基于电流指令生成的电网不平衡时PWM整流器控制方法

摘要

本发明涉及一种基于电流指令生成的电网不平衡时PWM整流器控制方法，属于电力电子技术领域。在静止坐标系下采样整流器直流侧电压、电网电压和电网电流，根据有功和无功给定，解析计算得到整流器交流侧电流的指令值。然后根据PWM整流器的数学模型，按照下一拍时实际电流值等于指令值的原理，计算得到整流器交流侧指令电压，进一步再利用SVPWM产生控制整流器开关管导通的脉冲信号。本方法完全在静止坐标上实现，无需正负序分量分解和滤波器，实现容易，可以有效抑制整流器的直流输出电压波动，减少网侧电流谐波。

说明书

技术领域

本发明涉及PWM整流器的控制方法，尤其涉及电网电压不平衡时PWM整流器的电流 指令生成和控制方法，属于电力电子领域。

背景技术

相比二极管不控整流，PWM整流器具有网侧电流谐波小、恒定直流电压输出、功率因数可 控和能量双向流动等优点，在电机变频调速、新能源发电和高压直流输电等场合得到了广泛 应用。由于实际中的三相电网电压通常是不平衡的，在电网平衡条件下得到的控制方法必须 进行修改才能继续维持PWM整流器的优点，否则会使网侧电流产生畸变同时在直流母线电压产 生二倍电网频率的波动。很多学者对此问题进行了研究，并提出了一些方法，但通常需要对 电网电压和电流进行正负序分量分解，如中国专利CN200510130609.1，CN200910089671.9， CN201010278695.1和CN201010518572.0。另外，大部分方法都需要同步旋转坐标变换，如中 国专利CN200510130609.1，CN200810007259.3，CN200910077568.2，CN201010278695.1和 CN201010518572.0。个别方法如CN200910089671.9虽然在静止坐标上实现正负序分量分解， 但同时带来了滤波器设计复杂的问题。目前针对不平衡电网电压下的PWM整流器控制，完全在 静止坐标上实现、无需正负序分解和滤波器并且无需调试的控制方法尚不多见。

发明内容

本发明提出一种适用于电网不平衡时PWM整流器控制的新型电流指令计算与控制策略。该 方法可以有效抑制网侧电流谐波并且维持直流输出电压恒定。本发明技术方案如下：

一种基于电流指令生成的电网不平衡时PWM整流器控制方法，包括如下步骤：

步骤A：根据采样电网电压和延迟信号以及初始功率给定，解析计算得到整流器交流侧电 流指令值；

步骤B：根据所述电流指令值和PWM整流器的数学模型，计算得到整流器交流侧指令电压， 然后通过SVPWM分解得到开关管的驱动信号。

其中所述步骤A进一步包含以下步骤：

步骤1：电网侧电压和电流分别通过3/2变换得到在两相静止αβ坐标上的电压信号e_α，e_β和电流信号i_α，i_β；

步骤2：网侧电压进一步通过1/4周期延迟函数得到延迟信号e′_α，e′_β；

步骤3：给定直流电压与网侧变流器的输出直流电压之差进入PI调节器，PI调节器的输出 与网侧变流器输出直流电压之积为有功功率给定P^ref；无功功率给定Q^ref设为零；

步骤4：根据步骤2得到的有功和无功功率给定，以及步骤1得到的网侧电压及其延迟信号， 可以解析计算得到整流器交流侧电流指令值和

所述步骤B进一步包含以下步骤：

步骤1：基于PWM整流器的数学模型，根据整流器交流侧电流指令值，按照下一拍时实际 电流值等于指令值的原理计算得到整流器交流侧指令电压值；

步骤2：整流器交流侧指令电压值进一步通过SVPWM分解得到PWM整流器中六个开关管的驱 动信号。

本发明具有如下特点和优势：

(1)交流侧电流指令值的获得是基于静止两相坐标系，无需传统方法中的同步旋转 坐标变换和正负序分量的分解；

(2)交流侧电流指令值只需要网侧电压及延迟、初始功率指令和电感，无需网侧电 流和整流器的交流侧电压；

(3)本发明可以有效抑制整流器的直流输出电压波动，减少网侧谐波电流。

附图说明

图1是三相PWM整流器系统硬件结构图；

图2是基于电流指令生成的不平衡电网电压下的PWM整流器控制框图；

图3是采用本发明方法时在不平衡电网下的直流侧电压、电网电压和电流的仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。

图1为PWM整流器的硬件电路结构图，包括电网、滤波电感、整流桥主电路、直流侧电容、 负载、电压和电流传感器及采样电路、DSP控制器和驱动电路。电压传感器和电流传感器测量 三相网侧交流电压、交流电流和整流器直流侧电压，经过采样处理电路后进入DSP控制器转换 为数字信号。DSP控制器完成本发明所提出方法的运算，输出六路PWM脉冲，然后经过驱动电 路后得到整流器开关管的最终驱动信号。

图2为本发明的控制原理框图，该控制方法在图1的DSP控制器上按照如下步骤依次实现：

步骤1：利用电压和电流传感器采样电网侧三相电压e_a，e_b，e_c、三相电流i_a，i_b，i_c和网侧整流 器的直流侧电压U_dc，网侧三相电压和电流通过3/2变换得到在静止两相αβ坐标上的电压信 号e_α，e_β和电流信号i_α，i_β，具体表示为：

$\left(\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)$

电网电压e_α，e_β通过延迟1/4周期得到e′_α，e′_β，具体表示为：

$e_{\alpha }^{\prime }\left(t\right)=e_{\alpha }(t-\frac{T}{4})$

$e_{\beta }^{\prime }\left(t\right)=e_{\beta }(t-\frac{T}{4})$

其中T为一个工频周期，对于50Hz电网来说为0.02s.

步骤2：给定直流电压与网侧变流器直流侧电压U_dc之差经过PI调节器并乘上U_dc得到 有功功率给定P^ref，具体表示为(k_p和k_i分别为PI调节器中的 比例增益和积分增益)；无功功率给定值Q^ref设为零以获得单位功率因数；

步骤3：根据步骤1得到的网侧电压及其延迟信号，和步骤2得到的有功和无功功率给定， 可以得到整流器的交流侧电流指令值和为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{\mathrm{ref}}\\ i_{\beta }^{\mathrm{ref}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{e_{\alpha }^{\prime }}{2\mathrm{\omega L}}(1+\frac{\sqrt{\Delta }}{e_{\alpha }{e}_{\beta }^{\prime }-e_{\beta }{e}_{\alpha }^{\prime }})+\frac{{2e}_{\beta }^{\prime }{P}^{\mathrm{ref}}}{3(e_{\alpha }{e}_{\beta }^{\prime }-e_{\beta }{e}_{\alpha }^{\prime })}\\ \frac{e_{\beta }^{\prime }}{2\mathrm{\omega L}}(1+\frac{\sqrt{\Delta }}{e_{\alpha }{e}_{\beta }^{\prime }-e_{\beta }{e}_{\alpha }^{\prime }})-\frac{{2e}_{\alpha }^{\prime }{P}^{\mathrm{ref}}}{3(e_{\alpha }{e}_{\beta }^{\prime }-e_{\beta }{e}_{\alpha }^{\prime })}\end{array}\right)$

其中Δ＝(e_αe′_β-e_βe′_α)²-(4ωLP^ref/3)²，ω为电网角频率，L为整流器交流侧的每相输入电感。

步骤4：根据步骤3得到的交流侧电流指令，结合PWM整流器的数学模型，按照下一拍时实 际电流值等于指令值的原理，可以得到整流器交流侧指令电压值u_α，u_β为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_a\\ u_{\beta }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right)-\frac{L}{T_s}\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{\mathrm{ref}}-i_{\alpha }\\ i_{\beta }^{\mathrm{ref}}-i_{\beta }\end{array}\right)$

其中T_s为采样周期。u_α和u_β进一步通过SVPWM分解得到PWM整流器中六个开关器件的驱动 信号。

本发明有效性可以通过图3所示的仿真结果得出，图中电网电压在0.02s时开始不对称。 在采用本发明提出的方法后，直流母线电压未出现较大波动，网侧电流依然比较正弦。