CN112583289A - 用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法 - Google Patents

用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，通过将两台整流器的上下母线电流进行采样滤波，然后将两台整流器上母线的输出电流与参考电流的误差送入比例积分控制器进行调节，得到调制所需的延迟角。另外，将下母线电流的差值送入比例积分控制器计算得到旁路脉冲宽度控制参数，这两者结合，可以灵活的调节上下母线的输出电流，实现整流器并联时上下母线电流的协同控制的目的。

Description

用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于多电流源型整流器并联环境下上下母线电流协同控制的方法，可以有效的解决多电流源型整流器并联工况下存在的单台整流器过载问题。
背景技术
PWM电流源型变流器由于结构简单、短路电流阻断特性好、具有天然的双向潮流能力等优点，在中压传动、高压直流输电、可再生能源并网、超导储能等大功率应用场景中被广泛应用。在这些应用场景中，由于电流源型变流器的开关频率通常低于1Khz，因此可以减少大功率变流器的开关损耗。
通常大功率PWM电流源型整流器的调制方法有两种，即空间矢量调制技术和选择性谐波消除技术，以获得正弦电流。空间矢量调制技术基于安秒平衡原理，具有动态调节输出低电流的相应能力。然而当空间矢量调制技术应用到电流源型整流器中时，会产生谐波失真，特别是对于大功率变流器，当开关频率很低时的运行工况。此外，在大功率电流源型整流器的应用中，当空间矢量调制技术的采样频率接近输出LC滤波器的固有谐振频率时，空间矢量调制技术可能会对滤波器的并联谐振进行反向放大。
近年来，电流源型变流器的并联运行受到越来越多的关注，这是由于对功率转换的容量的需求不断增长，以及并联变流器的协调控制所提供的灵活性。为了避免单个变流器的过载问题，实现上下母线电流协同控制是并联变流器的一项重要任务。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，利用当基于空间矢量调制的电流源型整流器工作在直流母线被旁路的工作状态时，输出电流会衰减的特点，通过比较两台整流器正负母线输出电流的大小以及与参考电流的误差，并通过合理的设计控制方案，来灵活的产生控制整流器输出电流的延迟角和旁路控制参数宽度，以控制两台整流器的输出，达到电流协同控制的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，具体包括以下步骤：
(1)首先对两台并联的电流源型整流器的正、负母线电流进行采样；
(2)将步骤(1)采样的两台并联的电流源型整流器的正母线电流与参考电流的二分之一进行比较，得到每台电流源型整流器的实际电流与每台电流源型整流器参考电流的误差，然后通过比例积分控制器进行调节，得到每台电流源型整流器的延迟角α，将两台电流源型整流器的负母线进行比较，得到两台电流源型整流器负母线的电流误差，经过比例积分控制器进行调节，得到旁路脉冲控制量β；
(3)将步骤(2)中得到的控制量α和β送入开关信号产生单元，产生与控制目标相符的开关信号，来控制两台电流源型整流器的输出，实现功率均衡。
所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
a)利用电流互感器对两台电流源型整流器的正直流母线电流进行采样，并将采样得到的两台电流源型整流器的正母线电流分别记为ip_c1和ip_c2，经过低通滤波器，得到正直流母线电流的直流分量，分别记为idc_pc1和idc_pc2,其计算如下：
idc_pc1＝ip_c1·ωc/(s+ωc)
idc_pc2＝ip_c2·ωc/(s+ωc)
其中ωc为低通滤波器的截止频率，s为积分算子。
b)利用电流互感器对两台电流源型整流器的负直流母线的电流进行采样，并将采样得到的两台整流器的负直流母线电流分别记为in_c1和in_c2，经过低通滤波器，得到负直流母线电流的直流分量,分别记为idc_nc1和idc_nc2，其计算如下：
idc_nc1＝in_c1·ωc/(s+ωc)
idc_nc2＝in_c2·ωc/(s+ωc)。
所述的步骤(2)具体包括如下步骤：
c)将步骤a)中采样并经过低通滤波器得到的两台电流源型整流器的正直流母线电流的直流分量idc_pc1和idc_pc2与参考电流idc_ref的二分之一相比较(因为是两台整流器，所以每台的输出电流应该为总参考电流的二分之一)，然后将比较后的误差送入比例积分控制器进行调节，得到两台整流器的延迟角αc1和αc2,其计算如下：
αc1＝(kp+ki/s)·(idc_pc1-0.5·idc_ref)
αc2＝(kp+ki/s)·(idc_pc2-0.5·idc_ref)
其中kp比例积分调节器的比例项系数，ki为比例积分控制器的积分项系数。
d)将步骤b)中采样并经过低通滤波器得到的两台电流源型整流器的负直流母线电流的直流分量idc_nc1和idc_nc2做比较，然后将两者的差值送入比例积分控制器进行调节，得到旁路宽度控制参数β0，然后根据下式计算，得到两台整流器各自的旁路宽度控制参数β0_c1和β0_c2，
Figure BDA0002847158620000031
Figure BDA0002847158620000032
所述的步骤(3)具体包括如下步骤：
将步骤c)中得到的两台电流源型整流器的延迟角αc1和αc2，以及步骤d)中得到的两台电流源型整流器旁路宽度控制参数β0_c1和β0_c2分别送入各自的开关信号生成单元，生成与控制目标相符的开关信号，使电流源型整流器的功率管做出相应的动作，从而使整流的输出电流朝控制目标方向变化，最终达到功率平衡。
本发明的优点是：本发明利用旁路控制，提出了电流源型整流器并联运行中上下母线的协同控制，成功实现了电流源型整流器并联运行时各个模块间的功率灵活匹配，有效解决了多个并联电流源模块间的功率不均衡问题。通过此种方法，可以有效避免因硬件参数不同或者PWM信号传输延迟不同所引起的电流源型变流器模块过载问题。值得一提的是，此发明基于的调制策略为特定谐波消除调制，相比于其他相似方法，此方法可以在相同开关频率下使并网电流的波形畸变率更低。
附图说明
图1表示两台电流源型整流器并联时的基本拓扑结构。
图2为本发明所提出的功率平衡方法的整体控制策略示意图。
图3为本发明所提出的基于准选择性谐波消除方法的功率平衡方法的实验波形图。
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。
关于电流源型整流器的控制，选择性谐波消除(SHE)是其核心控制方案之一。特别地，对于两台电流源型整流器并联运行的工况，理想状态下，当两台逆变器接受相同的开关信号时，便可以输出相同的功率。但是由于实际应用场景中，由于技术条件限制，并联的各台的电流源型整流器的硬件参数，不可能做到百分之百的一致，因此不同电流源型整流器的等效阻抗等参数不是完全一致的，因此，两台电流源型整流器的输出电流不可避免的会存在差异，则两台电流源型整流器的输出功率也就会出现不均衡的现象，当这种现象严重时，即输出功率的不平衡度过大时，会使单台逆变器的输出功率超过其所能承受的极限，因此两台电流源型整流器的上下母线的电流协同控制十分重要。
对于单台电流源型整流器而言，其直流侧端口的输出电压是对电网电压进行的斩波，然后加在直流母线电抗器上，利用电抗器电流不能突变的特点来维持恒定的直流母线电流，当电流源型整流器工作在同一相的上下桥臂同时导通的工作状态，即直流母线被旁路时，这时电流源型整流器端口输出＝电压的瞬时值为零，此时没有电压来支撑电流增长，因此电流会随时间衰减，所以通过合理的来控制旁路状态的持续时间，便可以灵活的调节每台电流源型整流器输出功率的大小，从而实现电流协同控制的目标。
本发明一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，
具体步骤如下：
步骤1：电流源型整流器输出电流的采样
图1所示为两台电流源型变流器并联运行的基本拓扑结构示意图，两台电流源型整流器的交流侧和直流侧分别并联，图1最左侧usa、usb和usc分别代表电网abc三相的电压，is代表电网电流，Lf和Cf分别代表电网侧滤波器的电感和电容，iout_c1和iout_c2分别代表两台电流源型整流器的交流侧输出电流(一般规定从交流侧到直流侧为电流的正方向)，p1和p2分别代表两台电流源型整流器的正直流母线，n1和n2分别代表两台电流源型整流器的负直流母线，L1和L2为第一台电流源型整流器的直流母线电抗器，L3和L4为第二台电流源型整流器的直流母线电抗器，R1到R4是这些电抗器的内部等效电阻，R为负载。
将两台电流源型整流器并联并与电网和负载相接后，利用电流互感器测量得到两台电流源型整流器的正直流母线输出电流ip_c1和ip_c2以及两台电流源型整流器的负直流母线输出电流in_c1和in_c2，利用电压互感器测量得到电网的三相电压usa、usb和usc，并将测量得到的电网电压送入锁相环，得到电网电压的相角θg。
步骤2：两台电流源型整流器的正负母线电流的协同控制参数的计算
图2所示为本发明所提出的正负母线电流协同控制方法的整体控制策略示意图。图2的上半部分为图1中所提到的两台电流源型整流器并联运行的基本拓扑结构，下半部分为其控制框图。
首先将步骤1中采样得到的两台电流源型整流器的正直流母线输出电流ip_c1和ip_c2以及两台电流源型整流器的负直流母线输出电流in_c1和in_c2送入低通滤波器中，得到正负直流母线输出电流的直流分量分别记为idc_pc1和idc_pc2以及idc_nc1和idc_nc2，其计算公式如下：
idc_pc1＝ip_c1·ωc/(s+ωc)
idc_pc2＝ip_c2·ωc/(s+ωc)
idc_nc1＝in_c1·ωc/(s+ωc)
idc_nc2＝in_c2·ωc/(s+ωc)
然后将通过低通滤波器得到的正直流母线电流的直流分量与参考电流的二分之一做差，得到电流偏差量并分别送入比例积分控制器经计算得到两台电流源型整流器调制的延迟角αc1和αc2其计算如下：
αc1＝(kp+ki/s)·(idc_pc1-0.5·idc_ref)
αc2＝(kp+ki/s)·(idc_pc2-0.5·idc_ref)
其中kp为比例积分控制器的比例项系数，ki为比例积分控制器的积分项系数，s为积分因子。
将锁相环得到的电网电压相角θg与减去延迟角αc1和αc2得到每台电流源型整流器调制的参考相角θref_c1和θref_c2,其计算如下：
θref_c1＝θg-αc1
θref_c2＝θg-αc2
将两台电流源型整流器的负直流母线的输出电流的直流分量作比较，得到两者之差，然后送入比例积分控制器计算得到旁路脉冲宽度控制参数β0，然后通过以下规则根据β0计算得到两台电流源型整流器各自的旁路脉冲宽度控制参数β0_c1和β0_c2，其中β0的计算如下：
β0＝(kp0+ki0/s)·(idc_nc1-idc_nc2)
β0_c1和β0_c2的计算规则如下：
Figure BDA0002847158620000061
Figure BDA0002847158620000062
步骤3:实现正负母线电流协同控制
将步骤2中计算得到的两台电流源型整流器的调制参数θref_c1、θref_c2、β0_c1和β0_c2送入开关信号产生模块，产生第一台电流源型整流器6个功率管的动作信号S11-S16和第二台电流源型整流器6个功率管的动作信号S21-S26，最后送入电流源型整流器控制电流源型整流器做出相应的动作，实现两台电流源型整流器上下母线电流的协同控制。图3为本实验的实验结果波形图，可以看到两台电流源型整流器的上下母线的输出电流基本重合，实现了两台电流源型整流器并联运行上下母线电流的协同控制，进一步证明了本发明所提方法的有效性。

Claims (4)

1.一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)首先对两台并联的电流源型整流器的正、负母线电流进行采样；
(2)将步骤(1)采样的两台并联的电流源型整流器的正母线电流与参考电流的二分之一进行比较，得到每台电流源型整流器的实际电流与每台电流源型整流器参考电流的误差，然后通过比例积分控制器进行调节，得到每台电流源型整流器的延迟角α，将两台电流源型整流器的负母线进行比较，得到两台电流源型整流器负母线的电流误差，经过比例积分控制器进行调节，得到旁路脉冲控制量β；
(3)将步骤(2)中得到的延迟角α和旁路脉冲控制量β送入开关信号产生单元，产生与控制目标相符的开关信号，来控制两台电流源型整流器的输出，实现功率均衡。
2.根据权利要求1所述的一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
a)利用电流互感器对两台电流源型整流器的正直流母线电流进行采样，并将采样得到的两台电流源型整流器的正母线电流分别记为ip_c1和ip_c2，经过低通滤波器，得到正直流母线电流的直流分量，分别记为idc_pc1和idc_pc2，其计算如下：
idc_pc1＝ip_c1·ωc/(s+ωc)
idc_pc2＝ip_c2·ωc/(s+ωc)
其中ωc为低通滤波器的截止频率，s为积分算子。
b)利用电流互感器对两台电流源型整流器的负直流母线的电流进行采样，并将采样得到的两台整流器的负直流母线电流分别记为in_c1和in_c2，经过低通滤波器，得到负直流母线电流的直流分量，分别记为idc_nc1和idc_nc2，其计算如下：
idc_nc1＝in_c1·ωc/(s+ωc)
idc_nc2＝in_c2·ωc/(s+ωc)。
3.根据权利要求2所述的一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)具体包括如下步骤：
c)将步骤a)中采样并经过低通滤波器得到的两台电流源型整流器的正直流母线电流的直流分量idc_pc1和idc_pc2与参考电流idc_ref的二分之一相比较，然后将比较后的误差送入比例积分控制器进行调节，得到两台整流器的延迟角αc1和αc2，其计算如下：
αc1＝(kp+ki/s)·(idc_pc1-0.5·idc_ref)
αc2＝(kp+ki/s)·(idc_pc2-0.5·idc_ref)
其中kp比例积分调节器的比例项系数，ki为比例积分控制器的积分项系数。
d)将步骤b)中采样并经过低通滤波器得到的两台电流源型整流器的负直流母线电流的直流分量idc_nc1和idc_nc2做比较，然后将两者的差值送入比例积分控制器进行调节，得到旁路宽度控制参数β0，然后根据下式计算，得到两台整流器各自的旁路宽度控制参数β0_c1和β0_c2，
Figure FDA0002847158610000021
Figure FDA0002847158610000022
4.根据权利要求3所述一种用于电流源型整流器并联运行上下母线电流协同控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)具体包括如下步骤：
将步骤c)中得到的两台电流源型整流器的延迟角αc1和αc2，以及步骤d)中得到的两台电流源型整流器旁路宽度控制参数β0_c1和β0_c2分别送入各自的开关信号生成单元，生成与控制目标相符的开关信号，使电流源型整流器的功率管做出相应的动作，从而使整流的输出电流朝控制目标方向变化，最终达到功率平衡。
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