回饋變流側電流的lcl濾波可控整流主動阻尼控制方法

2023-05-30 07:46:51

專利名稱：回饋變流側電流的lcl濾波可控整流主動阻尼控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電力電子的有源整流方法，特別是一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流器主動阻尼控制方法。
背景技術：
三相併網變流器具有輸出電流諧波含量低，功率因數可調及能量雙向流動的優點，其體積小及重量輕，有源電力濾波、高壓直流輸電、電力傳動以及太陽能、風能等可再生能源的併網發電等領域廣泛應用。但是變流器所產生開關頻率或開關頻率整數倍的諧波頻率較低，該諧波進入電網後，會對諧波幹擾敏感的電網負載產生一定影響，嚴重時甚至發生設備損毀。為獲得低諧波失真(THD)的入網電流，併網逆變器的輸出濾波器一般包括L和LCL兩種類型。單電感 L濾波器結構簡單，但是其高頻諧波衰減特性不夠理想，需要較大的電感量或較高的開關頻率才能對其有效衰減。也有採用LC濾波的方式的，但LC濾波器通常工作在獨立模式的逆變器中。當逆變器工作於併網模式時，濾波電容電壓被電網嵌位，不起濾波作用。因此，在併網模式下，LC濾波器的濾波效果等同於單電感L濾波器。但由於LCL濾波自身的不穩定，必須採取一定的諧振抑制措施。目前工業上應用較多的是被動阻尼法，如在電容支路串並電阻。此方法可以直接應用較成熟的純電感濾波的變流器控制方法，控制簡單，但是加入的電阻會增加額外損耗，特別在大功率場合還需增加冷卻設備。現在的研究集中在通過修正控制算法替代電阻的主動阻尼法。其常見的有超前網絡法、虛擬電阻法、基於遺傳算法的主動阻尼法。超前網絡法通過反饋電容電壓經過超前網絡環節抑制系統共振，虛擬電阻法通過反饋電容電壓或電流經過積分、微分或比例環節抑制系統共振，兩種方法都需要在電容支路增加傳感器，基於遺傳算法的主動阻尼法不需要增加傳感器但是算法複雜，在線控制實現困難。也有文獻研究電容支路無傳感器的主動阻尼控制策略，通過已知的變流器側電壓、電流，重構電容支路電壓或電流，然後反饋其電壓或電流。此方法引入了微分環節，容易放大高頻噪聲，導致重構結果不準確。

發明內容
本發明的目的是要提供一種能在無電容支路電壓或電流傳感器條件下，通過回饋變流側電流，實現基於LCL濾波的可控整流器穩定控制的主動阻尼控制方法。本發明的目的是這樣實現的該主動阻尼控制方法共有六個步驟，包括1、電網電壓矢量角的獲取；2、電流檢測及坐標變換；3、直流電壓的控制；4、交流電流的控制；5、主動阻尼的控制；6、電壓空間矢量發生；具體步驟如下步驟一、採樣兩相電網電壓，變換到兩相靜止坐標系，並進一步得到同步旋轉坐標系下電網電壓兩個直流分量，通過一個軟體鎖相環(7)，得到電網電壓矢量角(θ);步驟二、採樣兩相整流側電流，按照步驟一中獲得的電網電壓矢量角(Θ)，得到同步旋轉坐標系下整流側電流的兩個直流分量；
步驟三、採樣直流電壓分量與給定直流電壓比較，通過PI調節器得到有功電流給定；步驟四、將步驟二中得到的同步旋轉坐標系下整流側電流分量，與有功和無功電流給定比較，通過PI調節器和電流前饋解耦分量，獲得電流控制單元(11)輸出量；步驟五、將步驟二中得到的同步旋轉坐標系下整流側電流分量，分別通過一階高通濾波器，經放大係數K得到主動阻尼單元(12)輸出量；步驟六、將電流控制單元(11)輸出量與主動阻尼單元(12)輸出量分別相加，經過同步旋轉反變換，送入電壓空間矢量單元(13)，發出6路PWM信號，實現對整流器控制。所述的電網電壓矢量角的獲取過程為步驟1. 1採樣兩相電網電壓，變換到兩相靜止坐標系下得到Ua、ue ；步驟1. 2將Ua、U0，和電網電壓矢量角(θ )，送入兩相旋轉坐標，得到同步旋轉坐標系下電壓分量UtnUtl ；步驟1. 3將給定量<(0V)與電壓分量U(i相減，通過PI調節器，再加入角速度 314rad/S，通過一個積分器，得到電網電壓矢量角(θ);所述的電流檢測及坐標變換步驟2. 1採樣兩相整流側電流(ia、ie)；步驟2. 2按照步驟一中獲得的電網電壓矢量角(θ )，得到同步旋轉坐標系下整流側電流的兩個直流分量(id、、)；所述的直流電壓的控制過程步驟3. 1採樣直流母線電壓(Ud。)；步驟3. 2將採樣直流母線電壓(Ud。)與給定量(￠^)相減，通過PI調節器，得到有功電流給定(O所述的變流側電流的控制過程步驟4. 1將同步旋轉坐標系下dq軸電流給定(/:，<(0A))分別與步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id、iq)相減，送入PI調節器；步驟4. 2步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id、、)乘以前饋係數(LCL 濾波器總電感量_L+Lg)，與PI調節器輸出相加，得到電流控制單元輸出；所述的主動阻尼的控制過程步驟5. 1選取合適的主動阻尼單元(1 高通濾波器時間常數τ與放大係數K ；步驟5. 2將步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id，，通過一階高通濾波器，乘以放大係數K，得到主動阻尼單元(12)輸出量；所述的電壓空間矢量發生過程步驟6. 1電流控制單元(11)輸出量與主動阻尼單元(1 輸出量分別相加，得到整流器側電壓參考量(<，<)，並通過同步旋轉反變換得到兩相靜止坐標系下的電壓參考值
O 步驟6. 2空間矢量發生單元(13)接收基於兩相靜止坐標系下的電壓參考值 (<，<)，產生6路PWM信號，送入整流器。有益效果，由於採用了上述方案，該方法有軟鎖相單元，直流電壓控制單元，電流控制單元，主動阻尼控制單元和電壓空間矢量單元；直流電壓控制單元完成直流電壓的控制，並產生電流控制單元的d軸有功電流，q軸電流給定控制整流器無功分量；軟鎖相單元鎖定電網電壓相位，並實現電網電壓和變流側採樣電流的同步旋轉變換；電流給定與採樣實際值送入電流控制單元，其輸出量與採用經過一階高通濾波器回饋的變流側電流累加， 產生電壓空間矢量單元的給定量；最後電壓空間矢量單元產生6路PWM信號，完成對整流器的控制。本發明在不需要增加電容支路的電流或電壓檢測的前提下，解決了 LCL濾波的電壓型可控整流器的穩定性問題。實現了整流器對直流電壓和網側電流的控制，近似單位功率因素，及能量的雙向流動。優點1、電網電流諧波含量少，所用電感量小，成本低；2、功率因素可控，可實現近似單位功率因素；3、可向電網回饋能量，實現能量雙向流動。4、省去阻尼電阻，減少系統損耗；5、省去電容支路傳感器，降低成本，有利於濾波器集成。


圖1是基於新型主動阻尼的LCL濾波PWM整流器控制框圖。圖2是LCL濾波的PWM整流器新型主動阻尼控制。圖3是新型主動阻尼控制的廣義根軌跡圖。圖4是G(S) ^G1 (S)的伯德圖。圖5是無延時無阻尼時變流側電流反饋電流環離散根軌跡圖。圖6是有延時無阻尼時變流側電流反饋電流環離散根軌跡圖。圖7是有延時並加入新型主動阻尼時電流環離散根軌跡圖。圖8是穩態時實驗波形圖。圖9是負載從空載到重載，從重載到空載突變時的實驗波形圖。圖10為母線電壓從150V階躍到200V實驗波形圖。圖中，1、電網電源；2、LCL濾波器；3、三橋臂整流電路；4、直流側濾波電容C ；5、 直流負載；6、電網電壓檢測；7、軟鎖相環單元；8、整流側電流的檢測；9、直流母線電壓的檢測；10、直流電壓控制單元；11、電流控制單元；12、主動阻尼控制單元；13、電壓空間矢量發
生單元。
具體實施例方式實施例1 所述的方法共有六個步驟，包括1、電網電壓矢量角的獲取；2、電流檢測及坐標變換；3、直流電壓的控制；4、交流電流的控制；5、主動阻尼的控制；6、電壓空間矢量發生；具體步驟如下步驟一、採樣兩相電網電壓，變換到兩相靜止坐標系，並進一步得到同步旋轉坐標系下電網電壓兩個直流分量，通過一個軟體鎖相環(7)，得到電網電壓矢量角(θ);步驟二、採樣兩相整流側電流，按照步驟一中獲得的電網電壓矢量角(Θ)，得到同步旋轉坐標系下整流側電流的兩個直流分量；
步驟三、採樣直流電壓分量與給定直流電壓比較，通過PI調節器得到有功電流給定；步驟四、將步驟二中得到的同步旋轉坐標系下整流側電流分量，與有功和無功電流給定比較，通過PI調節器和電流前饋解耦分量，獲得電流控制單元(11)輸出量；步驟五、將步驟二中得到的同步旋轉坐標系下整流側電流分量，分別通過一階高通濾波器，經放大係數K得到主動阻尼單元(12)輸出量；步驟六、將電流控制單元(11)輸出量與主動阻尼單元(1 輸出量分別相加，經過同步旋轉反變換，送入電壓空間矢量單元(13)，發出6路PWM信號，實現對整流器控制。所述的電網電壓矢量角的獲取過程為步驟1. 1採樣兩相電網電壓，變換到兩相靜止坐標系下得到Ua、ue ；步驟1.2將1、110，和電網電壓矢量角(θ )，送入兩相旋轉坐標，得到同步旋轉坐標系下電壓分量UtnUtl ；步驟1. 3將給定量<(0V)與電壓分量U(i相減，通過PI調節器，再加入角速度 314rad/S，通過一個積分器，得到電網電壓矢量角(θ);所述的電流檢測及坐標變換步驟2. 1採樣兩相整流側電流(i a、i e)；步驟2. 2按照步驟一中獲得的電網電壓矢量角(θ )，得到同步旋轉坐標系下整流側電流的兩個直流分量(id、、)；所述的直流電壓的控制過程步驟3. 1採樣直流母線電壓(Udc)；步驟3. 2將採樣直流母線電壓(Ud。)與給定量(￠^)相減，通過PI調節器，得到有功電流給定(O;所述的變流側電流的控制過程步驟4. 1將同步旋轉坐標系下dq軸電流給定(<，<(0A))分別與步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id、iq)相減，送入PI調節器；步驟4. 2步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id、、)乘以前饋係數(LCL 濾波器總電感量_L+Lg)，與PI調節器輸出相加，得到電流控制單元輸出；所述的主動阻尼的控制過程步驟5. 1選取合適的主動阻尼單元(1 高通濾波器時間常數τ與放大係數K ；步驟5. 2將步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id，，通過一階高通濾波器，乘以放大係數K，得到主動阻尼單元(12)輸出量；所述的電壓空間矢量發生過程步驟6. 1電流控制單元(11)輸出量與主動阻尼單元(1 輸出量分別相加，得到整流器側電壓參考量(<，<)，並通過同步旋轉反變換得到兩相靜止坐標系下的電壓參考值步驟6. 2空間矢量發生單元(1 接收基於兩相靜止坐標系下的電壓參考值 (<，<)，產生6路PWM信號，送入整流器。帶有LCL濾波器的可控整流的結構包括電網電源1、LCL濾波器2、三橋臂整流電路3、直流側濾波電容C4、直流負載5、電網電壓檢測6、軟鎖相環單元7、整流側電流的檢測8、直流母線電壓的檢測9、直流電壓控制單元10、電流控制單元11、主動阻尼控制單元12和電壓空間矢量發生單元13。電網電源分別於LCL濾波器的三相輸入端相連，LCL濾波器的輸出端分別與三橋臂整流電路中每一橋臂中點相連，直流側濾波電容C與負載並聯，並分別連接於三橋臂整流電路的兩個輸出端。 在圖1中，LCL濾波的可控整流器拓撲結構。根據拓撲結構的對稱性，忽略電感內阻，給出單相支路的電壓電流方程組
權利要求
1.一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於該主動阻尼控制方法共有六個步驟，包括1、電網電壓矢量角的獲取；2、電流檢測及坐標變換；3、 直流電壓的控制；4、交流電流的控制；5、主動阻尼的控制；6、電壓空間矢量發生；具體步驟如下步驟一、採樣兩相電網電壓，變換到兩相靜止坐標系，並進一步得到同步旋轉坐標系下電網電壓兩個直流分量，通過一個軟體鎖相環(7)，得到電網電壓矢量角(θ);步驟二、採樣兩相整流側電流，按照步驟一中獲得的電網電壓矢量角(Θ)，得到同步旋轉坐標系下整流側電流的兩個直流分量；步驟三、採樣直流電壓分量與給定直流電壓比較，通過PI調節器得到有功電流給定；步驟四、將步驟二中得到的同步旋轉坐標系下整流側電流分量，與有功和無功電流給定比較，通過PI調節器和電流前饋解耦分量，獲得電流控制單元(11)輸出量；步驟五、將步驟二中得到的同步旋轉坐標系下整流側電流分量，分別通過一階高通濾波器，經放大係數K得到主動阻尼單元(12)輸出量；步驟六、將電流控制單元(11)輸出量與主動阻尼單元(1 輸出量分別相加，經過同步旋轉反變換，送入電壓空間矢量單元(13)，發出6路PWM信號，實現對整流器控制。
2.根據權利要求1所述的一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於所述的電網電壓矢量角的獲取過程為步驟1. 1採樣兩相電網電壓，變換到兩相靜止坐標系下得到ua、ue ；步驟1. 2將ua、ue，和電網電壓矢量角(θ )，送入兩相旋轉坐標，得到同步旋轉坐標系下電壓分量UtnUtl ；步驟1. 3將給定量<(OV)與電壓分量U(i相減，通過PI調節器，再加入角速度314rad/ s，通過一個積分器，得到電網電壓矢量角(Θ)。
3.根據權利要求1所述的一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於所述的電流檢測及坐標變換步驟2. 1採樣兩相整流側電流(ia、ie)；步驟2. 2按照步驟一中獲得的電網電壓矢量角(θ )，得到同步旋轉坐標系下整流側電流的兩個直流分量(id、iq)。
4.根據權利要求1所述的一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於所述的直流電壓的控制過程步驟3. 1採樣直流母線電壓(Ud。)；步驟3. 2將採樣直流母線電壓(Ud。)與給定量(￠^)相減，通過PI調節器，得到有功電流給定(O
5.根據權利要求1所述的一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於所述的變流側電流的控制過程步驟4. 1將同步旋轉坐標系下dq軸電流給定(/:，<(0A))分別與步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id、iq)相減，送入PI調節器；步驟4. 2步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(ipi,)乘以前饋係數(LCL濾波器總電感量_L+Lg)，與PI調節器輸出相加，得到電流控制單元輸出。
6.根據權利要求1所述的一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於所述的主動阻尼的控制過程步驟5.1選取合適的主動阻尼單元(1 高通濾波器時間常數τ與放大係數K; 步驟5. 2將步驟二中得到的整流側電流的兩個直流分量(id，i,)，通過一階高通濾波器，乘以放大係數K，得到主動阻尼單元(12)輸出量。
7.根據權利要求1所述的一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，其特徵在於所述的電壓空間矢量發生過程步驟6.1電流控制單元(11)輸出量與主動阻尼單元(1 輸出量分別相加，得到整流器側電壓參考量(<，<)，並通過同步旋轉反變換得到兩相靜止坐標系下的電壓參考值步驟6. 2空間矢量發生單元(1 接收基於兩相靜止坐標系下的電壓參考值(『,<)，產生6路PWM信號，送入整流器。
全文摘要
一種回饋變流側電流的LCL濾波可控整流主動阻尼控制方法，屬於電力電子的有源整流方法。該方法的直流電壓控制單元完成直流電壓的控制，並產生電流控制單元的d軸有功電流，q軸電流給定控制整流器無功分量；軟鎖相單元鎖定電網電壓相位，並實現電網電壓和變流側採樣電流的同步旋轉變換；電流給定與採樣實際值送入電流控制單元，其輸出量與採用經過一階高通濾波器回饋的變流側電流累加，產生電壓空間矢量單元的給定量；最後電壓空間矢量單元產生6路PWM信號，完成對整流器的控制。本發明在不需要增加電容支路的電流或電壓檢測的前提下，解決了LCL濾波的電壓型可控整流器的穩定性問題，實現了整流器對直流電壓和網側電流的控制。
文檔編號H02M7/217GK102290820SQ20111024162
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月22日 優先權日2011年8月22日
發明者於月森, 伍小傑, 周書穎, 周娟, 夏帥, 李小強, 潘慶山, 王穎傑, 符曉, 耿乙文, 趙文瀚 申請人:中國礦業大學, 徐州寶迪電氣有限公司