電網不平衡下有功二次脈動抑制的直接電流指令計算方法與流程
2023-09-14 14:35:20
本發明涉及三相PWM高功率因數整流器控制領域，更具體地說是涉及一種電網電壓不平衡時抑制PWM整流器的有功二次脈動的直接電流指令計算方法。
背景技術：
PWM整流器的運用在電力電子領域發揮著越來越重要的地位，在研究三相PWM整流器的控制方法時，一般認為電網三相電壓是平衡的。但在整流器實際運行當中，電網電壓不可避免的會遇到電網電壓不平衡現象，若仍沿用平衡系統的控制策略，將會使網側電流三相不平衡，功率和直流側電壓產生脈動。為解決此問題，廣大學者對其進行了研究。根據PWM整流器控制性能要求的不同可以分為以下幾種控制目的：一是控制網側電流的平衡，但有功功率和無功功率存在明顯的脈動；二是控制有功功率和無功功率的平衡，但網側電流存在大量的諧波；三是控制有功功率和直流側電壓的平衡，但網側三相電流不平衡。
針對以上三種控制目的，已有學者提出了切實可行的控制策略。其中直接功率控制策略提出，在同步旋轉坐標系下分離出正負序分量，並表示出各次有功和無功功率，再根據不同的控制目的計算給定電流，此方法指令電流計算量大並且控制複雜；矢量控制策略提出，通過提取電流和電壓的正負序分量，再對正負序分量進行獨立控制，此策略控制效果提升但因需要多個PI環，控制方法仍然複雜。
技術實現要素：
本發明為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種電網不平衡下有功二次脈動抑制的直接電流指令計算方法，為在電網電壓不平衡時抑制PWM整流器的有功二次脈動，避免現有方法中複雜的坐標變換和功率計算，簡化指令電流的計算，提高系統的響應速度和控制效果。
本發明為解決技術問題採用如下技術方案：
本發明電網不平衡下有功二次脈動抑制的直接電流指令計算方法的特點是：首先用對稱分量法對PWM整流器網側三相不平衡電壓Ea、Eb和Ec進行正負序分離，再在三相靜止坐標系下計算獲得負序指令電流，將所述負序指令電流和原有的正序指令電流相加獲得實際指令電流。
本發明直接電流指令計算方法的特點是按如下步驟進行：
步驟1、採樣獲得PWM整流器網側三相不平衡相電壓Ea、Eb和Ec；
步驟2、利用對稱分量法對採樣獲得的網側三相不平衡相電壓Ea、Eb和Ec按式(1)進行正負序分離，得到電網電壓正序分量Eap、Ebp和Ecp：
其中
步驟3、三相三線制系統中電網電壓不存在零序分量，則由式(2)獲得電網電壓負序分量Ean，Ebn，Ecn為：
步驟4、取任一相網側正序相電壓復矢量Ep和負序相電壓復矢量En，按式(3)計算系統復功率S：
其中：
E為網側對應一相正序相電壓復矢量Ep和負序相電壓復矢量En之和；
Ip和In分別為網側對應一相正序電流復矢量和負序電流復矢量；
為對應一相正序電流復矢量和負序電流復矢量之和的共軛；
步驟5、令p為有功功率，q為無功功率，在整流電路中使用PWM整流器是為了獲得網側單位功率因數，在網側實現單位功率因數時q＝0，即：
S＝p＝EpIp+EnIn+(EpIn-EnIp)cos2ωt+j(EpIn-EnIp)sin2ωt (4)
步驟6、有功功率的二倍頻分量是造成有功功率脈動的根本原因，為抑制有功功率的脈動，令二倍頻分量的係數為零，則有式(5)：
EpIn-EnIp＝0 (5)
步驟7、將PWM整流器電壓外環的輸出作為指令電流正序分量幅值根據式(5)獲得指令電流負序分量幅值的計算公式如式(6)：
步驟8、將所述指令電流正序分量幅值和指令電流負序分量幅值分別與各對應相鎖相得到的角度正弦值相乘獲得指令電流正序分量和指令電流負序分量；實際指令電流為指令電流正序分量和指令電流負序分量之和。
與已有技術相比，本發明有益效果體現在：
本發明用對稱分量法對電網電壓進行正序和負序分離，在三相靜止坐標系中計算獲得需要向電網注入的負序電流從而得到指令電流；能有效抑制整流器有功功率和直流側電壓的二次脈動，避免現有方法中複雜的坐標變換和功率計算，簡化了指令電流的計算，同時提高系統的響應速度和控制效果。
附圖說明
圖1為本發明實施中電壓型PWM整流器拓撲結構；
圖2為本發明直接電流指令計算方法結構圖；
圖3a為採用三相平衡電流指令計算方法的有功功率和網側實驗波形；
圖3b為採用本發明電網電壓不平衡下有功二次脈動抑制的直接電流指令計算方法的有功功率和網側實驗波形；
圖4a為採用三相平衡電流指令計算方法後的實驗的直流側電壓波形；
圖4b為採用本發明電網電壓不平衡下有功二次脈動抑制的直接電流指令計算方法的直流側電壓波形；
具體實施方式
本實施例中電網不平衡下有功二次脈動抑制的直接電流指令計算方法按如下步驟進行：
步驟1、採樣獲得PWM整流器網側三相不平衡相電壓Ea、Eb和Ec；
步驟2、利用對稱分量法對採樣獲得的網側三相不平衡相電壓Ea、Eb和Ec按式(1)進行正負序分離，得到電網電壓正序分量Eap、Ebp和Ecp：
其中
步驟3、三相三線制系統中電網電壓不存在零序分量，則由式(2)獲得電網電壓負序分量Ean，Ebn，Ecn為：
步驟4、取任一相網側正序相電壓復矢量Ep和負序相電壓復矢量En，按式(3)計算系統復功率S：
其中：
E為網側對應一相正序相電壓復矢量Ep和負序相電壓復矢量En之和；
Ip和In分別為網側對應相正序電流復矢量和負序電流復矢量；
為對應一相正序電流復矢量和負序電流復矢量之和的共軛；
步驟5、令p為有功功率，q為無功功率，在整流電路中使用PWM整流器是為了獲得網側單位功率因數，在網側實現單位功率因數時q＝0，即：
S＝p＝EpIp+EnIn+(EpIn-EnIp)cos2ωt+j(EpIn-EnIp)sin2ωt (4)
步驟6、有功功率的二倍頻分量是造成有功功率脈動的根本原因，為抑制有功功率的脈動，令二倍頻分量的係數為零，則有式(5)：
EpIn-EnIp＝0 (5)
步驟7、對直流側電壓Udc進行檢測，將檢測到的電壓與直流側給定電壓相減得到直流側電壓的誤差信號，誤差信號經過PI調節器，在PWM整流器電壓外環輸出，作為指令電流信號正序分量的幅值根據式(5)獲得指令電流負序分量幅值的計算公式如式(6)：
步驟8、將所述指令電流正序分量幅值和指令電流負序分量幅值分別與各對應相鎖相得到的角度正弦值相乘獲得指令電流正序分量和指令電流負序分量；實際指令電流為指令電流正序分量和指令電流負序分量之和。
圖3a、圖3b、圖4a和圖4b為給定網側相電壓92V，並給定單相40％的電壓跌落，直流側負載為53Ω的實驗波形。實驗過程，首先在程序中計算得到有功功率值，再將有功功率值由SPI通信發出用示波器觀測得到波形。為了更清楚的觀察直流側電壓波形，將對應通道AC耦合，只觀測交流量。圖3a和圖4a為採用三相平衡的電流指令控制策略，其中ea、eb、ec為網側三相相電壓，ia、ib、ic為網側三相相電流，P為網側有功功率，udc為直流電壓。由於網側電壓三相不平衡的原因，有功功率有400W左右的波動，直流側電壓有2V左右的波動；圖3b和圖4b為採用直接電流指令計算方法，可以看到有功功率和直流側電壓的二次脈動得到了有效的抑制。
實驗過程中採用電能質量分析儀對網側電流進行分析，發現採用三相平衡的電流指令控制策略測得網側電流THD為2.35％，採用本發明中直接電流指令控制策略測得網側電流THD為1.50％。
實驗結果表明，本發明直接電流指令計算方法確實能省去複雜的指令電流計算，並且簡化了控制方法，使得網側電流THD減小，網側電流波形也更趨近正弦，提升了控制效果。