CN102931671A

CN102931671A - 电网故障下电压型pwm整流器输出功率谐振控制方法

Info

Publication number: CN102931671A
Application number: CN2012104158655A
Authority: CN
Inventors: 施艳艳; 王萌
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种不对称电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法。本发明的技术方案要点为：一种不对称电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法，将输出有功功率、无功功率的二倍频分量参考值与计算得到的输出有功功率、无功功率实际值作差，经过比例谐振控制器得到二倍频补偿电压，并补偿到传统矢量控制的输出电压中，最终得到两相静止坐标系下的参考电压,该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。本发明在电网不对称故障条件下，不需要对系统中的正、负序分量进行计算和分解，能够对电压型PWM整流器的输出功率脉动进行直接补偿，实现直流母线电压的稳定控制，保证了系统的输出品质，算法简单，容易实现。

Description

电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法

技术领域

本发明涉及电压型PWM整流器的控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域，特别涉及一种不对称电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法。

背景技术

三相电压型脉宽调制整流器广泛应用于整流、有源滤波、交流调速和新能源并网发电等领域。在电网运行过程中，单相负荷在三相系统中的不均衡分配、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的随机性等因素，会造成电网不对称故障，引起电网电压三相不对称。此时，针对三相电网平衡条件设计的常规PWM整流器控制策略将不能实现单位功率因数，正弦输入电流，恒定直流母线电压等控制特性。

针对不对称电网故障情况，传统的PWM整流器控制方法是采用对称分量理论对系统进行正、负序分解，并建立两个分别实施在正、反转同步旋转坐标系中的电流控制器对正、负序电流进行控制。有学者提出由电网输入功率求取正、负序电流参考值的方法，此方法可以获得较为稳定的输入功率，但由于没有考虑整流器进线电抗的影响，整流器输出功率和直流母线电压将会出现二倍频波动。有学者提出由功率桥输入侧功率求取正、负序电流参考值的方法，通过控制实现功率桥输入侧的功率恒定，获得较为平稳的直流母线电压。以上方法中，控制器均需要实施在同步旋转坐标系，并需要对正、负序分量进行分解。为了减少坐标变换，近年来，一种能够对交流信号进行无静差调节的谐振控制器被应用于不对称电网故障条件下的PWM整流器控制。有学者根据计算得到的正、负序电流给定值，在两相静止坐标系中采用比例-谐振控制器对正、负序电流统一进行调节，此方法虽然避免了电流内环中的正、负序计算，但是为了计算正、负序电流给定值，必须对系统中各分量进行正、负序分解，增加了控制方案的运算量。

因此，有必要设计一种不对称电网故障下PWM整流器的控制方法，使得控制系统运行时，不需要正、负序分解又可以对PWM整流器的输出功率脉动进行直接补偿，保持恒定的直流母线电压，有效提高不对称电网故障条件下整流器的输出品质。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种不对称电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法，该方法不需要正、负序分解计算，且能够对PWM整流器的输出功率脉动进行直接补偿，保证系统的输出品质。

本发明的技术方案为：一种不对称电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法，其特征在于包括以下步骤：(l)、检测三相电网电压，三相电网电流和直流侧电压，并通过锁相环计算电网电压旋转角速度和位置角；(2)、将检测到的三相电网电压和三相电网电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；(3)、将得到的两相静止坐标系下的电网电压和电网电流以电网电压位置角进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和电网电流；(4)、根据上一时刻两相旋转坐标下的输出电压和电网电流计算系统输出的有功功率和无功功率；(5)、将系统输出有功功率、无功功率二倍频脉动给定值分别与步骤(4)得到的系统有功功率和无功功率实际值做差，再分别经过比例谐振控制器(1)、比例谐振控制器(2)并经过补偿电压计算分别得到输出有功功率和无功功率二倍频补偿项；(6)、将直流侧电压给定值与步骤(1)得到的直流侧电压实际值的差经过PI控制器(1)后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值；(7)、将步骤(6)中计算得到的旋转坐标系下d轴电流的给定值与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d轴电流相减，然后经过PI控制器(2)，将PI控制器(2)的输出电压通过前馈补偿解耦计算得到旋转坐标系下d轴电压的参考值，设q轴电流给定值为0，其与步骤(3)所计算得到的q轴电流相减，然后经过PI控制器(3)，将PI控制器的输出电压通过前馈补偿解耦计算得到旋转坐标系下q轴电压的参考值；(8)、将旋转坐标系下d、q轴电压参考值分别与步骤(5)得到的二倍频补偿项相加，以电网电压位置度为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

本发明步骤(5)中所述带比例谐振控制器控制器的角速度ω _o设置为二倍电网电压同步旋转角速度2ω _g，其频域表达式为：

Figure 2012104158655100002DEST_PATH_IMAGE002

本发明控制方法针对不对称电网故障情况，不需要对不平衡系统中的正、负序分量进行计算和分解，能够对PWM整流器的功率脉动进行直接补偿，实现直流母线电压的稳定控制，保证了系统的输出品质，算法简单，容易实现。

附图说明

图1为三相电压型PWM变换器主电路结构；图2为不对称电网故障下系统变量在不同坐标系中的关系图；图3本发明控制原理图；图4为矢量控制下的输出功率波形图；图5为本发明控制下的输出功率波形图；图6为矢量控制下的直流母线电压波形图；图7为本发明控制下的直流母线电压波形图。

具体实施方法

结合附图详细描述实施例。三相电压型PWM变换器主电路结构如图1所示，图1中，P _i、Q _i分别为电网输入有功、无功功率；P _o、Q _o分别为整流器输出有功、无功功率。u _a、u _b、u _c为交流侧三相电压源；i _a、i _b、i _c为三相交流侧电流；v _a、v _b、v _c为功率桥输入侧三相电压；u _dc为直流侧电压；O为电网中点；L和R分别为进线电感及其等效电阻；C为直流母线电容。在理想情况下，可认为电网输入功率等于功率桥输入功率与进线电感及等效电阻上消耗的功率之和，而功率桥输入功率等于直流侧与负载功率之和。

在电网三相电压平衡且稳定情况下，可得PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型:

Figure 2012104158655100002DEST_PATH_IMAGE004

(1)

式中u _d、u _q分别为电网电压的d、q轴分量，i _d、i _q分别为交流侧电流的d、q轴分量，v _d、v _q分别为功率桥输入侧输入电压的d、q轴分量，w _g为电网电压旋转角速度。

同步旋转坐标系下系统输出功率方程为

(2)

不对称电网故障时系统各电量包括正序分量、负序分量和零序分量。对于三相无中线系统，可以认为不存在零序分量，因此在旋转坐标系中，仅考虑系统电量中的正序分量和负序分量。如图2为静止αβ坐标系，正、反转同步速ω _g旋转dq^p，dqⁿ坐标系间的矢量关系图。图中上标n，p分别表示正、反转同步旋转坐标系，F广义表示电压、电流矢量。

由图2可知，在不对称电网故障情况下，系统各个变量之间坐标转换关系为：

(3)

式中上标n，p分别表示正、反转同步旋转坐标系，下标n，p分别表示正、负序分量。

根据上式可得出不对称电网故障故障时系统各电量在正、反转旋转坐标系中相应正、负序分量的形式：

(4)

由图2和式(1)-(4)可得系统方程：

(5)

在不对称电网故障条件下系统输出有功功率和无功功率方程为

(6)

其中

Figure 2012104158655100002DEST_PATH_IMAGE001

式中P _o0、Q _o0分别为输出有功、无功功率直流分量，P _oc2、Q _oc2分别为输出有功、无功功率余弦二倍频分量幅值，P _os2、Q _os2分别为输出有功、无功功率正弦二倍频分量幅值。

在稳态情况下可认为P _oc2、P _os2、Q _oc2、Q _os2均为常数，分别设

(7)

则式(6)可表示为

(8)

由上式可知，在不对称电网故障条件下系统功率可表示为直流量与二倍频分量之和的形式:

(9)

在电网发生不对称故障时各电量在正转旋转坐标系中均含有二倍频交流量。因此不对称电网时PWM整流器的控制关键在于对其二倍频分量的抑制。

将式(6)中反向同步旋转坐标系下的负序分量转换到正向同步旋转坐标系下可得系统输出功率二倍频分量为

(10)

稳态时，忽略式(5)中电流微分项及等效电阻的影响，将其代入式(10)经计算整理可得

(11)

由式(11)可知，正序分量为直流分量，负序分量为二倍频分量。令d轴与电网电压矢量同向，此时

=0。由于电网电压q轴的二倍频分量在0附近波动，为了降低控制系统复杂性，忽略此波动分量，可得系统功率二倍频方程为

(12)

电网发生不对称故障时PWM整流器功率谐振控制方法原理分析如下：

根据式(1)，同步旋转坐标系中变换器控制参考电压可分别设计为：

(13)

其中

式中

、分别为变流器控制参考电压，k _p、k _i分别为控制器的比例、积分系数，、

分别为控制器指令电流。由式（13）可以进行控制环节的前馈补偿解耦计算。

二倍频控制器需要在指定的二倍电网频率下具有较大增益，且对其他频段信号不产生影响。为了实现此控制特性，本发明采用比例谐振(PR)控制器作为二倍频控制器，其中心角速度设为二倍同步角速度。该PR控制器实施于两相同步旋转坐标系中，当电网发生不对称故障时，控制器可以针对二倍频信号进行独立控制，补偿传统基于矢量控制的PI电流控制器的输出电压，达到去除有功功率和无功功率二倍频脉动的目的。系统运行时无需对系统中的电量进行正、负相序分解。

在电网发生不对称故障情况下，考虑稳态情况时的直流分量可认为是常数，为了体现对功率二倍频分量的控制，对式(12)求导可得

(14)

根据式(5)和式(14)可得

(15)

式中

、

分别为同步旋转坐标系中PWM整流器二倍频控制参考电压，其可按比例谐振控制原则设计为

(16)

其中

(17)

(18)

式中k _pr、k _ir分别为PR控制器的比例、谐振系数，ω _g为电网电压同步旋转角速度，

、

分别为有功、无功功率二倍频指令值。式(16)中控制电压

和的系数可以通过比例系数k _pr进行补偿，式(17)作为电压前馈补偿项可以省去。因此，式(16)可简化为

(19)

式（19）即为补偿电压计算模块。

在电网发生不对称故障情况下，加入功率脉动补偿电压后的控制方程为

(20)

图3为电网发生不对称故障时PWM整流器输出功率谐振控制原理图，其控制方法具体包括如下步骤：

(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压u _a、u _b、u _c，三相电网电流i _a、i _b、i _c，和直流侧电压u _dc，采用锁相环检测电网电压旋转角速度ω _g和位置角θ；

(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压u _a、u _b、u _c和三相电网电流i _a、i _b、i _c经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u _α、u _β和电网电流i _α、i _β；

(3) 将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u _α、u _β与电网电流i _α、i _β以电网电压位置角θ进行Park变换，得到同步旋转坐标下的电网电压u _d、u _q与电网电流i _d 、i _q；

(4) 通过上一时刻得到的两相旋转坐标下的输出电压v _{d_1}、v _{q_1}，电网电流i _d 、i _q计算得到系统输出有功功率P _o、无功功率Q _o；

(5) 将整流器输出有功功率、无功功率二倍频脉动给定值分别与步骤(4)得到的整流器输出有功功率和无功功率实际值做差，然后分别经过比例谐振控制器(1)、比例谐振控制器(2)并经过补偿电压计算分别得到有功功率和无功功率二倍频补偿项v _dn ^*、v _qn ^*；

(6) 将直流侧电压给定值与步骤(1)得到的直流侧电压实际值的差经过PI控制器(1)后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值i _d ^*；并设q轴电流的给定值i _q ^*为0；

(7) 将步骤(6)中计算得到的旋转坐标系下d、q轴电流的给定值i _d ^*和i _q ^*分别与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d、q轴电流i _d和i _q相减，然后分别经过PI控制器(2)、PI控制器(3)计算得到旋转坐标系下d、q轴PI控制器输出值v _d ^’和v _q ^’，根据PI控制器(2)、PI控制器(3)输出值v _d ^’和v _q ^’，通过式(13)的前馈补偿解耦计算得到电压参考值v _d1 ^*和v _q1 ^*，

(8)将步骤(7)得到的电压参考值v _d1 ^*和v _q1 ^*分别与二倍频电压补偿项v _dn ^*、v _qn ^*相加，以步骤(1)中检测到的电网电压位置角θ为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。

图3中PR控制器角速度ω _o设置为二倍电网电压旋转角速度ω _g，表达式为：

(21)

图4、图5分别为采用矢量控制和采用本发明控制方法时PWM整流器的输出功率波形图。由图4中矢量控制下的输出功率波形可以看出，当不对称电网故障时，系统的输出有功、无功功率均出现了二倍频脉动；而图5可知，采用本发明控制时的输出功率的二倍频脉动得到有效抑制，保证了有功、无功功率的稳定输出。

图6、图7分别为采用矢量控制和本发明控制方法时的直流侧电压波形图。由图6可以看出，在电网发生不对称故障时，采用矢量控制的PWM整流器直流母线电压发生二倍频波动，严重影响系统的输出品质；由图7可以看出，采用本发明控制可以有效抑制直流母线电压波动，获得较为稳定的直流母线电压。

综上所述，本发明的控制方法在不对称电网故障条件下能够有效的抑制整流器输出功率的二倍频波动，可获得较为稳定的直流侧电压，有效提高变换器的驱动品质；与基于正、负序d、q坐标的双电流控制方法相比计算量小，控制结构简单，能够同时消除系统输出有功、无功功率的二次脉动。

Claims

1.一种不对称电网故障下电压型PWM整流器输出功率谐振控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测三相电网电压，三相电网电流和直流侧电压，并通过锁相环计算电网电压旋转角速度和位置角；(2)、将检测到的三相电网电压和三相电网电流经3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；(3)、将得到的两相静止坐标系下的电网电压和电网电流以电网电压位置角进行Park变换，得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和电网电流；(4)、根据上一时刻两相旋转坐标下的输出电压和电网电流计算系统输出的有功功率和无功功率；(5)、将系统输出有功功率、无功功率二倍频脉动给定值分别与步骤(4)得到的系统有功功率和无功功率实际值做差，再分别经过比例谐振控制器(1)、比例谐振控制器(2)并经过补偿电压计算分别得到输出有功功率和无功功率二倍频补偿项，其中比例谐振控制器的角速度设置为二倍电网电压同步旋转角速度；(6)、将直流侧电压给定值与步骤(1)得到的直流侧电压实际值的差经过PI控制器(1)后，计算得到旋转坐标系下d轴电流的给定值；(7)、将步骤(6)中计算得到的旋转坐标系下d轴电流的给定值与步骤(3)所计算得到的旋转坐标系下的d轴电流相减，然后经过PI控制器(2)，将PI控制器的输出电压通过前馈补偿解耦计算得到旋转坐标系下d轴电压的参考值，设q轴电流给定值为0，其与步骤(3)所计算得到的q轴电流相减，然后经过PI控制器(3)，将PI控制器(3)的输出电压通过前馈补偿解耦计算得到旋转坐标系下q轴电压的参考值；(8)、将旋转坐标系下d、q轴电压参考值分别与步骤(5)得到的二倍频补偿项相加，以电网电压位置度为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。