一種三相電壓源型pwm整流器的電流控制方法

2023-08-09 22:15:16 2

一種三相電壓源型pwm整流器的電流控制方法
【專利摘要】一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法。該方法在靜止坐標系下，採用雙閉環矢量控制策略。通過採集整流器的交流側電壓、電流和直流電壓，計算得到整流器的交流電流給定值，並與實際值進行比較、計算後送入H∞電流調節器，其輸出信號與電網電壓前饋信號相加得到整流器橋端電壓參考信號，再經過脈寬調製生成整流器的開關控制信號，用於控制IGBT的通斷並實現電能變換功能。本發明通過建立整流器及其濾波器的數學模型，將H∞電流調節器設計轉變為求解H∞標準問題；考慮整流器參數不確定以及固有LC震蕩等問題的影響，構造合理的權函數對H∞電流調節器進行優化設計，通過H∞電流調節器調節三相電壓源型PWM整流器的輸出電流，控制整流器直流電壓及輸出功率。
【專利說明】—種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有源整流/逆變換流器的控制方法，尤其涉及一種帶電感-電容-電感(LCL)型濾波器的三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法。
【背景技術】
[0002]目前，基於全控型開關器件與脈寬調製(PWM)技術的電力電子整流器得到了廣泛的應用，且系統容量還在不斷增大。其應用領域包括不間斷電源(UPS)、有源電力濾波器(APF)、靜止同步無功補償器(STATC0M)、動態電壓恢復器(DVR)、柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)等，這些設備的基本原型常常採用電壓源型整流器。
[0003]三相整流器的控制一般採用雙閉環的矢量控制。利用坐標變換技術，在同步旋轉坐標系或兩相靜止坐標系下，控制系統的外環控制有功功率或直流電流、無功功率或交流電壓；而內環控制注入電網的電流。矢量控制系統的內環很大程度上決定了三相整流器的控制性能。
[0004]在大功率應用中，通常使用LCL型或LC型濾波器(LC型與線路阻抗一起可等效成LCL型)作為整流器與電網的接口電路，用於濾除高頻開關諧波，同時有效地控制濾波器的體積和重量。然而LCL型濾波器中包含了多個電感、電容的串並聯結構，存在固有的震蕩模式，稱為LC震蕩，不利於整流器的安全穩定運行。為了提高整流器運行的穩定性，需要增加電氣系統阻尼，目前採用的技術大致可分為無源阻尼與有源阻尼兩種方式。前者需要在濾波器中增加電阻，具有簡單可靠的優點，但會增大功率損耗，降低整流器運行效率和濾波性能；後者通過改進控制，利用控制軟體實現各種有源阻尼算法，受到了研究者的青睞。
[0005]Pekik Argo Dahono 在文獻 「P A Dahon0.A control method for DC-DCconverter that has an LCL output` filter based on new virtual capacitor andresistor concpts[C].Proc.0f PESC，04, 2004, 1:36_42」 中首次提出了一種「虛擬電阻」的主動阻尼控制策略，即通過變換傳遞函數，在控制器中虛擬出一個等效的電阻。專利CN101141100A提出了一種基於LCL濾波器的電壓型有源整流器穩定控制系統及方法，同時採集電網側與整流器側電流及電網電壓，通過虛擬電阻算法的計算後對三相電壓源型整流器進行主動阻尼控制。專利CN102437753A提出一種LCL濾波的三相PWM整流器三環控制方法，利用增加的電流傳感器以及第三個控制迴路，實現虛擬電阻控制方法。虛擬電阻方法概念清晰，使用簡單，對抑制LC振蕩具有一定效果。虛擬電阻方法也存在一些不足，例如需要增加傳感器數量，從而增加了整流器的硬體成本。另外，虛擬電阻方法與實物電阻方法類似，在抑制LC震蕩的同時，需要犧牲部分濾波性能，即並需要在控制性能與穩定性之間進行適當權衡。受整流器參數不確定性等的影響，這種權衡一般需要憑經驗進行現場調試，費時費力。
[0006]M.Malinowski 在文獻 「Malinowski M, Kazmierkowski M P, Szczygiel ff, BernetS，Simple sensorless active damping solution for three-phase PWM rectifier withLCL filter[C].IEEE32th Industrial Electronics Society, 2005:987_991」中利用變流器側電流和控制電壓對電容電壓進行估測，從而降低了傳感器數量，但由於在控制算法中採用了電流微分環節，很容易引入幹擾，甚至導致整流器運行不穩定。
[0007]以上方法都是通過解析的方法研究整流器的控制規律，且控制參數依賴於實際經驗，往往不能保證所設計的控制器是最優的。而現代魯棒控制理論強調通過控制器的最優設計，使得反饋控制系統在一定(結構，大小)的參數或外部幹擾的攝動下，仍然能夠滿足某些控制性能的要求。自20世紀80年代開始興起的H c?控制理論為現代魯棒控制走向工程實際提供了一系列有用的數學工具。基於H c?理論的控制器設計方法的精髓是對閉環控制系統的頻域特性進行迴路整形(Loop shaping),從而使得閉環控制系統傳遞函數的H 範數達到最優，並滿足魯棒控制的性能要求。對電壓源型整流器進行H c?最優控制設計，需要解決整流器建模以及權函數選擇等關鍵問題。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是克服現有虛擬電阻技術需要增加額外傳感器、控制性能與魯棒穩定性難以兼顧等不足，提供一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法。本發明可兼顧控制性能與LC震蕩抑制的要求，提高控制系統的魯棒穩定性，減小對傳感器等的硬體要求，具有步驟省、成本低、效果好的優點。
[0009]本發明在靜止坐標系下，採用雙閉環矢量控制策略，通過H⑴電流調節器調節三相電壓源型PWM整流器的輸出電流，從而控制整流器直流電壓以及輸出功率穩定。其中H -電流調節器的設計滿足H c?範數最優條件，即首先建立三相電壓源型PWM整流器的數學模型，根據控制目標構造合適的權函數，然後採用通用的H c?問題迭代算法綜合得到參數化的H⑴電流調節器，並使廣義控制對象的H c?範數最小。本發明對整流器輸出電流有較高的控制性能；且對工作點和主電路參數變化不敏感，具有良好的魯棒穩定性。 [0010]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的。
[0011]本發明一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法，包括以下步驟:
[0012]1、測量整流器電網側的三相電壓Ug ab。和三相電流ig ab。，並經過靜止三相/兩相坐標變換，得到電壓矢量ug—α 0和電流矢量ig—α 0 ；
[0013]2、由步驟I測量得到的整流器電網側三相電壓經兩相坐標變換後的電壓矢量Ugα 0和電流矢量ig—α e，計算整流器注入電網的有功功率Pg和無功功率Qg ；
[0014]3、將整流器注入電網的無功功率Qg與額定值進行比較，得到無功功率誤差信號AQg;
[0015]4、測量整流器直流母線電壓Ud。，並與額定值進行比較，得到直流電壓誤差信號AUdc;
[0016]5、將無功功率誤差信號AQg、直流電壓誤差信號AUd。通過比例積分調節，得到網側電流在dq軸同步坐標系下的參考信號,和:y
[0017]6、利用電壓矢量Ug α0將網側電流在dq軸同步坐標系下的參考信號/和^轉換到靜止坐標系下，得到靜止坐標系下的參考信號;
[0018]7、將靜止坐標系下的電流矢量ig α0與參考信號(<進行比較，得到電流誤差信號 Δ ig—。@ ;[0019]8、將電流誤差信號Aig α0送入He?電流調節器，He?電流調節器的輸出加上網側電壓前饋信號，得到整流器橋端電壓參考信號《I—_;
[0020]9、將整流器橋端電壓參考信號作為脈寬調製模塊的參考信號，脈寬調製輸出
為整流器的開關信號Sa，Sb, S。。
[0021]所述的H -電流調節器的設計方法如下:
[0022]1、在兩相靜止α β坐標系下，建立帶LCL濾波器的三相整流器的數學模型。該模型的輸入為電網電壓Ug α0，以及整流器橋端控制電壓U。α0 ;輸出為注入電網的電流、
α β ；
[0023]2、構造性能權函數Wp，噪聲權函數Wn，以及控制權函數\，並與三相整流器的數學模型共同構成廣義控制對象P。其中性能權函數用於滿足H C?電流調節器對交流電流參考信號進行無靜差跟蹤調節的要求，噪聲權函數用於增強H -電流調節器對LC振蕩的抑制能力，控制權函數用於限制調節器的輸出幅值。廣義控制對象P的輸入為電網電流參考信號
，電網電壓ug—。@，以及電流測量噪聲ηα 0 ;廣義控制對象P的輸出為性能加權輸出Z1與
控制加權輸出ζ2, H 00電流調節器問題從而被轉化成求解一個標準H 問題；
[0024]3、採用黎卡提(Riccati)方法求解上一步中得到的H c?問題，即通過迭代尋找得到一個2輸入2輸出的參數化H -電流調節器K，使得廣義控制對象P與H⑴電流調節器K組成的閉環迴路的H 00範數最小；
[0025]本發明的有益效果是:一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法能夠在靜止坐標系下對整流器的輸出電流進行實時控制；並且針對電路參數不確定的影響，提高了電流控制的魯棒穩定性；通過構造合理的性能權函數，使得所設計的H -電流調節器能在靜止坐標系下達到較好的控制效果，較常規方法大為簡化；通過構造合理的噪聲權函數，使得控制系統抑制濾波器固有震蕩的能力大為增強，且不影響低頻分量的控制，即不降低濾波效果。
[0026]本發明的方法適用於各類基於全控型開關器件與PWM控制技術的電壓源型整流器，應用領域包括但不限於不間斷電源(UPS)、有源電力濾波器(APF)、靜止同步無功補償器(STATC0M)、動態電壓恢復器(DVR)、柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC )等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明的三相電壓源型整流器矢量控制原理圖；
[0028]圖2是本發明的H c?電流調節器設計原理圖及其H c?問題描述；
[0029]圖3、圖4為實驗對比波形圖，其中Chl為電網A相電壓，Ch2為A相電流，Ch3為直流母線電壓，Math為對A相電流進行的FFT分析結果；圖3為採用常規控制方法，圖4為採用本發明的方法。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進一步說明。
[0031]本發明一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法，是在靜止坐標系下採用雙閉環的矢量控制策略。其中內環H 電流調節器的設計問題被轉化成求解一個H 00最優問題，即首先設計合理的控制對象與權函數模型，然後採用H c?問題迭代算法，求解得到所需的參數化H c?電流調節器。
[0032]圖1是本發明的三相電壓源型整流器矢量控制原理圖，其中包括整流橋1、LCL濾波器2、直流母線電容3、直流電壓傳感器4、三相交流電流傳感器5、三相交流電壓傳感器6、三相/兩相靜止坐標變換模塊7、瞬時功率計算模塊8、無功功率調節器9、直流電壓調節器10、兩相旋轉/兩相靜止坐標變換模塊IUHm電流調節器K12、脈寬調製模塊13。
[0033]如圖1所示，本發明提出的一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法的雙閉環矢量控制策略的實施過程如下:
[0034]1、利用交流電壓傳感器6、交流電流傳感器5測量得到電網側三相電壓Ug ab。和三相電流ig—ab。，並通過模塊7在靜止坐標系下進行三相/兩相變換，得到電壓矢量Ug a 0和電流矢量ig—ae，變換公式為:
[0035]
【權利要求】
1.一種三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法，其特徵在於，所述的控制方法包括以下步驟: (1)測量整流器電網側的三相電壓Ugabe和三相電流ig—ab。，並經過靜止三相/兩相坐標變換，得到電壓矢量Ug a 0和電流矢量ig—α e ; (2)由步驟(1)測量得到的整流器電網側三相電壓經兩相坐標變換後電壓矢量ugα0和電流矢量ig—α e，計算整流器注入電網的有功功率Pg和無功功率Qg ; (3)將整流器注入電網的無功功率％與額定值進行比較，得到無功功率誤差信號AQg； (4)測量整流器直流母線電壓Ud。，並與額定值進行比較，得到直流電壓誤差信號AUd。； (5)將無功功率誤差信號AQg、直流電壓誤差信號AUd。通過比例積分調節，得到網側電流在dq軸同步坐標系下的參考信號ζ.， (6)利用電壓矢量Ugα0將網側電流在dq軸同步坐標系下的參考信號ζ—,和j轉換到靜止坐標系下，得到靜止坐標系下的參考信號* (7)將靜止坐標系下的電流矢量ig—α0與參考信號進行比較，得到電流誤差信號A ig—α β ; (8)將電流誤差信號Aigα0送入H c?電流調節器，H c?電流調節器的輸出加上網側電壓前饋信號，得 到整流器橋端電壓參考信號； (9)將整流器橋端電壓參考信號《1-作為脈寬調製模塊的參考信號，脈寬調製輸出為整流器的開關信號sa，sb, S。。
2.根據權利要求1所述的三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法，其特徵在於，所述步驟(8)中的H c?電流調節器的設計方法如下: (1)在兩相靜止αβ坐標系下，建立帶LCL濾波器的三相整流器的數學模型；該模型的輸入為電網電壓Ug α0，以及整流器橋端控制電壓U。α0 ;輸出為注入電網的電流ig α0 ； (2)構造性能權函數Wp，噪聲權函數Wn，以及控制權函數Wu，並與三相整流器的數學模型共同構成廣義控制對象P ;廣義控制對象P的輸入為電網電流參考信號，電網電壓Ug a 0，以及電流測量噪聲ηα 0 ;廣義控制對象P的輸出為性能加權輸出Z1與控制加權輸出ζ2, H 電流調節器問題從而被轉化成求解一個標準H 問題； (3)採用黎卡提(Riccati)方法求解權利要求2步驟(2)中得到的Hc?問題，即通過迭代尋找得到一個2輸入2輸出的參數化H -電流調節器K，使得廣義控制對象P與H c?電流調節器K組成的閉環迴路的H c?範數最小。
3.按照權利要求2所述的三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法，其特徵在於，所述噪聲權函數Wn、性能權函數Wp以及控制權函數Wu的數學表達式為: Ψ =__
ρ ^+2ζηω?5 + ω; __kn,'、_Wu = ku 其中，kn、kMS、ku為常數增益係數，ωη為電網電壓角頻率，ωΜΕ；為LCL濾波器諧振角頻率，LCL濾波器諧振角頻率的計算公式為:
4.根據權利要求2所述的三相電壓源型PWM整流器的電流控制方法，其特徵在於，所述的H⑴電流調節器在兩相靜止坐標系下對交流電流參考信號進行無差跟蹤調節，並控制整流器的直流電壓與輸出功率，且對濾波器引起的LC振蕩不敏感。
【文檔編號】H02M7/217GK103780107SQ201410032555
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】胡書舉, 龔文明 申請人:中國科學院電工研究所