基于LCL滤波器双定向坐标变换的三相PWM变换器控制方法

摘要

本发明涉及风力发电输电系统的控制技术，具体是一种基于LCL滤波器双向坐标变换的三相PWM变换器控制方法。该方法基于旋转坐标变换的矢量控制方法，利用电网电压、电容电压双定向，并且电网电流基于电网电压定向，变换器电流基于电容电压定向，各矢量都采用同步旋转坐标变换，实现变换器有功/无功电流的解耦控制。本发明的方法能够在维持直流侧电压恒定的同时，使电网侧的无功功率可精确稳定的控制，解决了一般LCL变换器电网侧功率因数控制复杂的问题；该控制方法可广泛应用于需要准确控制电网侧无功功率且基于LCL滤波的三相PWM变换器中。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电输电系统的控制技术，具体是一种基于LCL滤波器双向坐标变换的三相PWM变换器控制方法。

背景技术

风电机组中，变流器是完成电能转换的重要部件，它调节发电机发出的电能，将满足并网要求的电能馈入电网。变流器系统的性能决定着馈入电网电能的质量，而变流器一般是由两个背靠背的PWM变换器组成。从根源上考虑，PWM变换器的性能好坏是风电机组的并网发电性能一个重要指标。

PWM变换器在电力电子、新能源领域的应用非常广泛，其基本原理是通过对连接直流侧与交流侧之间开关管的控制，以PWM波的形式完成直流侧与交流侧能量的传递，但它会导致交流侧电流中含有较高成份的开关频率周围的谐波。为了降低注入电网中电流的谐波，在变换器电网侧接入LCL滤波器是一种常用手段，相比L滤波，它能用较低的总电感值，获得较好的高次谐波滤除效果。

目前常用的基于LCL滤波器的PWM变换器一般无法直接控制电网侧的无功功率或功率因数，在一些对网侧功率因数有要求的场合，如全功率风电机组中的全功率变流器，其电网侧变换器需要直接控制风电机组输入电网的无功功率。再如双馈型风电变流器，在正常运行中网侧变换器需要根据不同情况工作于整流状态或逆变状态，在这两种状态下，都需要对输入电网的无功功率进行控制。

因此，研究一种新型的基于LCL滤波器的三相PWM变换器的控制方法具有重要的理论意义和实际价值。

行业内已经对基于LCL滤波器的三相PWM变换器的控制方法有了一些研究，专利《一种LCL滤波的三相PWM整流器三环控制方法》（公开号：CN102437753A）、《基于LCL滤波的电压型有源整流器稳定控制系统及方法》（公开号：CN101141100A）、《一种LCL滤波并网逆变器的双电流环控制方法》（公开号：CN102340257A）、一种带有LCL滤波器的并网逆变器的电容电流前馈控制方法》（公开号：CN102075108A）都提出了基于LCL滤波的三相PWM整流器的控制方法。这些控制方法存在的缺陷是，功率因数或无功功率的控制步骤复杂或未直接控制，影响了三相PWM整流器的控制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种简单有效、稳定可靠、可准确控制电网无功功率的基于LCL滤波的三相PWM变换器的控制方法。

本发明的基于LCL滤波的三相PWM变换器的控制方法是：

该方法所应用的三相PWM变换器主回路包括有LCL滤波器、IGBT变换桥、直流侧支撑电容及负载；其控制过程包括以下步骤：

步骤一，对电网电压e进行坐标变换和锁相处理，获得电网电压e在两相旋转坐标下的e_d和相角θ₂，网侧电流i₂基于电网电压e的相角θ₂定向，获得i_2d、i_2q，对给定参考无功功率Q^*与e_d运算后获得网侧参考q轴电流分量i_2q^*；将i_2q和i_2q^*比较后的误差信号送给第一组比例积分控制器PI₁，第一组比例积分控制器PI₁的输出作为PWM变换器交流侧电流i_1q的给定信号，标记为i_1q^*；直流侧电压输出与直流侧电压给定值比较后的误差信号送给第二组比例积分控制器PI₂，第二组比例积分控制器PI₂的输出作为PWM变换器交流侧电流i_1d的给定信号，标记为i_1d^*；

步骤二，对LCL滤波器中电容电压u_c进行坐标变换和锁相处理，获得电容电压u_c在两相旋转坐标系下的dq轴分量u_cd、u_cq和相角θ₁，PWM变换器的交流侧电流i₁依据电容电压u_c的相角θ₁定向，获得PWM变换器侧电流i₁的在两相旋转坐标系下的dq轴分量i_1d、i_1q；

步骤三，将i_1q和i_1q^*比较，比较后的误差信号送给第三组比例积分控制器PI₃，第三组比例积分控制器PI₃的输出与电容电压q轴分量u_cq及PWM变换器交流侧电流d轴分量在交流侧电感上耦合的q轴电压分量ωLi_1d运算后，得出PWM变换器网侧电压q轴分量v_q；同样的，将i_1d和i_1d^*比较，比较后的误差信号送给第四组比例积分控制器PI₄，第四组比例积分控制器PI₄的输出与电容电压d轴分量u_cd及PWM变换器交流侧电流q轴分量在交流侧电感上耦合的d轴电压分量ωLi_1q运算后，得出PWM变换器网侧电压d轴分量v_d；将PWM变换器网侧电压分量v_d、v_q从两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系，得到的调制波v_a、v_b、v_c经过SPWM发生器模块处理产生SPWM信号驱动IGBT动作，以控制三相PWM变换器系统维持直流侧电压恒定及电网侧的无功功率。

与现有的基于LCL滤波的PWM变换器的控制方法相比，本发明的方法有以下优点：

1. 基于电网电压定向的无功功率控制可直接、准确控制电网无功功率。

2. 基于电容电压定向的内环电流控制使得对于PWM变换器交流侧电压的控制使得此处的数学模型更加简单，从而降低了控制上难度。

3. 直流侧电压外环的控制实现了对直流侧电压的控制，保证了直流电压的动态响应及稳定性要求。

附图说明

图1是本发明实施例的PWM变换器主回路及其控制原理图；

图2是采用本发明方法的实施例在稳态运行时电网电压、电网电流及直流侧电压波形图；

图3是采用本发明方法的实施例在进行无功调节时，电网有功、无功动态变化的波形图；

图4是采用本发明方法的实施例在电网电压对称跌落时，电网电压、电网电流及直流侧电压波形图；

图5是采用本发明方法的实施例在电网电压对称跌落时，电网有功、无功变化的波形图；

图6是采用本发明方法的实施例在稳态运行时电网A相电流FFT分析结果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例所应用的三相PWM变换器主回路包括有由L₁、C_f和L₂构成的LCL滤波器、IGBT变换桥、直流侧支撑电容及负载；主回路的检测和控制部分包括电网、电容及直流侧的电压电流检测变送器（共5组，图中未给出）；电网电压及电容电压的锁相环模块PLL（共2组）；用于将电流及电压信号从静止三相坐标系中转换至两相旋转坐标系的坐标变换模块1（共4组）；用于根据给定无功功率计算无功电流给定值的计算模块M（共1组）；用于电压及电流误差调节的比例积分调节器PI₁－PI₄（共4组）；用于将变换器交流侧控制信号从两相旋转坐标系转换至三相静止坐标系并产生SPWM信号的IGBT驱动信号发生模块2（共1组）。

其控制过程包括以下步骤：

步骤一，通过对应的锁相环模块PLL和座标变换模块1对电网电压e进行坐标变换和锁相处理，获得电网电压e在两相旋转坐标下的e_d和相角θ₂，网侧电流i₂基于电网电压e的相角θ₂定向，获得i_2d、i_2q，对给定参考无功功率Q^*与e_d运算后获得网侧参考q轴电流分量i_2q^*；将i_2q和i_2q^*比较后的误差信号送给第一组比例积分控制器PI₁，第一组比例积分控制器PI₁的输出作为PWM变换器交流侧电流i_1q的给定信号，标记为i_1q^*；直流侧电压输出与直流侧电压给定值比较后的误差信号送给第二组比例积分控制器PI₂，第二组比例积分控制器PI₂的输出作为PWM变换器交流侧电流i_1d的给定信号，标记为i_1d^*；

步骤二，对LCL滤波器中电容电压u_c进行坐标变换和锁相处理，获得电容电压u_c在两相旋转坐标系下的dq轴分量u_cd、u_cq和相角θ₁，PWM变换器的交流侧电流i₁依据电容电压u_c的相角θ₁定向，获得PWM变换器侧电流i₁的在两相旋转坐标系下的dq轴分量i_1d、i_1q；

步骤三，将i_1q和i_1q^*比较，比较后的误差信号送给第三组比例积分控制器PI₃，第三组比例积分控制器PI₃的输出与电容电压q轴分量u_cq及PWM变换器交流侧电流d轴分量在交流侧电感上耦合的q轴电压分量ωLi_1d运算后，得出PWM变换器网侧电压q轴分量v_q；同样的，将i_1d和i_1d^*比较，比较后的误差信号送给第四组比例积分控制器PI₄，第四组比例积分控制器PI₄的输出与电容电压d轴分量u_cd及PWM变换器交流侧电流q轴分量在交流侧电感上耦合的d轴电压分量ωLi_1q运算后，得出PWM变换器网侧电压d轴分量v_d；将PWM变换器网侧电压分量v_d、v_q从两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系，得到的调制波v_a、v_b、v_c经过SPWM发生器模块处理产生SPWM信号驱动IGBT动作，以控制三相PWM变换器系统维持直流侧电压恒定及电网侧的无功功率。

本发明方法的实施例用于一台0.5MW的三相PWM整流器系统的仿真试验。该三相PWM整流器系统的主要参数为：电网线电压有效值690V，交流侧滤波电感值L₁=0.48mH，滤波电容值C_f=160uF，电网侧滤波电感值L₂=0.3mH，直流侧电压给定值1150Vdc，开关频率2.5kHz。

图2为稳态运行时电网电流、直流侧电压及无功功率的波形。

图3为无功功率动态响应测试波形，测试方式是在0.1s、0.2s、0.3s、0.4s时分别将无功功率给定设为0.2Mvar、0.3Mvar、-0.2Mvar、0Mvar。

图4和图5做了一个在电网电压异常跌落时，对整个系统稳定性能测试的波形。

图6是稳态运行时对网侧电流做FFT分析的柱状图。

从附图中试验波形可以看出：

1. 在稳态时，整流器的控制稳定，通过对FFT频谱的分析可得知该系统电网侧电流的THD非常低，系统实现了低谐波的控制。

2. 系统可自由设定电网侧的无功功率，实现高功率因数控制，同时也可以根据需求改变系统无功。系统对于无功给定的动态相应较好，响应时间在25ms以内。系统实现了对无功给定快速精确的跟踪。

3. 在电网电压出现扰动时，该系统可以稳定可靠的运行，直流侧电压及无功功率的控制都非常迅速准确。