不对称电压下并网变流器的电压波动量反馈控制方法

摘要

本发明涉及不对称电压下并网变流器的控制方法，包括：采用霍尔元件检测直流电压u

说明书

技术领域

本发明涉及一种反馈控制方法，尤其是涉及一种不对称电压下并网变流器的电压波动量反馈控制方法。

背景技术

近年来，随着电力电子器件的快速发展，其应用场合逐渐增多，应用范围逐步扩大，特别是基于电力电子开关的变流器得到了广泛应用。在电机控制、能量转换等场合，变流器的应用使得控制更加方便灵活。但是并网变流器的传统控制方式是以三相对称的电网电压为前提的，其对电压的变化较为敏感，导致其不能适应电网电压不对称的运行工况。而在长线路输电或者电网发生不对称故障等情况下，电压不对称的现象时有发生。为了保证并网变流器在这些特殊情况下仍能正常工作，人们开始关注电网电压不对情况下并网变流器的控制方法。

并网变流器通常采用双闭环控制，即以直流电压闭环为外环、交流电流闭环为内环。当电网不对称时，电压中包含了负序分量，导致电网侧的有功功率产生2倍于工频的波动，有功功率波动在变流器直流侧表现为直流电压的波动。这一波动一方面威胁到变流器的稳定运行；另一方面对直流侧电容形成反复充放电的过程，缩短电容使用寿命。增强电压闭环的效果可以在一定程度上抑制波动，但会减小系统的稳定裕度，同时造成电流的畸变。针对这种情况，国内外的一些学者提出了双电流控制^[1]，双矢量电流控制^[2]，内模控制^[3]等电压不对称情况下变流器控制方法。但它们都需要对电压和电流的正负序分量进行实施分解，同时控制过程实现复杂，计算量大，对实时系统来说是一个潜在的威胁。

[1]Hong-seok Song，Kwanghee Nam.Dual Current Control Scheme for PWMConverter Under Unbalanced Input Voltage Conditions.IEEE Transactions on Industrial Electronics，Vol.46，No.5，October 1999：953-959

[2]Magueed F A，Sannino A，Svensson J.Transient Performance of voltage source converter under unbalanced voltage dips.35^th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference(PESC 04).Aachen，Germany.2004(2)：1163-1168.

[3]张兴，季建强，张崇巍，等.基于内模控制的三相电压型PWM整流器不平衡控制策略研究.中国电机工程学报.2005.25(13)：51-56.

发明内容

发明目的

本发明目的是提供一种较为简单的并网变流器的控制方法，在电网电压不对称情况下保证电网侧有功功率稳定和直流侧电压稳定。

技术方案

为了实现上述发明目的，本发明以电压外环、电流内环为控制基础，通过提取电网电压中负序分量并对其作简单处理后反馈到电流给定中，使得有功功率稳定，从而实现变流器直流侧电压的稳定。

本发明采用如下技术方案，具体步骤包括：

1)采用霍尔元件检测直流电压u_dc，采用电压互感器PT(Potential Transformer)检测电网电压，并将电网电压变换到正序同步旋转坐标系(d-q坐标系)下，得到d轴分量u_d和q轴分量u_q；

2)将直流电压闭环的输出乘以系数分别作为电流d轴给定值和q轴给定值中的第一个分量；

3)分别提取电压d轴分量和q轴分量中的二倍工频波动量和，乘以电压到电流的转换系数后作为电流d轴给定值和q轴给定值中的第二个分量；

4)电流d轴给定值和q轴给定值由前述两个分量相加得到，检测实际电流i_d和i_q形成电流闭环；

5)通过脉宽调制PWM(Pulse-width Modulation)控制变流器工作。

实现本发明的进一步技术方案可以是：

上述步骤2)中，d轴电流给定值的第一个分量为电压闭环输出；q轴电流给定值的第一个分量为电压闭环输出乘以系数u_d+/u_q+，该系数为正序电压d轴分量u_d+与q轴分量u_q+的比值。

实现本发明的进一步技术方案可以是：

上述步骤3)中，d轴和q轴电压的二倍工频波动量和通过100Hz带通滤波器提取，同时可以得到正序电压d轴分量u_d+和q轴分量u_q+。

实现本发明的进一步技术方案可以是：

上述步骤3)中，d轴电流给定值的第二个分量为d轴电压二倍工频波动量乘以系数/u_d+；q轴电流给定值的第二个分量为q轴电压二倍工频波动量乘以系数/u_d+。

有益效果

本发明可以实现，在电网电压不对称情况下可以保持变流器有功功率稳定，抑制直流侧电压波动，减小输出电流畸变。同时本发明在经典双闭环控制基础上新增计算量小，实现容易。

并网变流器的主回路连接如附图1所示(其中，Lg表示网侧电感，C表示直流侧电容)，在0.16s至0.24s之间模拟电网电压不对称情况。当采用经典双闭环控制时效果如附图2所示，有功功率和直流电压波动较大，电流波形畸变；当采用本发明所述方法时控制效果如附图3所示，有功功率和直流电压波动较小，电流波形畸变。在计算量方面，由实现过程可知，本发明所述方法新增计算量较小，容易实现。

附图说明

图1是并网变流器主回路连接图

图2是经典双闭环控制效果

图3是本发明所述电压波动量反馈控制效果

图4是电压波动量反馈控制实现框图

具体实施方式

电压波动量反馈控制法采用电压外环配合电流内环的控制方式，其实现框图如附图4所示。该控制首先需要对各电量进行检测，包括直流电压、电网电压和三相电流。

采用霍尔元件可以测得直流电压u_dc。

采用电压互感器PT(Potential Transformer)测量三相电网电压，以A相电压定向，进行d-q变换，得到电压d轴分量u_d、q轴分量u_q以及电压相位角θ₊。当电网电压含有负序分量时，可以表示为

式中，下标“d”和“q”分别表示d轴分量和q轴分量，下标“+”和“-”分别表示正序分量和负序分量，ω是电网角速度，是负序初相角。式(1)中d、q轴上都包含交流分量，分别表示为和，它们的求取通过100Hz带通滤波器得到。

采用电流互感器CT(Current Transformer)测量三相电流，同样进行d-q变换得到电流d轴分量i_d和q轴分量i_q。

闭环控制外环为直流电压环。给定直流电压控制目标u_dc^*(在690V交流电压等级下，可将直流电压目标值设为1100V)，利用目标值和直流电压反馈值u_dc之差进行比例积分PI(Proportional-Integral)调节，得到输出。将此输出作为电流给定的基值，用于电流闭环计算。

电流的闭环控制包括d轴闭环和q轴闭环两个部分，需要对d轴和q轴分别设置给定目标值和，其设定依据为式(2)，其中u_d+由u_d减去得到，u_q+由u_q减去得到。利用目标值和电流反馈值之差进行PI调节，得到相应控制电压v′_d和v′_q。

$\left(\begin{array}{c}{i}_d^{*}=i_{+}^{*}-\frac{i_{+}^{*}}{u_{d+}}{\tilde{u}}_d\\ i_q^{*}=\frac{u_{q+}}{u_{d+}}{i}_{+}^{*}-\frac{i_{+}^{*}}{u_{d+}}{\tilde{u}}_q\end{array}\right)---\left(2\right)$

控制电压v′_d和v′_q加上交叉耦合电压补偿项Δv_d和Δv_q即可得到最终的d、q轴控制电压分量v_d和v_q，结合电压相位角θ₊和直流电压u_dc经空间电压矢量调制SVPWM(Space Vector Pulse-width Modulation)后可得到并网变流器所需的PWM驱动信号(这与经典双闭环控制是相同的)。

在电压波动量反馈控制方式下，有功功率可以表达为式(3)，有功功率的大小与电压闭环的输出呈线性关系，控制简单。有功功率中只有直流分量，没有波动，实现了电网电压不对称情况下输出有功功率的稳定控制。

$P=\frac{3}{2}(u_d{i}_d^{*}+u_q{i}_q^{*})$(3)

$=\frac{3}{2}(u_{d+}\frac{u_{q+}^2}{u_{d+}}-\frac{u_{-}^2}{u_{d+}})i_{+}^{*}$