一种基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法

摘要

本发明公开了一种基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法。该方法为：首先分析在三相三线变流器控制中，死区给输出电压所带来的谐波的特点；然后根据谐波在基波正序dq坐标系中的对应次数，确定补偿策略；以抑制异常峰值为目的，确定谐振控制器的延时补偿相位；根据基波控制器的比例系数、低频模型中控制对象的总电感和线路等效电阻确定谐振控制器的谐振系数；最后根据并网电流总畸变率标准，确定最低补偿次数。本发明相对于αβ坐标系而言实现了补偿器减半，简化了控制系统结构，提高了系统运行效率，并且保证了原系统参数设计的有效性。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源并网领域，特别是一种基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法。

背景技术

对于桥式并网变流器而言，为防止上下桥臂直通，通常在上下桥臂的驱动信号中引入死区，死区期间的输出电压将由并网电流方向决定，对于三相三线电路，死区将引入6k+1的正序谐波及6k-1的负序谐波(k＝1,2,3…)。输出电压畸变必然导致并网电流畸变，尤其当开关频率较高时死区影响将加重，此外当直流母线电压提高时，死区的影响也会变大。

因此对于高性能变流器而言，死区补偿是不可或缺的，目前主要有两种补偿方式：开环补偿以及闭环补偿。开环补偿的方法通常是先检测桥臂电流的方向，然后依据死区时间修正驱动脉冲，通过这种方式来降低死区的影响，这种方法并不适用于所有电路拓扑，多应用于多电平拓扑中。这种根据电流方向修改驱动脉冲时间的方法存在电流过零点补偿精度不足的问题，尤其当并网电流中含有大量高频纹波时，通常会在某一频率附近出现多次电流过零点，这将加剧开环补偿方法带来的负面影响，使得补偿效果减低。

闭环补偿的方法是在电流环引入谐振控制器即谐波补偿器来补偿死区谐波，从而消除死区对电流带来的畸变。闭环补偿最大的优点就是不存在过零点补偿不足的问题，同时闭环补偿的方式不受电路拓扑的限制。

现有闭环补偿技术多是基于αβ坐标系，通过谐振控制器R分别对正序及负序谐波进行死区补偿，这种方法忽略了正负序谐波之间的共性，导致随着补偿次数的提高，补偿器数量增大，这将导致系统控制的复杂度增大，运行效率降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、系统运行效率高的基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、分析在三相三线变流器控制中，死区给输出电压所带来的谐波特点；

步骤2、确定谐波在基波正序dq坐标系中的对应次数，确定补偿策略；

步骤3、以抑制异常峰值为目的，确定谐振控制器的延时补偿相位；

步骤4、根据基波控制器的比例系数k

步骤5、根据并网电流总畸变率标准，确定最低补偿次数。

进一步地，步骤1所述的分析在三相三线变流器控制中，死区给输出电压所带来的谐波特点，具体如下：

步骤1.1、当驱动信号含有死区时，输出电压表达式为：

其中u

步骤1.2、确定死区给输出电压所带来的谐波特点：由于三相三线电路输出电压中不会存在3及其倍数次的谐波，所以死区带来的谐波为正序6k+1次谐波和负序6k-1次谐波，其中k＝1,2,3…。

进一步地，步骤2所述的确定谐波在基波正序dq坐标系中的对应次数，确定补偿策略，具体如下：

步骤2.1、正序6k+1次谐波在基波正序dq坐标系中为正序6k次；负序6k-1次谐波在基波正序dq坐标系中为负序6k次；其中k＝1,2,3…；

步骤2.2、由于在基波正序dq坐标系中，正序谐波和负序谐波的谐波次数均为6k，所以选择基波正序dq坐标系进行死区补偿；由于谐振控制器R能够对特定谐波进行无静差跟踪，并且对其它频率的信号不会产生影响且不带比例系数，不会对基波系统的控制产生影响，所以选择谐振控制器R作为补偿器。

进一步地，步骤3所述的以抑制异常峰值为目的，确定谐振控制器的延时补偿相位，具体如下：

步骤3.1、确定死区补偿系统中存在的滞后环节，包括被控对象中的惯性环节、计算延迟和采样延迟三个部分；惯性环节和计算延迟用被控对象的ZOH离散模型表示，采样延迟为一个采样周期，故整个系统的延迟相位φ

φ

其中

步骤3.2、确定谐振控制器的延迟补偿相位，得到带延时补偿的谐振控制器R(z)为：

其中φ

φ

进一步地，步骤4所述的根据基波控制器的比例系数k

步骤4.1、基于Nyquist图距离(-1，0j)最近距离n

其中k

确定基波PR控制器的k

n

步骤4.2、确定在低频模型中控制对象的总电感L

步骤4.3、确定谐振控制器的谐振系数k

进一步地，步骤5所述的根据并网电流总畸变率标准，确定最低补偿次数，具体如下：

以并网电流的总畸变率满足入网最低标准作为死区补偿完成的条件，通过调试法，逐次提高补偿次数，当并网电流的总畸变率低于百分之五时，补偿完成，补偿的最高次数即为满足标准所需要的最低补偿次数。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于基波正序dq坐标系设计死区补偿系统，在保证有效死区补偿的同时，实现了控制器即补偿器减半，控制系统简化；(2)将谐振控制器作为补偿器使用，实现对特定谐波的补偿且对其他频率的信号无影响；(3)谐振控制器不存在比例环节，死区补偿系统不会对原先的基波控制系统产生影响，保证了原先基波控制系统参数设计的有效性。

附图说明

图1是本发明基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法的流程示意图。

图2是本发明实施例中LCL型变流器无源控制系统的拓扑示意图。

图3是本发明实施例中LCL滤波器及其低频控制模型的结构示意图。

图4是本发明实施例中不带死区的控制系统输出电流傅里叶分析直方图。

图5是本发明实施例中带死区的控制系统输出电流谐波含量分析直方图。

图6是本发明实施例中基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法的控制框图。

图7是本发明实施例中基频控制系统的Nyquist图。

图8是本发明实施例中死区补偿后的系统输出电流谐波含量分析直方图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、分析在三相三线变流器控制中，死区给输出电压所带来的谐波特点；

步骤2、确定谐波在基波正序dq坐标系中的对应次数，确定补偿策略；

步骤3、以抑制异常峰值为目的，确定谐振控制器的延时补偿相位；

步骤4、根据基波控制器的比例系数k

步骤5、根据并网电流总畸变率标准，确定最低补偿次数。

进一步地，步骤1所述的分析在三相三线变流器控制中，死区给输出电压所带来的谐波特点，具体如下：

步骤1.1、当驱动信号含有死区时，输出电压表达式为：

其中u

步骤1.2、确定死区给输出电压所带来的谐波特点：由于三相三线电路输出电压中不会存在3及其倍数次的谐波，所以死区带来的谐波为正序6k+1次谐波和负序6k-1次谐波，其中k＝1,2,3…。

进一步地，步骤2所述的确定谐波在基波正序dq坐标系中的对应次数，确定补偿策略，具体如下：

步骤2.1、正序6k+1次谐波在基波正序dq坐标系中为正序6k次；负序6k-1次谐波在基波正序dq坐标系中为负序6k次；其中k＝1,2,3…；

步骤2.2、由于在基波正序dq坐标系中，正序谐波和负序谐波的谐波次数均为6k，所以选择基波正序dq坐标系进行死区补偿；由于谐振控制器R能够对特定谐波进行无静差跟踪，并且对其它频率的信号不会产生影响且不带比例系数，不会对基波系统的控制产生影响，所以选择谐振控制器R作为补偿器。

进一步地，步骤3所述的以抑制异常峰值为目的，确定谐振控制器的延时补偿相位，具体如下：

步骤3.1、确定死区补偿系统中存在的滞后环节，包括被控对象中的惯性环节、计算延迟和采样延迟三个部分；惯性环节和计算延迟用被控对象的ZOH离散模型表示，采样延迟为一个采样周期，故整个系统的延迟相位φ

φ

其中

步骤3.2、确定谐振控制器的延迟补偿相位，得到带延时补偿的谐振控制器R(z)为：

其中φ

φ

进一步地，步骤4所述的根据基波控制器的比例系数k

步骤4.1、基于Nyquist图距离(-1，0j)最近距离n

其中k

确定基波PR控制器的k

n

步骤4.2、确定在低频模型中控制对象的总电感L

步骤4.3、确定谐振控制器的谐振系数k

进一步地，步骤5所述的根据并网电流总畸变率标准，确定最低补偿次数，具体如下：

以并网电流的总畸变率满足入网最低标准作为死区补偿完成的条件，通过调试法，逐次提高补偿次数，当并网电流的总畸变率低于百分之五时，补偿完成，补偿的最高次数即为满足标准所需要的最低补偿次数。

实施例

如图2所示为LCL型变流器无源控制系统拓扑图，网侧滤波器即电流环控制对象为LCL型滤波器，L

如图3所示为控制对象即LCL滤波器及其低频控制模型图，在低频模型下，由于频率较低，电容的容抗较大，可以视为断路；低频控制模型中被控对象的总电感L

如图4所示为不带死区的控制系统输出电流傅里叶分析图，可以看出阻尼电阻能有效起到阻尼作用，系统可实现电流的稳定控制；当不考虑死区时，LCL参数设置合理，可以起到良好的滤除开关纹波的作用，输出电流畸变率THD＝3.22％，满足并网要求。

如图5所示为带死区的控制系统输出电流谐波含量分析图，死区时间为2.5μs；可以看出当调制系统带死区时，输出电压畸变从而导致输出电流畸变，畸变率从无死区时的THD＝3.22％变为THD＝8.59％，图5也可以验证死区带来的谐波为正序6k+1次谐波和负序6k-1次谐波，其中k＝1,2,3…。

如图6所示为基于基波正序dq坐标系的谐振控制器死区补偿方法控制框图，由于死区带来的是正序6k+1次谐波和负序6k-1次谐波，故选择基于基波正序dq坐标系进行死区补偿，从而实现控制器(补偿器)减半，简化控制系统，提高系统运行效率。为了使死区补偿系统不影响原先的基波控制系统，故选择不带比例环节且能对特定谐波进行补偿的谐振控制器。

如图7所示为基频控制系统的Nyquist图，当设计基波控制器的比例系数k

如图8所示为死区补偿过后的系统输出电流谐波含量分析图，补偿次数为正序5,11,17,13次；负序7,13,19,25次，即基于正序dq坐标系为6,12,18,24次。当加上死区补偿系统后，系统输出电流的畸变率由之前的THD＝8.59％变为THD＝4.14％，电流的畸变率显著降低且满足并网要求，由此可见死区补偿效果显著，证明本发明所提方法是正确有效的。