CN111190056B - 功率变换器lc交流滤波器电感参数的在线估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，具体为：采样三相电网电压、三相滤波电感电流以及通过直流侧电压以及三相占空比进行重构得到三相变换器端口电压，然后将采样的电压及电流变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量，建立参考模型、可调模型，选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数。本发明功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，解决了现实工况下实际的滤波电感值与控制方法中采用的电感标称值误差比较大时并网电流控制精度下降的问题。

Description

功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法。

背景技术

功率变换器对电能进行变换来满足相关负载供电要求，不论功率变换器是整流功能还是逆变功能，在交流电网侧通常会使用LC滤波器对工频交流电进行滤波，使得交流侧的电流谐波含量满足国家标准，减小对电网的谐波污染。在功率变换器的控制之中，三相滤波电感电流常常被当作控制对象，而电流控制的效果好坏与电感大小密切相关。实际电路中的电感值常常会因为加工工艺、工作温度、频率等因素而偏移标称值。当实际控制中所采用的控制方法含有电感值时，一旦实际电感值偏离控制方法中所用的电感标称值误差较大时，会直接影响电流的控制精度，甚至影响系统的稳定性，对电网电流质量造成一定的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，解决了现实工况下实际的滤波电感值与控制方法中采用的电感标称值误差比较大时并网电流控制精度下降的问题。

本发明所采用的技术方案是，功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，所述功率变换器为包括带有LC滤波器的直流-交流并网逆变电路或交流-直流整流电路，所述功率变换器的直流侧连接具有直流电压源性质的直流电，所述功率变换器的交流侧连接交流电网，所述功率变换器的主电路是三相变换电路，电感参数的在线估计方法为：采样三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及通过直流侧电压以及三相占空比进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c，然后将三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及重构的三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c经过坐标变换变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量，设定d、q轴上的实际两相电感电流为参考模型，以d、q轴上的两相电网电压和两相重构端口电压建立电感电流的可调模型，以可调模型的d、q两相电感电流去逼近参考模型的实际d、q两相电感电流，参考模型的实际d、q两相电感电流与对应的可调模型的d、q两相电感电流分别做差，选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数。

本发明的特征还在于，

主电路是三相两电平变换电路或三相T型或I型三电平变换电路。

重构三相变换器端口电压具体为：

通过采样的直流侧电压U_dc和利用控制器上一拍计算的三相调制波的占空比d_a、d_b、d_c，根据式(1)进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b和u_c：

将三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及重构的三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c经过坐标变换变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量具体按照公式(2)-(4)变换：

式中，u_d、u_q为变换器三相端口电压在d、q坐标轴的电压分量，i_d、i_q为三相电感电流在d、q坐标轴的电流分量，e_d、e_q为三相电网电压在d、q坐标轴的电压分量，ω为电网角频率。

参考模型的电感电流表达式具体为：

参考模型的电感电流为实际采样的三相电感电流在d、q坐标轴的电流分量i_d、i_q，其表达式为公式(3)。

可调模型的电感电流表达式为：

其中，

表示估计的电感值，

分别表示在d、q坐标系下的估计的电流分量在当前时刻的值，

分别表示在d、q坐标系下的估计的电流分量在上一时刻的值，T_s表示开关周期。

自适应率的表达式为：

式中，L为滤波电感标称值，

为积分结构，R₂(t)为比例结构，K_i和K_p分别为积分系数和比例系数，即R₁(t)＝K_i[ε_d(u_d-e_d)+ε_q(u_q-e_q)]，R₂(t)＝K_p[ε_d(u_d-e_d)+ε_q(u_q-e_q)]，ε_d和ε_q分别为参考模型的电感电流与可调模型的电感电流在d、q坐标系下的误差分量，即

选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数具体为：

当满足条件

时，得到在线估计的电感参数的表达式(9)：

若不满足上述条件，则根据自适应率公式(8)调节

作用到公式(7)中，重新建立电感电流的可调模型，重新进行电感参数的在线估计。

本发明的有益效果是

本发明提供的功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，原理简单、思路清晰、易于实现，解决了现实工况下实际的滤波电感值与控制方法中采用的电感标称值误差比较大时并网电流控制精度下降、电流可能发生畸变甚至出现不稳定的问题，通过本发明的在线估计算法的准确预估，在不增加系统硬件成本的基础上，能够有效提高功率变换器交流侧三相电流的控制精度，减小对大电网的电流谐波污染。

附图说明

图1是本发明功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法中具有LC交流滤波器的功率变换器示意图；

图2是本发明功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，其结构如图1所示，所述功率变换器为包括带有LC滤波器的直流-交流并网逆变电路或交流-直流整流电路，所述功率变换器的直流侧连接具有直流电压源性质的直流电，所述功率变换器的交流侧连接交流电网，所述功率变换器的主电路是三相变换电路，电感参数的在线估计方法为：其流程如图2所示，采样三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及通过直流侧电压以及三相占空比进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c，然后将三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及重构的三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c经过坐标变换变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量，设定d、q轴上的实际两相电感电流为参考模型，以d、q轴上的两相电网电压和两相重构端口电压建立电感电流的可调模型，以可调模型的d、q两相电感电流去逼近参考模型的实际d、q两相电感电流，参考模型的实际d、q两相电感电流与对应的可调模型的d、q两相电感电流分别做差，选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数。

优选地，主电路是三相两电平变换电路或三相T型或I型三电平变换电路。

优选地，重构三相变换器端口电压具体为：

通过采样的直流侧电压U_dc和利用控制器上一拍计算的三相调制波的占空比d_a、d_b、d_c，根据式(1)进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b和u_c：

优选地，将三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及重构的三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c经过坐标变换变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量具体按照公式(2)-(4)变换：

式中，u_d、u_q为变换器三相端口电压在d、q坐标轴的电压分量，i_d、i_q为三相电感电流在d、q坐标轴的电流分量，e_d、e_q为三相电网电压在d、q坐标轴的电压分量，ω为电网角频率。

优选地，参考模型的电感电流表达式具体为：

参考模型的电感电流为实际采样的三相电感电流在d、q坐标轴的电流分量i_d、i_q，其表达式为公式(3)。

可调模型的电感电流表达式为：

其中，

表示估计的电感值，

分别表示在d、q坐标系下的估计的电流分量在当前时刻的值，

分别表示在d、q坐标系下的估计的电流分量在上一时刻的值，T_s表示开关周期。

优选地，自适应率的表达式为：

式中，L为滤波电感标称值，

为积分结构，R₂(t)为比例结构，K_i和K_p分别为积分系数和比例系数，即R₁(t)＝K_i[ε_d(u_d-e_d)+ε_q(u_q-e_q)]，R₂(t)＝K_p[ε_d(u_d-e_d)+ε_q(u_q-e_q)]，ε_d和ε_q分别为参考模型的电感电流与可调模型的电感电流在d、q坐标系下的误差分量，即

优选地，选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数具体为：

当满足条件

时，得到在线估计的电感参数的表达式(9)：

若不满足上述条件，则根据自适应率公式(8)调节

作用到公式(7)中，重新建立电感电流的可调模型，重新进行电感参数的在线估计。

图1是本发明所采用的LC交流滤波器的功率变换器事宜图，包括直流电源、功率变换器、LC滤波器、电网等。图中，U_dc为直流侧稳压电源；L为滤波电感；C_f为滤波电容；e_a、e_b、e_c为三相电网电压；u_a、u_b、u_c为功率变换器三相端口电压；i_a、i_b、i_c为三相交流电流。

图2是本发明电感参数估计算法框图。将实际采样获得的三相电感电流i_a、i_b、i_c，根据参考电流模型的公式(3)，计算出参考模型的电感电流i_d、i_q。根据公式(1)利用直流侧电压U_dc和控制器上一拍计算的三相调制波的占空比d_a、d_b、d_c，进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c，根据公式(4)得到d、q坐标轴的电压分量u_d、u_q。将实际采样获得的三相电网电压e_a、e_b、e_c，根据公式(2)计算出d、q坐标轴的电压分量e_d、e_q。根据可调电流模型公式(7)计算出估计的电流分量

若满足条件

则利用公式(9)计算得出电感估计值，估计过程结束；否则，根据自适应率公式(8)调节

作用到公式(7)中，继续进行上述估计过程。

本发明在建立可调模型的电感电流表达式时，对于三相LC型滤波器，将功率变换器看成一个黑匣子，只从其输出端口电压向电网方向看，得到等效电路，依据基尔霍夫电压定律，列写等效电路在d、q坐标系下的状态方程表达式为：

式中，L为滤波电感标称值。

由于实际采样的电感电流存在噪声，以及滤波电感会因为加工工艺、工作温度、频率等因素而偏移标称值，所以将式(5)改写为式(6)的形式。

式中，

表示估计的电感值，

分别表示在dq坐标系下的估计的电流分量。

对式(6)进行后向差分离散化，可以得到当前拍dq坐标系下电流估计分量的表达式，如式(7)所示。

式(7)是本发明的可调模型的电感电流表达式。

本发明公开了一种功率变换器LC交流滤波器的电感参数在线估计方法，将采集到三相电感电流、三相电网电压以及重构的三相端口电压经过三相到两相的坐标变换，得到系统的参考电流模型，然后根据状态方程以估计值的形式列写出系统的可调电流模型，将系统的参考电流模型与可调电流模型作差得出系统的电流误差，并根据电流误差构建出系统的自适应率，最终使电流误差收敛到较小的定值，从而得到估计的电感值，反馈至电流控制之中，从而提高电流控制精度。

Claims (3)

1.功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，其特征在于，所述功率变换器为包括带有LC滤波器的直流-交流并网逆变电路或交流-直流整流电路，所述功率变换器的直流侧连接具有直流电压源性质的直流电，所述功率变换器的交流侧连接交流电网，所述功率变换器的主电路是三相变换电路，电感参数的在线估计方法为：采样三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及通过直流侧电压以及三相占空比进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c，然后将三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及重构的三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c经过坐标变换变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量，设定d、q轴上的实际两相电感电流为参考模型，以d、q轴上的两相电网电压和两相重构端口电压建立电感电流的可调模型，以可调模型的d、q两相电感电流去逼近参考模型的实际d、q两相电感电流，参考模型的实际d、q两相电感电流与对应的可调模型的d、q两相电感电流分别做差，选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数；

所述将三相电网电压e_a、e_b、e_c、三相滤波电感电流i_a、i_b、i_c以及重构的三相变换器端口电压u_a、u_b、u_c经过坐标变换变为同步旋转坐标下对应的d、q轴分量具体按照公式(2)-(4)变换：

式中，u_d、u_q为变换器三相端口电压在d、q坐标轴的电压分量，i_d、i_q为三相电感电流在d、q坐标轴的电流分量，e_d、e_q为三相电网电压在d、q坐标轴的电压分量，ω为电网角频率；

所述参考模型的电感电流表达式具体为：

参考模型的电感电流为实际采样的三相电感电流在d、q坐标轴的电流分量i_d、i_q，其表达式为公式(3)；

所述可调模型的电感电流表达式为：

其中，

表示估计的电感值，

分别表示在d、q坐标系下的估计的电流分量在当前时刻的值，

分别表示在d、q坐标系下的估计的电流分量在上一时刻的值，T_s表示开关周期；

所述自适应率的表达式为：

式中，L为滤波电感标称值，

为积分结构，R₂(t)为比例结构，K_i和K_p分别为积分系数和比例系数，即R₁(t)＝K_i[ε_d(u_d-e_d)+ε_q(u_q-e_q)]，R₂(t)＝K_p[ε_d(u_d-e_d)+ε_q(u_q-e_q)]，ε_d和ε_q分别为参考模型的电感电流与可调模型的电感电流在d、q坐标系下的误差分量，即

所述选取合适的自适应率来实时调节可调模型中的电感参数，保证可调模型的两相电感电流，即可调电流模型，与参考模型的实际两相电感电流，即参考电流模型一致，从而得到在线估计的电感参数具体为：

当满足条件

且

时，得到在线估计的电感参数的表达式(9)：

若不满足上述条件，则根据自适应率公式(8)调节

作用到公式(7)中，重新建立电感电流的可调模型，重新进行电感参数的在线估计。

2.根据权利要求1所述的功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，其特征在于，所述主电路是三相两电平变换电路或三相T型或I型三电平变换电路。

3.根据权利要求1或2所述的功率变换器LC交流滤波器电感参数的在线估计方法，其特征在于，所述重构三相变换器端口电压具体为：

通过采样的直流侧电压U_dc和利用控制器上一拍计算的三相调制波的占空比d_a、d_b、d_c，根据式(1)进行重构得到三相变换器端口电压u_a、u_b和u_c：

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