CN110492494A - 基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法 - Google Patents

基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其步骤为：首先，采样k时刻电压源变换器的交流侧电流和电网电压，并根据坐标变换后的交流侧电流和电网电压计算瞬时复功率；其次，根据设置的k时刻和k‑1时刻的瞬时功率参考值计算k+1时刻的瞬时功率参考值；然后，利用内模原理对瞬时功率参考值进行修正，并结合瞬时复功率计算k时刻的参考电压；最后，参考电压经空间矢量调制获得开关信号，作为k时刻的电压源变换器的输入，实现对电压源变换器瞬时功率的无差拍预测控制。本发明通过内模原理对电压源变换器的瞬时功率参考值进行修正，实现了瞬时功率的准确跟踪，改善了交流侧电流相位控制的精度。

Description

基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法
技术领域
本发明涉及电压源控制器功率控制技术领域，特别是指一种基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法。
背景技术
近年来，电压源变换器作为一种高性能的能量接口已被广泛应用于分布式可再生能源发电、交流调速和柔性交流输电等领域，电压源变换器的这一广泛应用归因于其具有双向能流控制、交流侧电流低谐波畸变以及无功功率灵活调节能力。
目前，电压源变换器的控制策略主要分为两类：电压定向控制和直接功率控制。其中，直接功率控制由于具有良好的暂态响应性能和高功率因数运行能力而受到了广泛关注。预测直接功率控制是直接功率控制的一个重要分支，它包括基于模型的预测直接功率控制和基于功率变化率的预测直接功率控制。基于功率变化率的预测直接功率控制在一个开关周期内由一个电压矢量序列完成变换器的控制，电压矢量序列的选择和序列中各矢量的执行时间由价值函数最小化决定。基于模型的预测直接功率控制则从变换器数学模型中求取对应功率变化量所需的变换器电压矢量。与基于功率变化率的方法相比，基于模型的预测直接功率控制具有更小的计算负担。
值得注意的是电压源变换器预测控制研究往往假设信号采样时刻和开关状态更新时刻为同一时刻，而这一假设在实际控制系统中是无法实现的，因为信号测量和算法执行不可避免地需要时间，从而产生时延。为解决时延带来的控制策略执行效果恶化问题，国内外学者进行了广泛的探索。文献[J.Hu.Improved dead-beat predictive DPC strategyof grid-connected DC–AC converters with switching loss minimization and delaycompensations[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2013,9(2):728–738.]利用采样时刻当前的开关电压序列及相应执行时间预测延时时间段内的瞬时功率变化量，并用于补偿功率估算误差。文献[B.Hu,L.Kang，J.Cheng,et al.Double-step modelpredictive direct power control with delay compensation for three-levelconverter[J].IET Power Electronics,2019,12(4):899-906.]基于时基计数器的值估算程序执行时间，并利用估算时间修正下一时刻实际瞬时功率。文献[1][Y.Tao,Q.Wu,L.Wang,et al.Voltage sensorless predictive direct power control of three-phase PWM converters[J].IET Power Electronics,2016,9(5):1009-1018.]提出了基于当前时刻瞬时功率跟踪误差的下一时刻功率指令修正方法，用于减小时延的影响。
除了时延问题，文献[2][A.Bouafia,J.P.Gaubert,F.Krim.Predictive directpower control of three-phase pulsewidth modulation(PWM)rectifier using space-vector modulation(SVM)[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(1):228–236.]提出的α-β坐标系下无差拍预测直接功率控制假设相邻采样时刻电网电压值相同，这一假设造成了瞬时功率计算误差。文献[Y.Zhang,C.Qu.Direct power control of apulse width modulation rectifier using space vector modulation underunbalanced grid voltages[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(10):5892–5901.]基于电网电压理想波形的假设计算瞬时复功率微分，进而离散化得到控制器模型，消除了上述电压相同假设带来的功率偏差。然而，理想电网电压假设是文献[Y.Zhang,C.Qu.Direct power control of a pulse width modulation rectifierusing space vector modulation under unbalanced grid voltages[J].IEEETransactions on Power Electronics,2015,30(10):5892–5901.]方法建立的基础，其限制了方法的推广。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出了一种基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，解决了时延和相邻采样时刻电压值相等假设带来的控制性能恶化的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其步骤如下：
S1、利用电流传感器和电压传感器分别采样k时刻的电压源变换器的交流侧电流ia、ib和电网电压eab、ebc，并通过坐标变换得到α-β坐标系下的电流iα(k)、iβ(k)和电压eα(k)、eβ(k)；
S2、根据步骤S1中的交流侧电流iα(k)、iβ(k)和电网电压eα(k)、eβ(k)计算k时刻的瞬时复功率s(k)；
S3、设置k时刻和k-1时刻的瞬时功率参考值，通过线性外插法计算k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)；
S4、基于内模原理引入积分运算，结合比例环节对k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)进行修正，得到最终的瞬时功率参考值p′ref(k+1)、q′ref(k+1)，再结合步骤S2中的瞬时复功率s(k)得到k时刻的参考电压uα(k)、uβ(k)；
S5、利用空间矢量调制技术将步骤S4中的参考电压uα(k)、uβ(k)转化为开关信号Sabc，并通过开关信号Sabc调控k时刻的电压源变换器的交流侧电压，实现对电压源变换器瞬时功率的无差拍预测控制。
所述步骤S1中的电压源变换器的交流侧电流ia、ib通过坐标变换得到α-β坐标系下的电流iα(k)、iβ(k)的方法为：
所述步骤S1中的电网电压eab、ebc通过坐标变换得到α-β坐标系下的电压eα(k)、eβ(k)的方法为：
所述步骤S2中的k时刻的瞬时复功率s(k)为：
s(k)＝(eα(k)iα(k)+eβ(k)iβ(k))+j(eβ(k)iα(k)-eα(k)iβ(k))，
其中，p(k)＝eα(k)iα(k)+eβ(k)iβ(k)为有功功率，q(k)＝eβ(k)iα(k)-eα(k)iβ(k)为无功功率。
所述步骤S3中根据线性外插法计算k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)的方法为：
其中，pref(k)、qref(k)分别为k时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值，pref(k-1)、qref(k-1)分别为k-1时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值。
利用内模原理对瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)进行修正，得到最终的瞬时功率参考值p′ref(k+1)、q′ref(k+1)的方法为：
其中，εp(k)＝pref(k)-p(k)，εq(k)＝qref(k)-q(k)，pref(k+1)、qref(k+1)分别为k+1时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值，p(k)为k时刻的有功功率，q(k)为k时刻的无功功率，为有功功率比例修正系数，为有功功率积分修正系数，为无功功率比例修正系数，为无功功率积分修正系数。
所述步骤S4中k时刻的参考电压uα(k)、uβ(k)的计算方法为：
其中，L为电感，Ts为采样周期。
本技术方案能产生的有益效果：本发明针对传统无差拍预测直接功率控制建模的假设进行分析，揭示了其与瞬时功率估计误差的相关性，进而影响其对瞬时功率控制的准确度；利用内模原理对传统方法的瞬时功率参考值进行修正，建立了新的直接功率控制方法；本发明通过新的直接功率控制方法能准确的实现瞬时功率的跟踪，改善了交流侧电流相位控制的精度，具有地区综合负荷功率因数调节的能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为本发明的结构示意图；
图2为图1的基于PI的无功功率参考指令修正框图；
图3为稳态下单位功率因数运行电网电压电流仿真波形；(a)基于文献[2]方法的仿真波形，(b)基于文献[1]方法的仿真波形，(c)基于本发明方法的仿真波形；
图4为稳态下电网瞬时功率仿真波形；(a)基于文献[2]方法的仿真波形，(b)基于文献[1]方法的仿真波形，(c)基于本发明方法的仿真波形；
图5为瞬时无功功率参考阶跃仿真波形；(a)瞬时功率的仿真波形，(b)电网电压、电流的仿真波形；
图6为本发明的电压源变换器的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了完成本发明的设计任务，首先对传统无差拍预测直接功率控制进行论述，电压源变换器的原理图如图6所示。图6中全控桥通过滤波器等效内阻R和电感L与电网连接。其直流侧根据不同的应用场景连接直流电源或负载。电压源变换器α-β坐标系下的数学模型为：
其中，e为电网电压矢量，i为电流矢量，u为变换器电压矢量。
基于复数概念的瞬时功率定义如式(2)所示，其中瞬时有功功率p和瞬时无功功率q分别为瞬时复功率s的实部和虚部：
s＝ei*＝p+jq (2)，
其中，上标i*表示电流矢量i的共轭矢量。在α-β坐标系下，瞬时复功率s可表示为：
s＝(eαiα+eβiβ)+j(eβiα-eαiβ) (3)。
采用文献[2]中的假设，即：考虑电压源变换器控制算法的采样周期Ts远小于电网周期，从而认为两相邻采样时刻电网电压值恒定(e(k)＝e(k+1))，则：
△s＝△p+j△q＝e△i* (4)，
式(4)的离散模型为：
s(k+1)-s(k)＝e(k)[i*(k+1)-i*(k)] (5)。
由式(1)可知，交流侧电流微分可表示为：
需要指出的是电流微分计算通常忽略R的影响。基于一阶欧拉法，式(6)可近似离散化为：
将式(7)带入式(5)，并整理可得：
考虑无差拍控制思想s(k+1)＝sref(k+1)和线性外插法sref(k+1)＝2sref(k)-sref(k+1)，式(8)改写为：
式中，pref(k)、qref(k)分别为有功功率p(k)和无功功率q(k)的参考值。这里需要指出，文献[2]考虑变换器长期处于单位功率因数运行模式，即qref＝0，这一无功设置未能充分利用电压源变换器的四象限运行能力。本发明考虑电压源变换器在区域综合负荷功率因数调节中的潜在应用，因此将线性外插法推广到瞬时无功功率参考值预测。
在传统无差拍预测直接功率控制建模过程中，瞬时功率变化量计算忽略了相邻采样时刻电网电压的差别。若令e＝e0+△e，i＝i0+△i，则实际瞬时功率变化为：
对比式(10)和(4)得传统方法瞬时功率变化量估计偏差为：
由式(11)分析可知，系统运行(i≠0)时，和至少有一个不为零。综上所述，传统无差拍预测直接功率控制瞬时有功功率变化量计算不精确，且忽略了滤波器等效内阻消耗有功功率的影响，势必影响瞬时有功功率参考跟踪的准确性。然而，需要指出的是在以直流母线电压跟踪为控制目标的应用中(如文献[2]，瞬时有功功率参考值由外部电压环产生)，外部电压环控制器可消除上述有功因素对直流电压控制精度的影响，进而弱化有功功率跟踪精度问题。与瞬时有功功率情况不同，瞬时无功功率参考值由外部直接给定(例如设置qref＝0以实现单位功率因数运行)，可见无功为开环控制，从而无法消除对控制精度的影响，导致运行中不可避免的出现瞬时无功功率跟踪误差，伴随着电流实际相位与预期相位的偏移。
理想电网电压下，瞬时有功功率和瞬时无功功率的变化特性可由式(12)表示：
由式(12)可知，瞬时功率变化特性取决于电网参数、滤波电感和变换器开关状态。在开关频率远大于电网频率时，可以认为在一个开关周期内变换器电压矢量带来的瞬时功率变化率近似恒定。
除上述关于电网电压的假设外，传统无差拍预测直接功率控制还存在忽略控制策略运行时间的假设，即认为在采样的同时完成开关状态的更新。基于这一假设，式(9)产生的变换器参考电压可驱动系统实现瞬时功率的无差拍控制。但是，实际系统中程序运行时间不为零，导致新开关状态执行时长小于采样周期。变换器电压矢量引起的功率变化率恒定，而作用时间小于预期，因此式(9)导出的变换器电压矢量产生的实际功率改变量将小于理论值，上述情况会影响无差拍控制的执行效果。
为了克服上述问题，本发明实施例提供了一种基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，如图1所示，具体步骤如下：
S1、利用电流传感器和电压传感器采样k时刻的电压源变换器的交流侧电流ia、ib和电网电压eab、ebc，并通过坐标变换得到α-β坐标系下的电流iα(k)、iβ(k)和电压eα(k)、eβ(k)。
所述电压源变换器的交流侧电流ia、ib通过坐标变换得到α-β坐标系下的电流iα(k)、iβ(k)的方法为：
所述电网电压eab、ebc通过坐标变换得到α-β坐标系下的电压eα(k)、eβ(k)的方法为：
S2、根据步骤S1中的电流iα(k)、iβ(k)和电压eα(k)、eβ(k)计算得到k时刻的瞬时复功率s(k)；则k时刻的瞬时复功率s(k)为：
s(k)＝(eα(k)iα(k)+eβ(k)iβ(k))+j(eβ(k)iα(k)-eα(k)iβ(k)) (13)，
其中，p(k)＝eα(k)iα(k)+eβ(k)iβ(k)为有功功率，q(k)＝eβ(k)iα(k)-eα(k)iβ(k)为无功功率。
S3、设置k时刻和k-1时刻的瞬时功率参考值，通过线性外插法获得k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)；
所述根据线性外插法计算k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)的方法为：
其中，pref(k)、qref(k)分别为k时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值，pref(k-1)、qref(k-1)分别为k-1时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值。
S4、由内模原理可知，对于一个反馈控制系统，若其前向通道中包含输入信号和扰动信号动力学特征的数学模型，则此反馈系统将具有误差跟踪指令和抗扰运行能力。由经典控制论可知，比例环节具有减小稳态误差的能力，但不能消除稳态误差。因此，本发明基于内模原理和功率参考值阶跃形式变化，引入积分运算，并结合比例环节对k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)进行修正，得到最终的瞬时功率参考值p′ref(k+1)、q′ref(k+1)，再结合步骤S2中的瞬时复功率s(k)得到k时刻的参考电压uα(k)、uβ(k)，来实现瞬时功率的无差跟踪。
利用内模原理对瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)进行修正，得到最终的瞬时功率参考值p′ref(k+1)、q′ref(k+1)的方法为：
其中，εp(k)＝pref(k)-p(k)，εq(k)＝qref(k)-q(k)，pref(k+1)、qref(k+1)分别为k+1时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值，p(k)为k时刻的有功功率，q(k)为k时刻的无功功率，为有功功率比例修正系数，为有功功率积分修正系数，为无功功率比例修正系数，为无功功率积分修正系数。
所述k时刻的参考电压uα(k)、uβ(k)的计算方法为：
其中，L为电感，Ts为采样周期。
S5、利用空间矢量调制技术将步骤S4中的参考电压uα(k)、uβ(k)转化为开关信号Sabc，并通过开关信号Sabc调控k时刻的电压源变换器的交流侧电压，实现对电压源变换器瞬时功率的无差拍预测控制。
为了验证本发明方法的正确性和可行性，对比仿真研究在文献[2]、文献[1]和本发明之间展开。仿真时主电路的参数为：电网线电压85V，电抗器内阻0.67Ω，电抗器电感19.5mH，直流侧电容1120μF。电网电压频率为50Hz，开关频率为5kHz。
图3给出了稳态下电网a相电压和a相电流波形对比仿真结果。为了更好地显示仿真结果，图3中电压取实际电压的1/10，并对以0.39秒电压过零点为中心的仿真波形进行放大显示。为实现单位功率因数运行，三种控制策略下都将瞬时无功功率参考设置为0Var。由图3(a)可知，文献[2]方法控制下，a相电流和a相电压过零点有较大偏移，即电压电流不同相位，从而未能实现单位功率因数运行。相比于图3(a)，在文献[1]方法的作用下图3(b)中a相电流的过零点更接近于a相电压的过零点，但是仍未能实现电压和电流同相位。这是由于比例环节的使用缩小了瞬时无功功率的跟踪误差，但无法消除稳态误差。在本发明提出方法的控制下，a相电压和a相电流同时过零，实现了单位功率因数运行的目的，如图3(c)所示。
图4给出了瞬时有功功率参考值为400W，瞬时无功功率参考值为0Var时的电网瞬时功率稳态仿真波形图。在图4(a)中瞬时有功功率和瞬时无功功率都有明显的跟踪误差，其中瞬时无功功率误差更大，这是由文献[2]方法控制器模型建立过程中假设相邻采样时刻电网电压相等造成的。如图4(b)所示，文献[1]方法明显改善了瞬时功率跟踪的精度，但仍存在稳态误差。在本发明方法的作用下，瞬时功率实现了无差跟踪。图4中瞬时无功功率跟踪精度和图3中a相电流过零精度变化趋势相一致，并且验证了瞬时无功功率为0Var时电压源变换器可实现单位功率因数运行。
图5展示了瞬时无功功率参考从-100Var到100Var阶跃过程的暂态仿真结果。文献[2]中只考虑了电压源变换器单位功率因数运行，未能充分发挥其无功功率调节能力。电压源变换器无功功率的灵活调节可改变电网局部综合负荷的功率因数，进而减小配网的网损，同时可减小配电变电站无功补偿装置的投资费用。为了验证提出策略的无功调节能力，设置了无功参考阶跃仿真实验。如图5(a)所示，瞬时无功功率快速、准确地跟踪了瞬时无功功率参考的阶跃变化。瞬时有功功率只在阶跃瞬间受到微小的影响，反应了本发明方法具有较好的瞬时有功功率和瞬时无功功率解耦控制的能力。与图5(a)中无功功率值相对应，图5(b)中电流实现了超前和滞后电网电压运行。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其特征在于，其步骤如下：
S1、利用电流传感器和电压传感器分别采样k时刻的电压源变换器的交流侧电流ia、ib和电网电压eab、ebc，并通过坐标变换得到α-β坐标系下的电流iα(k)、iβ(k)和电压eα(k)、eβ(k)；
S2、根据步骤S1中的交流侧电流iα(k)、iβ(k)和电网电压eα(k)、eβ(k)计算k时刻的瞬时复功率s(k)；
S3、设置k时刻和k-1时刻的瞬时功率参考值，通过线性外插法计算k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)；
S4、基于内模原理引入积分运算，结合比例环节对k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)进行修正，得到最终的瞬时功率参考值p′ref(k+1)、q′ref(k+1)，再结合步骤S2中的瞬时复功率s(k)得到k时刻的参考电压uα(k)、uβ(k)；
S5、利用空间矢量调制技术将步骤S4中的参考电压uα(k)、uβ(k)转化为开关信号Sabc，并通过开关信号Sabc调控k时刻的电压源变换器的交流侧电压，实现对电压源变换器瞬时功率的无差拍预测控制。
2.根据权利要求1所述的基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的电压源变换器的交流侧电流ia、ib通过坐标变换得到α-β坐标系下的电流iα(k)、iβ(k)的方法为：
所述步骤S1中的电网电压eab、ebc通过坐标变换得到α-β坐标系下的电压eα(k)、eβ(k)的方法为：
3.根据权利要求1或2所述的基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的k时刻的瞬时复功率s(k)为：
s(k)＝(eα(k)iα(k)+eβ(k)iβ(k))+j(eβ(k)iα(k)-eα(k)iβ(k))，
其中，p(k)＝eα(k)iα(k)+eβ(k)iβ(k)为有功功率，q(k)＝eβ(k)iα(k)-eα(k)iβ(k)为无功功率。
4.根据权利要求1所述的基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S3中根据线性外插法计算k+1时刻的瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)的方法为：
其中，pref(k)、qref(k)分别为k时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值，pref(k-1)、qref(k-1)分别为k-1时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值。
5.根据权利要求3所述的基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其特征在于，利用内模原理对瞬时有功功率参考值pref(k+1)和瞬时无功功率参考值qref(k+1)进行修正，得到最终的瞬时功率参考值p′ref(k+1)、q′ref(k+1)的方法为：
其中，εp(k)＝pref(k)-p(k)，εq(k)＝qref(k)-q(k)，pref(k+1)、qref(k+1)分别为k+1时刻的瞬时有功功率参考值和瞬时无功功率参考值，p(k)为k时刻的有功功率，q(k)为k时刻的无功功率，为有功功率比例修正系数，为有功功率积分修正系数，为无功功率比例修正系数，为无功功率积分修正系数。
6.根据权利要求1或4或5所述的基于内模理论的电压源变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S4中k时刻的参考电压uα(k)、uβ(k)的计算方法为：
其中，L为电感，Ts为采样周期。
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