LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统及方法

摘要

LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统，包括：网侧采集模块，用于从LCL滤波器的网侧采集并计算得到电参数的实际值；电容侧采集模块，包括有源阻尼功率单元，用于从LCL滤波器的电容侧采集电容电流，根据电容电流构造阻尼功率；电压采集模块，用于从PWM整流器的直流母线上采集电参数的指令值；处理模块，分别从网侧采集模块获取实际值、从电容侧采集模块获取阻尼功率、从电压采集模块获取指令值，并根据实际值、指令值和阻尼功率生成指令电流；无差拍电流控制模块，根据指令电流生成开关信号；空间电压矢量控制模块，用于根据开关信号控制PWM整流器。本发明即抑制了LCL滤波器的谐振又使系统具有良好的动静态性能。

说明书

技术领域

本发明涉及整流器技术领域，具体的说是LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统及方法。

背景技术

传统的PWM整流器由于功率器件开关时产生谐波，一般采用单电感作为滤波器，为使系统具有更好的滤波效果，需要增加电感值，但会增大电感体积和提高系统成本；LCL滤波器阻抗值与流过的电流频率成反比，频率越高阻抗越小，可有效旁路高频谐波分量，因此具有更好的开关谐波抑制能力。但是LCL滤波器由于其增加的电容与前端电感产生谐振尖峰，因此必须对谐振进行阻尼。此外，控制策略则是PWM整流器的关键，变化的开关频率会增加开关损耗，同时开关信号选择不当会造成功率失控等现象。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统及方法，即抑制了LCL滤波器的谐振又使系统具有良好的动静态性能。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统，包括：

网侧采集模块，用于从LCL滤波器的网侧采集并计算得到电参数的实际值，实际值包括有功功率实际值p和无功功率实际值q；

电容侧采集模块，包括有源阻尼功率单元，用于从LCL滤波器的电容侧采集电容电流，根据电容电流构造阻尼功率，阻尼功率包括有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d；

电压采集模块，用于从PWM整流器的直流母线上采集电参数的指令值，指令值包括有功功率指令值p^*；

处理模块，分别从网侧采集模块获取实际值、从电容侧采集模块获取阻尼功率、从电压采集模块获取指令值，并根据实际值、指令值和阻尼功率生成指令电流，并将指令电流传输给无差拍电流控制模块；

无差拍电流控制模块，根据指令电流生成开关信号，并将开关信号传输给空间电压矢量控制模块；

空间电压矢量控制模块，用于根据开关信号控制PWM整流器。

LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统的控制方法，具体步骤如下：

步骤一、所述网侧采集模块采集PWM整流器网侧的电压分量和电流分量，并通过滤波去除干扰的毛刺信号，然后将电压分量和电流分量从模拟信号转换为数字信号，然后计算出有功功率实际值p和无功功率实际值q；

步骤二、所述电容侧采集模块采集LCL滤波器的电容电流，并通过滤波去除干扰的毛刺信号，然后将电容电流从模拟信号转换为数字信号，并根据电容电流构造阻尼功率，阻尼功率包括有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d；

步骤三、所述电压采集模块从PWM整流器的直流母线上采集母线电压，并通过滤波去除干扰的毛刺信号，然后将电压信号从模拟信号转换为数字信号，并根据母线电压计算有功功率指令值p^*，同时令无功功率指令值q^*＝0；

步骤四、所述处理模块利用有功功率实际值p去有功功率阻尼p_d和有功功率指令值p^*，得到有功功率差值；处理模块利用无功功率实际值q减去无功功率阻尼q_d和无功功率指令值q^*，并加上电容无功功率补偿q_c得到无功功率差值；

步骤五、处理模块利用有功功率差值得到指令电流的d轴分量，并用无功功率差值得到指令电流的q轴分量，并将指令电流的d轴分量和q轴分量送至所述无差拍电流控制模块；

步骤六、无差拍电流控制模块对指令电流的d轴分量和q轴分量进行无差拍控制并生成开关信号，然后将开关信号传输给所述空间电压矢量控制模块；

步骤七、空间电压矢量控制模块根据开关信号控制PWM整流器。

所述步骤一中，有功功率实际值p和无功功率实际值q的计算方法为：

p＝e_di_1d+e_qi_1q，q＝e_di_1q-e_qi_1d；

式中e_1d、e_1q分别为网侧电压e的d轴分量和q轴分量，i_1d、i_1q分别为网侧电流i₁的d轴分量和q轴分量。

所述步骤二中，有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d的构造方法为：

p_d＝k_d(i_Cαi_1α+i_Cβi_1β)，q_d＝k_d(i_Cβi_1α-i_Cαi_1β)；

式中，k_d为电容电流i_c的反馈系数，i_cα、i_cβ分别为电容电流i_c在α轴和β轴上的分量；i_1α、i_1β分别为网侧电流i₁在α轴和β轴上的分量。

有益效果：

1、本发明采用LCL滤波器，解决了PWM变流器网侧谐波污染的问题，谐波因数低，对电网污染少；

2、采用有源阻尼抑制谐振尖峰，相较无源阻尼能量损耗更低，适合应用在大功率系统中；

3、在瞬时功率理论的基础上构造功率外环电流内环，在功率环上减去网侧电流和电容电流构造的阻尼功率，输出作为电流环的输入指令值；电流环在原有PI结构上采用无差拍控制，输出电流能够实现快速跟踪，提高系统精度，最后经过调节得到所需要的PWM开关信号，即抑制了谐振又使系统具有良好的动静态性能。

附图说明

图1是本发明的控制系统示意图；

图2是本发明的控制系统的控制方法流程图；

图3是本发明的阻尼功率构造过程中虚拟电阻取值不同时的Bode图。

附图标记：1、网侧采集模块，2、电容侧采集模块，3、处理模块，4、无差拍电流控制模块，5、空间电压矢量控制模块，6、母线采集模块。

具体实施方式

下面根据附图具体说明本发明的实施方式。

LCL型PWM整流器包括LCL滤波器、PWM控制器和直流侧设备，采用LCL滤波器，解决了PWM变流器网侧谐波污染的问题，谐波因数低，对电网污染少。LCL滤波器的谐振频率为式中L为LCL滤波器的直流侧电感，L₁为LCL滤波器的网侧电感，C为LCL滤波器的电容。

如图1所示，LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统，包括：网侧采集模块，用于从LCL滤波器的网侧采集电参数的实际值，实际值包括网侧电压值和电流值，计算得有功功率实际值p和无功功率实际值q。网侧采集模块包括传感器模块和瞬时功率计算模块，其中传感器模块包括电流互感器和电压互感器以及直流转换器，传感器模块采集网侧的电压分量和电流分量转换成直流量后交由瞬时功率计算模块，由瞬时功率计算模块计算出有功功率实际值p和无功功率实际值q。

电容侧采集模块，包括有源阻尼功率单元，用于从LCL滤波器的电容侧采集电容电流，根据电容电流构造阻尼功率，阻尼功率包括有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d；

电压采集模块，用于从PWM整流器的直流母线上采集电参数的指令值，指令值包括有功功率指令值p^*，同时令无功功率指令值q^*为0；

处理模块，分别从网侧采集模块获取实际值、从电容侧采集模块获取阻尼功率、从电压采集模块获取指令值，并根据实际值、指令值和阻尼功率生成指令电流，并将指令电流传输给无差拍电流控制模块；

无差拍电流控制模块保证电流跟踪精度，根据指令电流生成开关信号，并将开关信号传输给空间电压矢量控制模块；

空间电压矢量控制模块，用于根据开关信号控制PWM整流器。

如图2和图3所示，LCL滤波型PWM整流器的有源阻尼直接功率控制系统的控制方法，具体步骤如下。

步骤一、所述网侧采集模块采集PWM整流器网侧的电压分量和电流分量，并通过滤波去除干扰的毛刺信号，然后将电压分量和电流分量从模拟信号转换为数字信号，然后计算出有功功率实际值p和无功功率实际值q。有功功率实际值p和无功功率实际值q的计算方法为：

p＝e_di_1d+e_qi_1q，q＝e_di_1q-e_qi_1d；

式中e_1d、e_1q分别为网侧电压e的d轴分量和q轴分量，i_1d、i_1q分别为网侧电流i₁的d轴分量和q轴分量。

步骤二、所述电容侧采集模块采集LCL滤波器的电容电流，并通过滤波去除干扰的毛刺信号，然后将电容电流从模拟信号转换为数字信号，并根据电容电流构造阻尼功率，阻尼功率包括有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d。构造有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d的具体步骤为：

S1、在LCL滤波器的电容侧串联一个虚拟电阻；

S2、在LCL滤波器各部件参数确定的条件下，通过改变虚拟电阻的阻值能够抑制LCL滤波器谐振尖峰的最佳阻值；

S3、撤销虚拟电阻，在LCL滤波器的网侧串联一个虚拟的受控电压源，由该虚拟的受控电压源提供有源阻尼，有源阻尼相较无源阻尼能量损耗更低，适合应用在大功率系统中。

有功功率阻尼p_d和无功功率阻尼q_d的具体计算方法为：

p_d＝k_d(i_Cαi_1α+i_Cβi_1β)，q_d＝k_d(i_Cβi_1α-i_Cαi_1β)；

式中，k_d为电容电流i_c的反馈系数，i_cα、i_cβ分别为电容电流i_c在α轴和β轴上的分量；i_1α、i_1β分别为网侧电流i₁在α轴和β轴上的分量。

步骤三、所述电压采集模块从PWM整流器的直流母线上采集母线电压u^*_dc，图中u_dc为直流侧电压，u^*_dc为直流侧电压指令值，并通过滤波去除干扰的毛刺信号，然后将电压信号从模拟信号转换为数字信号，并根据母线电压利用PI控制器计算有功功率指令值p^*同时令无功功率指令值q^*＝0。

步骤四、所述处理模块利用有功功率实际值p去有功功率阻尼p_d和有功功率指令值p^*，得到有功功率差值；处理模块利用无功功率实际值q减去无功功率阻尼q_d和无功功率指令值q^*，并加上电容无功功率补偿q_c得到无功功率差值，电容无功功率补偿q_c的补偿方式为现有技术，不再赘述。

步骤五、处理模块利用有功功率差值得到指令电流的d轴分量，并用无功功率差值得到指令电流的q轴分量，并将指令电流的d轴分量和q轴分量送至所述无差拍电流控制模块。

步骤六、无差拍电流控制模块对指令电流的d轴分量和q轴分量进行无差拍控制并生成开关信号，然后将开关信号传输给所述空间电压矢量控制模块。通过对指令电流进行跟踪实现无差拍控制，具体的跟踪方法为：

式中为T时刻给定的指令电流，i_k(k+1)、i_1k(k+1)为T+1时刻的电流值。

开关信号具体表示为：

式中e_k为abc三相任意相网侧电压，k＝a,b,c。

步骤七、空间电压矢量控制模块根据开关信号控制PWM整流器。

本发明在瞬时功率理论的基础上构造功率外环电流内环，在功率环上减去网侧电流和电容电流构造的阻尼功率，输出作为电流环的输入指令值；电流环在原有PI结构上采用无差拍控制，输出电流能够实现快速跟踪，提高系统精度，最后经过调节得到所需要的PWM开关信号，即抑制了谐振又使系统具有良好的动静态性能。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。