令值i_d1 ^*经过第一指令前馈系数-kLdi_d1 ^*/dt，叠加至d轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值i_q1 ^*经过第二指令前馈系数-kLdi_q1 ^*/dt，叠加至q轴电流内环的输出值上。其中，k为调节系数，取值范围为0.9～1.1，L为变流器交流侧等效电感，di_d1 ^*/dt为d轴电流指令值的变化率，di_q1 ^*/dt为q轴电流指令值的变化率。

该控制方法在保证稳态时系统控制精度的前提下，加入电流指令前馈环节，当电流指令变化时，电流指令前馈环节能够补偿动态变化时电感对电流的阻尼作用，提高动态变化时电流的响应速度，使系统达到快速响应的目的。

在得到公式(3)后，考虑动态变化时电感对电流的阻尼作用，加入电流指令前馈环节，由于在变流器的交流侧等效电感参数实际值与设计值可能会出现一些偏差，因此增加调节系数k，以补偿电感参数实际值与设计值的偏差，加入电流指令前馈环节后的数学模型如式(4)所示：

将式(4)代入式(1)，得到：

下面将该方法应用于具体实例中。以一个10kV/4Mvar的链式STATCOM系统为例进行仿真，仿真电流指令斜率设定为5ms/pu，调节系数为1.1。

对采用基于电流指令交叉解耦控制环节和电流指令前馈环节的控制方法进行仿真，当无功指令由0.1pu阶跃到1pu的仿真波形如图5-1、5-2所示，当无功指令由-0.1pu阶跃到-1pu时的仿真波形如图5-3、5-4所示，动态无功响应时间均小于5ms，动态性能较优。

该实施例中，第一指令前馈系数为-kLdi_d1 ^*/dt，第二指令前馈系数为-kLdi_q1 ^*/dt，作为其他实施方式，这两个指令前馈系数可根据实际情况进行调整。

方法实施例3：

该实施例提供了一种电力电子变流器的控制方法，其控制框图如图4所示。该控制方法采用外环和电流内环的双闭环控制策略，电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环。

在现有的包括采样交叉解耦控制环节的控制方法的基础上，增加了电流指令前馈环节：将d轴电流指令值i_d1 ^*经过第一指令前馈系数-kLdi_d1 ^*/dt，叠加至d轴电流内环的输出值上，以将有功轴的电感电流动态压降直接前馈至有功轴输出值上；将q轴电流指令值i_q1 ^*经过第二指令前馈系数-kLdi_q1 ^*/dt，叠加至q轴电流内环的输出值上，以将无功轴的电感电流动态压降直接前馈至无功轴输出值上。其中，k为调节系数，取值范围为0.9～1.1，L为变流器交流侧等效电感，di_d1 ^*/dt为d轴电流指令值的变化率，di_q1 ^*/dt为q轴电流指令值的变化率。

该电流指令前馈环节的设置，在保证稳态时系统控制精度的前提下，当电流指令变化时，电流指令前馈环节能够补偿电流动态变化时电感对电流的阻尼作用，提高动态变化时电流的响应速度，使系统达到快速响应的目的，便于工程实现和推广。

该实施例中，第一指令前馈系数为-kLdi_d1 ^*/dt，第二指令前馈系数为-kLdi_q1 ^*/dt，作为其他实施方式，这两个指令前馈系数可根据实际情况进行调整。

上述各个方法实施例中的方法，均采用如图2右侧所示的电感电流框图，该电感电流框图是现有常规的电感电流框图，作为其他实施方式，也可以采用其他类型的电感电流方式。

装置实施例1：

该实施例提供了一种电力电子变流器的控制装置，该装置包括存储器和处理器，存储器和处理器之间直接或间接地电性连接以实现数据的传输或交互。这里的处理器可以是通用处理器，例如中央处理器CPU，也可以是其他可编程逻辑器件，例如数字信号处理器DSP，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现方法实施例1和方法实施例2中介绍的一种电力电子变流器的控制方法，由于方法实施例1和方法实施例2已对该方法做了详细说明，这里不再赘述。

装置实施例2：

该实施例提供了一种电力电子变流器的控制装置，该装置包括存储器和处理器，存储器和处理器之间直接或间接地电性连接以实现数据的传输或交互。这里的处理器可以是通用处理器，例如中央处理器CPU，也可以是其他可编程逻辑器件，例如数字信号处理器DSP，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现方法实施例3中介绍的一种电力电子变流器的控制方法，由于方法实施例3已对该方法做了详细说明，这里不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种电力电子变流器的控制方法，其特征在于，采用外环和电流内环的双闭环控制，所述电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环；

还包括电流指令交叉解耦控制环节：将d轴电流指令值经过第一比例调节系数，叠加至所述q轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二比例调节系数，叠加至所述d轴电流内环的输出值上。

2.根据权利要求1所述的电力电子变流器的控制方法，其特征在于，还包括电流指令前馈环节：将d轴电流指令值经过第一指令前馈系数，叠加至d轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二指令前馈系数，叠加至q轴电流内环的输出值上。

3.根据权利要求1所述的电力电子变流器的控制方法，其特征在于，所述第一比例调节系数为-ωL，所述第二比例调节系数为ωL，L为变流器交流侧等效电感，ω为电网角频率。

4.根据权利要求2所述的电力电子变流器的控制方法，其特征在于，所述第一指令前馈系数为-kLdi_d1 ^*/dt，所述第二指令前馈系数为-kLdi_q1 ^*/dt，k为调节系数，L为变流器交流侧等效电感，di_d1 ^*/dt为d轴电流指令值的变化率，di_q1 ^*/dt为q轴电流指令值的变化率。

5.一种电力电子变流器的控制方法，其特征在于，采用外环和电流内环的双闭环控制，所述电流内环包括d轴电流内环和q轴电流内环；

还包括电流采样交叉解耦控制环节和电流指令前馈环节，所述电流指令前馈环节为：将d轴电流指令值经过第一指令前馈系数，叠加至d轴电流内环的输出值上；将q轴电流指令值经过第二指令前馈系数，叠加至q轴电流内环的输出值上。

6.根据权利要求5所述的电力电子变流器的控制方法，其特征在于，所述第一指令前馈系数为-kLdi_d1 ^*/dt，所述第二指令前馈系数为-kLdi_q1 ^*/dt，k为调节系数，L为变流器交流侧等效电感，di_d1 ^*/dt为d轴电流指令值的变化率，di_q1 ^*/dt为q轴电流指令值的变化率。

7.一种电力电子变流器的控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～4任一项所述的电力电子变流器的控制方法。

8.一种电力电子变流器的控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求5或6所述的电力电子变流器的控制方法。