CN111277161B - 一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法，基于三相boost电流源型逆变器，三相boost电流源型逆变器通过滤波器连接至负载，为负载提供三相正弦电压；其中，三相boost电流源型逆变器由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，三相boost电流源型逆变器的直流侧由直流电压源和直流电感串联组成，直流电感的作用是储能并提升变流器直流侧端口电压upn，以达到交流侧升压的目的。

Description

一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法，特别涉及一种基于比例积分控制器的交流电压相角单环，交流电压幅值外环与直流电流内环双环结构的运行控制方法。
背景技术
在UPS系统，微电网等领域，其能源一般为燃料电池，光伏等直流源，因此需要逆变器将能量传输到交流负载。目前一种具有较好应用前景的解决方案是采用三相boost电流源型逆变器来传输能量。
相比于传统的三相电压源型逆变器系统，三相boost电流源型逆变器在高升压比场合中是一种极具发展前景的解决方案，具备以下显著优势：
具备更高的运行可靠性。因为三相boost电流源型逆变器不需要DC-DC升压装置，串联电池或光伏板，而是并联电池或光伏板。所以当一个电池或光伏模块故障时，将故障模块切除后仍可使逆变器持续运行而无需停机。此外，在发生短路故障的情况下，由于直流侧电感的作用，短路电流上升较慢，更容易切除故障。
其中，三相boost电流源型逆变器在实际应用中最突出的优势就是高升压比，可以实现直流端到交流端的升压。在低压直流电压情况下，由于其高升压比特性，不需要DC-DC升压装置或串联直流模块，就可以实现从直流端到交流端的能量传输，简化了系统结构，提升了系统的运行可靠性。在短路情况下，由于直流侧电感具有抑制电流上升的作用，因此短路电流上升速度减慢，更容易切除短路故障。而目前还没有提出关于一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的相关控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了填补现有技术的空白，提供了一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法。该方法能够在低压直流母线电压情况下，实现直流到交流的升压变换。显著提高了三相boost电流源型逆变器的升压比，使系统具备在单个直流模块故障情况下，不必停机，仍能持续运行的能力。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法，基于三相boost电流源型逆变器，三相boost电流源型逆变器通过滤波器连接至负载，为负载提供三相正弦电压；其中，三相boost电流源型逆变器由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，三相boost电流源型逆变器的直流侧由直流电压源和直流电感串联组成，直流电感的作用是储能并提升变流器直流侧端口电压upn，以达到交流侧升压的目的；该控制方法包括以下步骤：
步骤S1，给定三相电压的角频率ω经过积分环节得到给定三相电压的角度θ；再以θ为基准，将采样得到的交流电容上的三相电压ua，ub，uc和给定三相电压uaref，ubref，ucref做Park变换，得到dq坐标系下的交流电容电压ud、uq和参考电压udref、uqref；
步骤S2，根据udref和uqref计算出参考电压的相角θuref，同样根据ud和uq计算出电容电压的相角θu，将θuref与θu的差值经过PI控制器得到逆变器端口参考电流的相角θi；根据udref和uqref计算出参考电压的幅值平方
Figure BDA0002324897250000021
同样根据ud和uq计算出电容电压的幅值平方
Figure BDA0002324897250000022
将
Figure BDA0002324897250000023
与
Figure BDA0002324897250000024
的差值经过PI控制器得到瞬时功率参考值Pref，再将Pref除以直流电压源电压udc得到直流电流参考值irefdc；将irefdc与采样得到的直流电流idc的差值经过PI控制器，再经过一个限幅器得到系数k；
步骤S3，根据步骤S2中得到的系数k，由
Figure BDA0002324897250000025
得到开关矢量的幅值Dm；步骤S2中得到的逆变器端口参考电流的相角也为开关矢量的相角θi；然后，由开关矢量的相角θi和开关矢量的幅值Dm合成开关矢量，并得到开关矢量dq坐标系下的值Dd，Dq；
步骤S4：以θ为基准，将开关矢量Dd，Dq通过坐标变换，得到开关矢量在两相静止坐标系下的值Dα，Dβ；
步骤S5：将步骤S4中得到的开关矢量Dα，Dβ，通过SVPWM得到开关管的占空比信号，由此控制三相boost电流源型逆变器开关管的开通与关断。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明中三相boost电流源型逆变器的直流侧储能电感，可以提高逆变器直流端口的电压，进而提升交流侧电压。实现了从低电压直流到高电压交流的升压功率传输，大大降低了直流母线电压。
2.本发明中三相boost电流源型逆变器，不需要DC-DC升压装置，结构更加简单，提升了系统的功率密度。
3.本发明中采用基于比例积分控制器的交流电压相角单环，交流电压幅值外环与直流电流内环双环结构的运行控制方法。该方法实现了交流电压幅值和相角的精确控制，为交流负载提供了质量优良的三相正弦电压。
4.本发明中采用的直流电流内环控制，在直流电压发生波动的情况下，可以快速动态调节直流电流，从而维持交流负载电压稳定，提升了系统的抗扰动能力。
5.本发明采用的直流电流内环控制，在交流负载突变、功率发生大范围变化时，可以限制直流电流在额定值以下，避免了逆变器的故障停机，为负载提供了持续稳定的电压，大大提高了系统的可靠性。
附图说明
图1-1为本发明具体实施例中三相boost电流源型逆变器孤岛情况下的拓扑结构。
图1-2为本发明具体实施例中三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法。
图2-1为本发明应用时带阻感负载的三相交流电压波形示意图。
图2-2为本发明应用时带阻感负载的三相交流电流波形示意图。
图3-1为本发明应用时负载跳变的三相交流电压波形示意图。
图3-2为本发明应用时负载跳变的三相交流电流波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
本发明的控制方法基于如图1-1所示的三相boost电流源型逆变器孤岛情况下的拓扑结构。其主电路结构具体如下：三相boost电流源型逆变器通过CL滤波器向负载输送功率；其中，逆变器由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，三相boost电流源型逆变器的直流侧由直流电压源和直流电感串联组成，直流电感的作用是储能并提升变流器直流侧端口电压upn，从而达到交流侧升压的目的。
本发明为一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法，见图1-2，具体方法如下：
步骤S1：给定三相电压的角频率ω经过积分环节得到给定三相电压的角度θ。再以θ为基准，将采样得到的交流电容上的三相电压ua，ub，uc和给定三相电压uaref，ubref，ucref做Park变换，得到dq坐标系下的ud，uq和udref，uqref；
步骤S2：根据udref和uqref计算出参考电压的相角θuref，同样根据ud和uq计算出电容电压的相角θu，将θuref与θu的差值经过PI控制器得到逆变器端口参考电流的相角θi。根据udref和uqref计算出参考电压的幅值平方
Figure BDA0002324897250000031
同样根据ud和uq计算出电容电压的幅值平方
Figure BDA0002324897250000032
将
Figure BDA0002324897250000033
与
Figure BDA0002324897250000034
的差值经过PI控制器得到瞬时功率参考值Pref，再将Pref除以直流电压源电压udc得到直流电流参考值irefdc。将irefdc与采样得到的直流电流idc的差值经过PI控制器，再经过一个限幅器得到系数k；
步骤S3：根据步骤S2中得到的系数k，由
Figure BDA0002324897250000041
得到开关矢量的幅值Dm。步骤S2中得到的逆变器端口参考电流的相角，即为开关矢量的相角θi。然后，由开关矢量的相角θi和开关矢量的幅值Dm合成开关矢量，并得到开关矢量dq坐标系下的值Dd，Dq；
步骤S4：以θ为基准，将开关矢量Dd，Dq通过坐标变换，得到开关矢量在两相静止坐标系下的值Dα，Dβ；
步骤S5：将步骤S4中得到的开关矢量Dα，Dβ，通过SVPWM得到开关管的占空比信号，由此控制三相boost电流源型逆变器开关管的开通与关断；
以下为本发明更具体的实施方式：
步骤S1中：给定三相电压的角频率ω经过积分环节得到给定三相电压的角度θ。针对图1-1所示的三相系统，以θ为基准，三相电容电压ua，ub，uc做Park变换：
Figure BDA0002324897250000042
得到式(1)中dq坐标系下的电容电压ud，uq。
步骤S2中：参考电压的相角θuref和电容电压的相角θu可由下式得到：
Figure BDA0002324897250000043
式中，udref，uqref为参考电压，ud，uq为交流电容电压。方程“atan2(x,y)”表示y/x的反正切值。
逆变器端口处参考电流的相角θi由下式得到：
Figure BDA0002324897250000044
式中θuref，θu分别表示参考电压的相角和电容电压的相角；kp1，ki1分为交流电压相角环的比例控制系数和积分控制系数。
参考直流电流idcref由下式得到：
Figure BDA0002324897250000045
式中umref，um分别表示参考电压的幅值平方和电容电压的幅值平方；kp2，ki2分别为交流电压幅值环的比例控制系数和积分控制系数。
系数k由下式得到：
Figure BDA0002324897250000051
式中idcref，idc分别表示参考直流电流和采样得到的直流电流；kp2，ki2分别为直流电流环的比例控制系数和积分控制系数。
步骤S3中：根据步骤S2中得到的系数k，开关矢量的幅值为：
Figure BDA0002324897250000052
开关矢量在dq坐标系下的值为：
Figure BDA0002324897250000053
式中Dm为开关矢量幅值，θi为开关矢量相角。
步骤S4中：以步骤S1中的θ为基准，将步骤S3得到的开关矢量Dd，Dq通过坐标变换，得到开关矢量在两相静止坐标系下的值：
Figure BDA0002324897250000054
根据图2-1可以看出，采用三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法时，三相交流相电压幅值为110V，且为对称正弦波。而直流电压为60V，线电压幅值与直流电压的比值为3.17，显著提高了逆变器的升压比。根据图2-2可以看出，三相交流相电流幅值为4.8A，且为对称正弦波。根据图3-1可以看出，当发生负载跳变时，负载电压只有轻微上升，且在一个周波(20ms)后负载电压恢复。图3-2可以看出，当发生负载跳变后，负载电流在一个周波(20ms)后稳定，没有发生过流。
综上：本发明提出的三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法可以方便的应用于三相boost电流源型逆变器当中，显著提高了逆变器的升压比，且具有良好的抗扰动能力。是一种值得推广的新型变流器控制方法。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法，其特征在于，基于三相boost电流源型逆变器，三相boost电流源型逆变器通过滤波器连接至负载，为负载提供三相正弦电压；其中，三相boost电流源型逆变器由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，三相boost电流源型逆变器的直流侧由直流电压源和直流电感串联组成，直流电感的作用是储能并提升变流器直流侧端口电压upn，以达到交流侧升压的目的；该控制方法包括以下步骤：
步骤S1，给定三相电压的角频率ω经过积分环节得到给定三相电压的角度θ；再以θ为基准，将采样得到的交流电容上的三相电压ua，ub，uc和给定三相电压uaref，ubref，ucref做Park变换，得到dq坐标系下的交流电容电压ud、uq和参考电压udref、uqref；
步骤S2，根据udref和uqref计算出参考电压的相角θuref，同样根据ud和uq计算出电容电压的相角θu，将θuref与θu的差值经过PI控制器得到逆变器端口参考电流的相角θi；根据udref和uqref计算出参考电压的幅值平方
Figure FDA0002324897240000011
同样根据ud和uq计算出电容电压的幅值平方
Figure FDA0002324897240000012
将
Figure FDA0002324897240000013
与
Figure FDA0002324897240000014
的差值经过PI控制器得到瞬时功率参考值Pref，再将Pref除以直流电压源电压udc得到直流电流参考值irefdc；将irefdc与采样得到的直流电流idc的差值经过PI控制器，再经过一个限幅器得到系数k；
步骤S3，根据步骤S2中得到的系数k，由
Figure FDA0002324897240000015
得到开关矢量的幅值Dm；步骤S2中得到的逆变器端口参考电流的相角也为开关矢量的相角θi；然后，由开关矢量的相角θi和开关矢量的幅值Dm合成开关矢量，并得到开关矢量dq坐标系下的值Dd，Dq；
步骤S4：以θ为基准，将开关矢量Dd，Dq通过坐标变换，得到开关矢量在两相静止坐标系下的值Dα，Dβ；
步骤S5：将步骤S4中得到的开关矢量Dα，Dβ，通过SVPWM得到开关管的占空比信号，由此控制三相boost电流源型逆变器开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述一种三相boost电流源型逆变器基于孤岛的控制方法，其特征在于，步骤S2中包含交流电压相角单环，交流电压幅值外环和直流电流内环双环的控制方法，步骤S3中包含开关矢量相角和幅值的计算方法，步骤S4和步骤S5中包含三相boost电流源型逆变器的调制方法。
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