CN115498696A - 一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法 - Google Patents

Abstract

一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，该策略无需电网电压传感器，在降低成本的同时提高了系统的鲁棒性和可靠性。在正交坐标系下将变换器等效为共模电阻(CMR)、差模电阻(DMR)和与差的形式，通过CMR调节平均功率，DMR控制由电网不平衡引起的纹波功率，对DMR的调节可以实现恒定有功功率、对称输入电流和恒定无功功率三种不同的控制目标。

Description

一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法

技术领域

本发明属于交流电能变换装置技术领域，特别涉及一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法。

背景技术

三相整流器(VSR)被广泛应用于UPS、可再生能源等各种电力行业，而不平衡电网电压是一种常见的电网干扰，会恶化输入电流和直流电压质量。

为了减轻电网不平衡造成的负面影响，相继提出了许多控制方法，主要可以分为依赖电网电压信息的控制方法和不依赖电网电压信息的控制方法。前者包括能够抑制直流母线低频纹波的直接功率控制(DPC)，能够获得平衡正弦输入电流的序电流控制器和功率补偿模块方法、构造不同参考电流以实现恒定无功功率或恒定有功功率的控制方法等，这类方法强烈依赖于电网电压信息，因此需要相应的电压传感器，增加了成本并降低了电路的可靠性。不依赖电网电压信息的控制方法通过滑模观测器、龙伯格观测器或自适应神经网络观测器等不同观测器实现对电网电压的观测估计，虽然能够避免电压传感器的使用，但存在依赖电路参数、鲁棒性差、抗干扰能力不强、计算量大等缺点。

例如专利号：CN201511023581.1，专利名称：基于扩张状态观测器的三相并网整流器预测直接功率控制方法，该专利属于电力电子控制技术领域，解决现有技术中的三相并网整流器预测直接功率控制方法存在抗干扰性能较差、响应速度慢、超调量大的问题。本发明的控制由两个控制环组成：电压调节环为外环，功率跟踪环为内环。PI控制器结合扩张状态观测器组成外环抵抗外部干扰。基于系统离散时间模型的预测控制构成内环以直接控制有功功率及无功功率。在预测直接功率控制中加入扩张状态观测器，扩张状态观测器将外部干扰视为一种新的系统状态，并用反馈的方式进行估计补偿。实践证明，扩张状态观测器是一种处理系统不确定性及外部干扰的一种十分有效的方式。其是针对三相并网整流器预测直接功率控制提供了一种改进方法，改善了传统方法在抗干扰性能、响应速度方面的性能。

本申请是针对三相不平衡电网下的整流器提出了一种基于虚拟电阻的控制方法，该方法将复杂的变换器等效为共模电阻和差模电阻的形式，通过调节共模电阻和差模电阻可以实现平均功率调节、恒有功功率、对称输入电流、恒无功功率多种控制目标，该方法实现简单且不需要电网电压传感器，降低了成本，对电网阻抗具有鲁棒性，提高了系统的可靠性，减轻了电网不平衡而引起的恶化输入电流和电压质量的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，可实现正弦输入电流和高功率因数，避免了电压传感器的使用，对电网阻抗变化具有鲁棒性，在降低成本的同时提高了电路可靠性，并且能够调节平均功率，实现恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率三种控制目标。该控制策略的核心在于设计用于调节平均功率的共模电阻调节器和根据不同的控制目标设计差模电阻调节器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，具体步骤如下，其特征在于：

在正交坐标系α^hβ^h下于整流器输入侧模拟一个能够表征电路信息的等效电阻，该等效电阻在α^h轴分量上体现为共模电阻CMR与差模电阻DMR和的形式，在β^h轴分量上体现为共模电阻CMR与差模电阻DMR差的形式，进而通过CMR调节平均功率，通过DMR调节由电网不平衡引起的纹波功率，具体如下：

将静止αβ系电压矢量旋转

得到正交α^hβ^h参考系下电压矢量表达式为：

其中，

为αβ系下电压矢量，ω_s是电网角频率，V_p,V_n分别是正负和负序电压幅值，

为正负序电压之间的相角，在α^hβ^h参考系中两个电压分量是正交的；

输入电流矢量表述为：

根据瞬时功率理论得到有功功率和无功功率分量如下：

其中，P₀＝1.5(V_pI_px+V_nI_nx)，P_c2＝1.5(V_pI_nx+V_nI_px)，P_s2＝1.5(V_pI_ny-V_nI_py)，Q₀＝1.5(-V_pI_py-V_nI_ny)，Q_c2＝1.5(-V_pI_ny-V_nI_py)，Q_s2＝1.5(V_pI_nx-V_nI_px)

控制目标表述为：

其中，λ∈[0,1]是权重因子，表征有功功率和无功功率的脉动功率分布情况；

根据电压电流矢量以及控制目标可以得到整流器单位功率因数情况下在α^hβ^h系中的等效电阻为：

其中，

R_com表示共模电阻CMR，R_dif表示差模电阻DMR。

作为本发明进一步改进，所述等效电阻是共模电阻、差模电阻的和与差的形式，进而构造用于调节平均功率的CMR调节器，根据恒定有功功率、对称输入电流和恒定无功功率三种不同的控制目标的需求构造DMR调节器，具体步骤如下：

S1，通过电流正交化进行角度估计以实现坐标变换；

S2，基于扩张状态观测器提取共模电阻CMR与差模电阻DMR调节器的直流分量和纹波分量；

S3，设计共模电阻和差模电阻调节器；

S4，确定参考电压实现模拟电阻控制。

作为本发明进一步改进，S1中所述的估计角度以实现坐标变换是通过电流正交化得到的，具体过程如下：

由于i_α ^h和i_β ^h在α^hβ^h系是正交的，通过强制电流正交化来估计角度，定义估计角度误差为

其中

为角度估计值，则变换阵

为：

进一步得到α^hβ^h系下输入电流

与αβ系下电压的关系为：

相角估计值

通过PI控制器获得：

其中，k_p-ang和k_i-ang为PI控制器参数，

为误差信号，

分别滞后于

90°相移由二阶广义积分器SOGI实现。

作为本发明进一步改进，S2中所述的共模电阻CMR和差模电阻DMR调节器直流分量和纹波分量的提取基于扩张状态观测器得到，具体过程如下：

根据α^hβ^h系模拟电阻模型和输入输出功率关系得：

其中，C为输出电容，R_L为负载电阻，u_dc为输出电容电压，

选择状态变量如下：

输出为

定义误差向量为

为了提取CMR和DMR调节器直流分量和纹波分量，设计扩张状态观测器为：

其中，

为误差反馈增益向量，ω_bw为扩张观测器带宽。

作为本发明进一步改进，S3中所述的共模电阻调节器用于调节平均功率，差模电阻调节器实现恒定有功功率、等幅值输入电流和恒定无功功率三种不同的控制目标，具体如下：

根据式(10)看出平均功率P_av同时受CMR和DMR影响，但CMR是决定平均功率的主要因素。

的直流分量间接反映了平均功率水平，因此共模电阻的控制律设计为：

其中，

是一个恒定阻抗，作用是避免启动时出现过电流；

根据式(10)看出DMR是调节纹波功率P_rip的主要因素，不同的R_dif值对应于不同的纹波功率分布和不同的电流矢量，对DMR的调节实现恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率三种不同的控制目标。

作为本发明进一步改进，所述恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率三种不同的控制目标具体如下：

控制目标一：恒有功功率

在该控制目标下，需要提取用于反馈控制的相应有功功率纹波信息，根据(9)进一步可以得到纹波功率和

的关系为：

构造误差信号e_rip为：

其中，

差模电阻R_dif通过PI控制器获得：

其中，k_p-dif、k_i-dif为PI控制器参数，δ_rip＝L^-1{G_LPF(s)[e_rip]}≈e₁P_dif，是低通滤波器滤除误差信号e_rip的四倍频分量提取得到的纹波功率分量

控制目标二：等电流幅值

i_α ^h和i_β ^h的电流幅值误差为：

其中，α^hβ^h系下的电流幅值由

获得

DMR控制器设计为：

控制目标三：恒无功功率

由(4)可知λ＝1时无功功率纹波分量为零，实现恒无功功率控制，进一步由(5)可知λ＝1时R_α ^h＝R_β ^h，即R_dif＝0，因此在该控制目标下将DMR电阻设置为零以保持恒定无功功率。

作为本发明进一步改进，S4中所述的参考电压通过坐标变换实现，具体如下；

输入电流与α^hβ^h系下等效电阻的乘积作为整流器的α^hβ^h系电压参考，通过坐标反变换得到αβ系下参考电压为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法无需电网电压传感器，共模电阻调节器用于调节平均功率，差模电阻调节器可以根据不同的控制目标实现恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率控制，可以适用于不同的目标需求。此外，该控制策略对电网阻抗具有鲁棒性，可以适应不平衡输入阻抗。所提的针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法对抑制电网不平衡的负面影响具有重要指导意义。

附图说明

图1本发明整流器的拓扑结构图；

图2本发明整流器α^hβ^h系下的等效电路图；

图3本发明控制策略框图；

图4本发明实施例输出直流电压和三相输入电流实验波形图；

图5本发明实施例整流器输入侧有功功率和无功功率实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，可抑制不平衡电网的负面影响，实现不同控制目标，且不需要电网电压传感器。该控制策略的核心在于根据不同的控制目标设计相应的差模电阻调节器和共模电阻调节器，通过选取恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率三种不同控制目标下的差模电阻调节器，获得不同的控制性能。

如图1所示，一种三相整流器拓扑包括电网侧1、滤波电感2、H桥电路3、直流侧电容4、直流侧负载5；H桥电路3通过滤波电感2与电网相连，直流侧电容4与直流负载5直接相连。

图2为本发明整流器α^hβ^h系下的等效电路图，

为共模电阻R_com与差模电阻R_dif的和，即

为共模电阻R_com与差模电阻R_dif的差，即

图3为本发明的控制策略框图，三相不平衡输入电网电压分别为110V/50Hz、88V/50Hz、33V/50Hz，相位差分别为-105°和120°，输入滤波电感L的电感量为3mH，直流侧电容C的电容量为22μF，直流侧负载电阻阻值为75Ω，直流侧电压参考值为300V，采样频率和开关频率均为10kHz，对本发明中不平衡电网下变换器的控制策略步骤如下：

第一步，采集输入电流i_abc信息，通过电流正交化实现角度估计，是进行坐标变换和反变换的基础；

第二步，利用扩张状态观测器提取共模电阻(CMR)和差模电阻(DMR)调节器的直流分量和纹波分量；

第三步，构造用于调节平均功率的共模电阻调节器，根据不同控制目标构造差模电阻调节器；

其中，共模电阻控制器为：

差模电阻控制器为：

第四步，根据α^hβ^h系下等效电阻

分量与输入电流

相乘，

分量与输入电流

相乘得到α^hβ^h系中参考电压，再通过坐标反变换得到αβ系中参考电压，进而进行调制得到开关信号控制开关管的通断。

实验结果证实了所提控制方法的正确性和可行性。三相不平衡输入电网电压有效值分别为：u_sa＝110V，u_sb＝88V，u_sc＝33V，相移角分别为-105°和120°。

图4为采用三种不同控制目标时对应的输出直流电压和三相输入电流实验波形图，图5为采用三种不同控制目标时对应的有功功率和无功功率实验波形图。从图中可以看出在不平衡电网条件下，三相输入电流都是正弦的。选择不同的差模电阻R_dif控制律会产生不同的控制效果，导致输入电流和直流电压的不同分布，以及有功功率和无功功率之间的功率分布。

在控制目标三(恒无功功率控制)中，输入电流具有与电网不平衡电网电压相同的不对称性，直流母线电压、有功功率波动幅度最大，无功功率振荡分量被抑制，对应λ＝1。

在控制目标二(等电流幅值控制)中，实现了输入电流的平衡，电压纹波、有功功率和无功功率纹波都存在，纹波幅值介于恒有功功率控制方式和恒无功功率控制方式之间。

在控制目标一(恒有功功率控制)中，直流母线电压纹波得到较大的抑制，输入电流的不对称性与电网电压相反，无功功率波动达到最大值，有功功率振荡分量被抑制，对应λ＝0。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，具体步骤如下，其特征在于：

在正交坐标系α^hβ^h下于整流器输入侧模拟一个能够表征电路信息的等效电阻，该等效电阻在α^h轴分量上体现为共模电阻CMR与差模电阻DMR和的形式，在β^h轴分量上体现为共模电阻CMR与差模电阻DMR差的形式，进而通过CMR调节平均功率，通过DMR调节由电网不平衡引起的纹波功率，具体如下：

将静止αβ系电压矢量旋转

得到正交α^hβ^h参考系下电压矢量表达式为：

其中，

为αβ系下电压矢量，ω_s是电网角频率，V_p,V_n分别是正负和负序电压幅值，

为正负序电压之间的相角，在α^hβ^h参考系中两个电压分量是正交的；

输入电流矢量表述为：

根据瞬时功率理论得到有功功率和无功功率分量如下：

其中，P₀＝1.5(V_pI_px+V_nI_nx)，P_c2＝1.5(V_pI_nx+V_nI_px)，P_s2＝1.5(V_pI_ny-V_nI_py)，Q₀＝1.5(-V_pI_py-V_nI_ny)，Q_c2＝1.5(-V_pI_ny-V_nI_py)，Q_s2＝1.5(V_pI_nx-V_nI_px)

控制目标表述为：

其中，λ∈[0,1]是权重因子，表征有功功率和无功功率的脉动功率分布情况；

根据电压电流矢量以及控制目标可以得到整流器单位功率因数情况下在α^hβ^h系中的等效电阻为：

其中，

R_com表示共模电阻CMR，R_dif表示差模电阻DMR。

2.根据权利要求1所述的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，其特征在于：所述等效电阻是共模电阻、差模电阻的和与差的形式，进而构造用于调节平均功率的CMR调节器，根据恒定有功功率、对称输入电流和恒定无功功率三种不同的控制目标的需求构造DMR调节器，具体步骤如下：

S1，通过电流正交化进行角度估计以实现坐标变换；

S2，基于扩张状态观测器提取共模电阻CMR与差模电阻DMR调节器的直流分量和纹波分量；

S3，设计共模电阻和差模电阻调节器；

S4，确定参考电压实现模拟电阻控制。

3.根据权利要求2所述的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，其特征在于，S1中所述的估计角度以实现坐标变换是通过电流正交化得到的，具体过程如下：

由于i_α ^h和i_β ^h在α^hβ^h系是正交的，通过强制电流正交化来估计角度，定义估计角度误差为

其中

为角度估计值，则变换阵

为：

进一步得到α^hβ^h系下输入电流

与αβ系下电压的关系为：

相角估计值

通过PI控制器获得：

其中，k_p-ang和k_i-ang为PI控制器参数，

为误差信号，

分别滞后于

90°相移由二阶广义积分器SOGI实现。

4.根据权利要求2所述的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，其特征在于，S2中所述的共模电阻CMR和差模电阻DMR调节器直流分量和纹波分量的提取基于扩张状态观测器得到，具体过程如下：

根据α^hβ^h系模拟电阻模型和输入输出功率关系得：

其中，C为输出电容，R_L为负载电阻，u_dc为输出电容电压，

选择状态变量如下：

输出为

定义误差向量为

为了提取CMR和DMR调节器直流分量和纹波分量，设计扩张状态观测器为：

其中，

为误差反馈增益向量，ω_bw为扩张观测器带宽。

5.根据权利要求4所述的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，其特征在于，S3中所述的共模电阻调节器用于调节平均功率，差模电阻调节器实现恒定有功功率、等幅值输入电流和恒定无功功率三种不同的控制目标，具体如下：

根据式(10)看出平均功率P_av同时受CMR和DMR影响，但CMR是决定平均功率的主要因素。

的直流分量间接反映了平均功率水平，因此共模电阻的控制律设计为：

其中，

是一个恒定阻抗，作用是避免启动时出现过电流；

根据式(10)看出DMR是调节纹波功率P_rip的主要因素，不同的R_dif值对应于不同的纹波功率分布和不同的电流矢量，对DMR的调节实现恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率三种不同的控制目标。

6.根据权利要求5所述的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，其特征在于，所述恒定有功功率、等电流幅值和恒定无功功率三种不同的控制目标具体如下：

控制目标一：恒有功功率

在该控制目标下，需要提取用于反馈控制的相应有功功率纹波信息，根据(9)进一步可以得到纹波功率和

的关系为：

构造误差信号e_rip为：

其中，

差模电阻R_dif通过PI控制器获得：

其中，k_p-dif、k_i-dif为PI控制器参数，δ_rip＝L^-1{G_LPF(s)[e_rip]}≈e₁P_dif，是低通滤波器滤除误差信号e_rip的四倍频分量提取得到的纹波功率分量

控制目标二：等电流幅值

i_α ^h和i_β ^h的电流幅值误差为：

其中，α^hβ^h系下的电流幅值由

x＝α,β获得

DMR控制器设计为：

控制目标三：恒无功功率

由(4)可知λ＝1时无功功率纹波分量为零，实现恒无功功率控制，进一步由(5)可知λ＝1时R_α ^h＝R_β ^h，即R_dif＝0，因此在该控制目标下将DMR电阻设置为零以保持恒定无功功率。

7.根据权利要求2所述的一种针对不平衡电网下的三相整流器模拟电阻控制方法，其特征在于，S4中所述的参考电压通过坐标变换实现，具体如下；

输入电流与α^hβ^h系下等效电阻的乘积作为整流器的α^hβ^h系电压参考，通过坐标反变换得到αβ系下参考电压为：

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