CN115642633A - 一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略。利用直流侧电压、系统调制波信息与交流侧电网电压重构出电网电流，并加入有源控制抑制重构函数的谐振，可实现对实际电流的无静差跟踪。此外，在电流环控制下可以替换采样电流，从而实现无电流传感器控制。本发明能够准确重构电流，快速反应电流参考值引起的变化，实现故障诊断，并在电流传感器故障后，实现容错控制，提高了系统的安全性与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种提高含电流控制或功率控制变流器的并网系统可靠性的无电流传感器控制策略。
背景技术
近年来，随着化石能源逐渐匮乏以及环境问题日益严峻，促进了新能源发电技术的迅速发展，越来越多储能装置和以光伏、风电为主的新能源发电装置并入电网。此外，不同区域间能源供需不均衡，促进了多区域电网之间互联。这些都使得发电模式由传统单一集中式转变成集中式和分布式并存。
并网变流器作为直流系统和交流电网的并网接口单元，能有效控制直流系统和交流电网之间的能量交换。广泛应用于交直流微电网，交流低压微电网互联，直流输变电，电机驱动，交流电动机变频调速等场合。矢量控制系统中，需要电流信息来完成双闭环控制。由于电流冲击、误操作等问题容易导致电流传感器故障而使系统崩溃，所以电流传感器故障诊断和容错控制受到了广大学者的关注。
电流传感器的故障问题，可以通过增加电流传感器的方式来解决，如果再加上电压传感器，用于动作系统继电保护出口所设置的传感器和温度传感器等，过多的传感器件会使系统结构趋于复杂，系统体积大、增加散热难度，并增加系统成本。目前电流传感器的容错控制主要分为两类，分别为单或双电流传感器控制和无电流传感器控制。前者主要利用可测的准确的相电流观测出其它相的电流，主要方法有基于误差校正的状态观测器方法和基于坐标变换的电流观测法。
关于无电流传感器控制的研究，主要集中在预测控制、无电流环控制和电流估计控制等方面。预测控制方法具有响应快、干扰抑制能力强等优点，但建立自适应反步观测器的过程比较复杂，对于模型的准确度要求较高。在无电流回路方法中，移除电流环，只包括电机位置回路和速度环，因此系统不需要电流传感器，但是动态性能较差。电流估计的方法也有多种，如坐标变换和利用直流电流重构等。
要实现电流传感器容错控制，其关键是要设计性能较好的电流观测器，这是广大研究人员一直考虑的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略。利用本发明提出的控制策略，可以准确重构电流，实现故障诊断；重构电流替换采样电流实现无电流传感器控制时，可以保证较好的动态性能，保障系统的稳定运行，实现容错控制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略，应用于变流器的并网系统，该系统包括一台三相并网变流器和交流电网，采用传统直接功率控制或定电流控制策略，该方法包括：
变流器的控制策略如电流控制或者功率控制，其实现要基于传感器对系统电压电流等信号的实时采集，传感器的精确性与可靠性直接影响着换流器的性能。在变流器运行过程中，一旦电流传感器出现故障，会降低系统性能，严重甚至会损坏变流器及其它设备。
电流从abc三相坐标系变化为dq0坐标系的表达式如下：
其中，式中：id、iq、i0分别为电流的d轴、q轴、0轴分量；iA、iB、iC为电流的三相分量；ω为系统的角速度。
当A相电流传感器故障没有输出时，iA＝0，此时可以求出A相电流传感器故障时的d-q轴电流，如下所示：
式中：I代表三相电流的幅值。在A相电流传感器故障时，帕克变换所得到的d-q轴电流不再是一个稳定的直流值，而是变为交流电流形式，其频率为2倍的基频。若将错误的d-q轴电流反馈到控制系统中，将会给系统注入震荡分量，造成系统失去稳定。因此需要设计良好的电流重构器，重构交流侧电流，并实现容错控制，保障可靠运行。
d-q轴电流的微分与电感滤波器的d-q轴电压直接相关，因此可以考虑利用电感滤波器的d-q轴电压这一状态变量得到d-q轴电流，保障系统的安全运行。电感的d-q轴电流满足以下公式
utd-ugd＝L2sid-ωL2iq+Rid
utq-ugq＝L2siq+ωL2id+Riq
L2是交流侧滤波电感，R＝r2+rg是滤波电感的杂散电阻与电网电阻的加和，id、iq是电网电流的d-q轴分量，utd、utq是逆变器输出电压的d-q轴分量，ugd、ugq是电网等效电压源的d-q轴分量，s为微分算子。
从以上两式可以得出
仅需d-q轴两个电感电压即可求解出d-q轴电流。电感电压的获取可以采用传感器测量得到，但是测得的信号含有大量谐波并且会增加传感器的使用。因此考虑结合直流侧电压与调制环节作用机理，重构得到交流侧输出电压utd和utq。
其中，式中：Md与Mq分别为控制系统产生的d轴与q轴平均占空比，可以从控制系统中获得；Ts为PWM开关周期。
综合上式，可以得到重构电流。同时为了消除重构传函中的谐振峰，本发明采用了有源阻尼控制，在不增加系统功率损耗的同时，实现对谐振的抑制。使用重构电流替换采样电流，即可实现无电流传感器闭环控制，保障系统的可靠稳定运行。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略。该方法使用直流侧电压、调制波与交流侧电网电压计算出电感上的电压，利用此电压，重构出网侧电流，并采用有源阻尼技术抑制电流重构过程中的谐振，实现交流侧d-q轴电流的准确重构，保障无静差跟踪。利用本发明提出的电流重构方法，可以实现故障诊断；重构电流替换采样电流实现无电流传感器控制时，也可以保证较好的动态性能，保障系统的稳定运行，有一定的抗干扰性。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明DC/AC并网变流器系统的结构框图；
图2是本发明DC/AC并网变流器采用的传统电流控制框图；
图3是本发明采用有源阻尼的无电流传感器控制框图；
图4是本发明使用重构电流的控制策略框图；
图5是本发明不同虚拟电阻对重构传递函数谐振抑制情况的伯德图；
图6是本发明故障诊断的基本框图；
图7是本发明加入虚拟电阻前后的仿真对比波形；
图8是本发明控制策略控制下的仿真波形；
图9是本发明优化前a相电流传感器失效下的仿真波形；
图10是本发明优化后a相电流传感器失效下的仿真波形；
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做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。
本发明的目的是提供一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略。利用本发明提出的控制策略，可以准确重构电流，实现故障诊断；重构电流替换采样电流实现无电流传感器控制时，可以保证较好的动态性能，保障系统的稳定运行，实现容错控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明DC/AC并网变流器系统的结构框图，如图1所示，包括DC/AC并网变流器和交流电网，udc1为直流电压源电压，udc2为电容电压，r1、L1分别为直流线路等效的电阻与电感，电压逆变器采用的结构为6个IGBT组成的三相桥式逆变电路，L1为直流侧滤波电感，r1为电感L1上的杂散电阻，L2为直流侧滤波电感，r2为电感L2上的杂散电阻，Lg、rg分别为电网等效阻抗的电感、电阻，ei(i＝a/b/c)是电网等效理想电压源，igi、ugi(i＝a/b/c)分别为测量得到的三相电流与电压。
图2为本发明DC/AC并网变流器采用的传统电流控制框图，如图2所示，idref和iqref分别为并网电流给定值d-q轴分量，id和iq分别为并网电流实际值d-q轴分量，ugd和ugq分别为并网电压实际值d-q轴分量，utdref和utqref分别为逆变器出口电压参考值d-q轴分量。为实现单位功率因数并网，将iqref设为0。
图3为本发明采用有源阻尼的无电流传感器控制框图，Rv代表虚拟电阻。定义G1(s)、G2(s)为电流重构函数，分别为得到重构电流时电感d轴、q轴电压前面的系数。在进行电流重构时，使用虚拟电阻采用点前端的d-q轴电压来计算电感电压，这样重构函数中的R变为电感电阻与虚拟电阻的加和，达到抑制重构传函谐振的效果。
图4为使用重构电流的控制策略框图。图中：GP(s)为PI环节等效的传递函数；Gd(s)为SPWM调制和数字控制延时等效的一阶传递函数；GL(s)为交流侧滤波电感等效的传递函数；Δud、Δud分别为电感d-q轴计算电压的误差；G1(s)、G2(s)分别为得到重构电流时电感d轴、q轴电压前面的系数；idest、iqest分别为d轴、q轴重构电流。
d-q轴电流的微分与电感滤波器的d-q轴电压直接相关，因此可以考虑利用电感滤波器的d-q轴电压这一状态变量得到d-q轴电流，保障系统的安全运行。电感的d-q轴电流满足以下公式
utd-ugd＝L2sid-ωL2iq+Rid
utq-ugq＝L2siq+ωL2id+Riq
L2是交流侧滤波电感，R＝r2+rg是滤波电感的杂散电阻与电网电阻的加和，id、iq是电网电流的d-q轴分量，utd、utq是逆变器输出电压的d-q轴分量，ugd、ugq是电网等效电压源的d-q轴分量，s为微分算子。
从以上两式可以得出
电感电压的获取可以采用传感器测量得到，但是测得的信号含有大量谐波并且会增加传感器的使用。电感电压除了通过测量得到外，还可以通过控制模型与网侧电压采样得到，并网逆变器输出侧d-q轴电压utd与utq可以通过传感器测量得到，但会多使用三个传感器，并且测量得到的电压谐波仍然含量较多，因此本发明结合调制环节作用机理，重构得到交流侧输出电压utd和utq。
其中，式中：Md与Mq分别为控制系统产生的d轴与q轴平均占空比，可以从控制系统中获得；Ts为PWM开关周期。
综合上式，可以得到重构电流。同时为了消除重构传函中的谐振峰，本发明采用了有源阻尼控制，在不增加系统功率损耗的同时，实现对谐振的抑制。使用重构电流替换采样电流，即可实现无电流传感器闭环控制，保障系统的可靠稳定运行。
图5为本发明不同虚拟电阻对重构传递函数谐振抑制情况的伯德图。
看到随着虚拟电阻Rv的增大，谐振得到有效抑制，在本发明基于的仿真系统下当Rv＝2Ω时，抑制效果较好，此时若继续增大效果不明显，而且会造成动态响应速度过慢。
图6是本发明故障诊断的基本框图；
通过利用电压进行电流重构，可以实现对电流的实时监测。将重构电流与实际电流做差，得到三相电流残差εabc，当残差超过阈值时即可判断出电流传感器故障，并及时启动无电流传感器控制，阈值可根据历史数据而设定。
搭建如图1所示的DC/AC并网变流器系统的仿真模型，直流母线侧电压为800V；无功功率给定值为0kW；基波频率为50Hz；开关频率为10kHz；交流电网线电压的有效值为380V；线路电感值为1.5mH。
图7是本发明加入虚拟电阻前后的仿真对比波形；
在未加入有源阻尼时，重构电流有较大振荡，且稳态波动较大。加入有源阻尼后重构电流振荡得到抑制，稳态值较为准确，且动态性能优秀，可以迅速跟上电流阶跃的变化，由此可以证明重构电流的准确性，在控制时可以使用重构电流进行控制，从而实现无电流传感器控制。
图8是本发明控制策略控制下的仿真波形。0.25s时d轴电流参考值从30A变为15A，0.5s时切换为无电流传感器控制，在0.75s时d轴电流参考值从15A变为30A。通过对比加入有源阻尼前后的阶跃响应可以看出，有源阻尼可以减小阶跃超调量，避免对系统的冲击影响，并且减小系统的稳态波动。通过分析切换无电流传感器控制前后的三相电流波形，切换控制前后三相电流没有明显改变，由此证明了本发明提出控制的准确性。综合以上分析可以说明，在使用发明提出的无电流传感器控制策略时，可以保证系统的安全可靠运行。
图9本发明优化前a相电流传感器失效下的仿真波形。从仿真波形可以看出，在原来使用采样电流的定电流控制下，在0.3s时a相电流传感器输出为0，此后电流与功率均偏离平衡点，系统陷入振荡模式。
图10本发明优化后a相电流传感器失效下的仿真波形。从仿真波形可以看出，在0.48s时a相电流传感器出现故障，此后功率失稳增加到15KW，在0.5s时切换为本发明提出的无电流传感器控制策略，然后功率0.05s内恢复稳定。在电流传感器出现问题后，本发明提出的控制策略可以很快的使失稳系统恢复稳定，且实现无差控制。对比两种控制方法下的波形可知，本发明所提出的基于有源阻尼优化的无电流传感器控制策略可以单独进行控制，在维持较好动态性能的同时可以实现无差调节。
本发明提供的一种基于有源阻尼优化的无电流传感器控制策略，使用直流侧电压、调制波与交流侧电网电压计算出电感上的电压，利用此电压，重构出网侧电流，并采用有源阻尼技术抑制电流重构过程中的谐振，实现交流侧d-q轴电流的准确重构，最后利用重构电流替换采样电流实现了无电流传感器控制。利用本发明提出的电流重构方法，可以准确重构电流，实现故障诊断；重构电流替换采样电流实现无电流传感器控制时，可以保证较好的动态性能，保障系统的稳定运行，有一定的抗干扰性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略，应用于含功率控制变流器的并网系统，该系统包括一台三相并网变流器和交流电网，其特征在于，包括：
变流器的控制策略如电流控制或者功率控制，其实现要基于传感器对系统电压电流等信号的实时采集，传感器的精确性与可靠性直接影响着换流器的性能。在变流器运行过程中，一旦电流传感器出现故障，会降低系统性能，严重甚至会损坏变流器及其它设备。
电流从abc三相坐标系变化为dq0坐标系的表达式如下：
其中，式中：id、iq、i0分别为电流的d轴、q轴、0轴分量；iA、iB、iC为电流的三相分量；ω为系统的角速度。
当A相电流传感器故障没有输出时，iA＝0，此时可以求出A相电流传感器故障时的d-q轴电流，如下所示：
式中：I代表三相电流的幅值。在A相电流传感器故障时，帕克变换所得到的d-q轴电流不再是一个稳定的直流值，而是变为交流电流形式，其频率为2倍的基频。若将错误的d-q轴电流反馈到控制系统中，将会给系统注入震荡分量，造成系统失去稳定。
2.根据权利要求1所述的一种基于有源阻尼优化的逆变器无电流传感器控制策略，其特征在于，包括：
d-q轴电流的微分与电感滤波器的d-q轴电压直接相关，因此可以考虑利用电感滤波器的d-q轴电压这一状态变量得到d-q轴电流，保障系统的安全运行。电感的d-q轴电流满足以下公式
utd-ugd＝L2sid-ωL2iq+Rid
utq-ugq＝L2siq+ωL2id+Riq
L2是交流侧滤波电感，R＝r2+rg是滤波电感的杂散电阻与电网电阻的加和，id、iq是电网电流的d-q轴分量，utd、utq是逆变器输出电压的d-q轴分量，ugd、ugq是电网等效电压源的d-q轴分量，s为微分算子。
从以上两式可以得出
仅需d-q轴两个电感电压即可求解出d-q轴电流。电感电压的获取可以采用传感器测量得到，但是测得的信号含有大量谐波并且会增加传感器的使用。因此考虑结合直流侧电压与调制环节作用机理，重构得到交流侧输出电压utd和utq。
其中，式中：Md与Mq分别为控制系统产生的d轴与q轴平均占空比，可以从控制系统中获得；Ts为PWM开关周期。
综合上式，可以得到重构电流。同时为了消除重构传函中的谐振峰，本发明采用了有源阻尼控制，在不增加系统功率损耗的同时，实现对谐振的抑制。使用重构电流替换采样电流，即可实现无电流传感器闭环控制，保障系统的可靠稳定运行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Liu Tengfei Document name: Notification of qualification for preliminary examination of patent application for invention |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
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Addressee: Liu Tengfei Document name: Notification of Entering the Substantive Examination Phase of an Invention Patent Application |