兼具快速動態響應的海島NPC型電源高精度控制方法與流程

2023-09-12 03:43:10

本發明涉及海島特種負荷供電領域，特別是關於一種兼具快速動態響應的海島npc型電源高精度控制方法。

背景技術：

隨著社會經濟的發展，人類對電力的需求日益增大，電力應用的區域範圍越來越擴大，隨著供電用電環境和所帶負荷均越來越複雜，對電能質量的挑戰越來越大。其中，海島自然環境特別惡劣，使得電源系統難以長時間高可靠運行，在70度以上的高溫中更是故障頻發，同時金屬設施在「天然腐蝕箱」環境中受腐蝕嚴重。同時，海島電源常工作於弱電網或獨立供電模式下，極易影響電源的魯棒性能與抗擾性能，並造成電源供電不可靠。另一方面，海島衝擊性負荷不僅會影響到電網環境的安全穩定，也會對相關電力設備產生影響。對於衝擊性無功負荷引起的系統電壓波動，一般採用在各車間設置靜止型動態無功補償裝置(svc裝置)，但這種方法經濟適用性不高並且不適用於環境多變的海島；發生大擾動情況將會加重衝擊性負荷對暫態穩定性的影響。在研究實例中，當該地區電網發生諸如機組跳機、線路斷路等大擾動的情況下，可以通過迅速切除部分大容量衝擊負荷的措施來維持系統的穩定，但對於用戶來說，這種方法帶來了極大的不便。如何增強系統的抗擾性、提升系統的動態響應性能以及提高系統的輸出精度，成為近年來的研究熱點。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種兼具快速動態響應的海島npc型電源高精度控制方法，提高系統的動態響應速度，並降低衝擊性負荷下電源輸出電壓的劇烈擾動，增強海島npc型電源的抗擾性能；提高海島npc型電源輸出電壓的控制精度。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種兼具快速動態響應的海島npc型電源高精度控制方法，包括以下步驟：

1)在每個採樣周期的起始點，對海島npc型電源逆變器交流側的濾波電容電壓uo_abc、輸出電流io_abc以及負載電流iload_abc分別進行採樣，將經過ad轉換器轉換後的數據送給dsp控制器；

2)將採樣得到的負載電流iload_abc的中高頻分量前饋，得到前饋量δu_abc；

3)將電壓指令信號uref_abc與前饋量δu_abc作差，得到實際電壓參考值

4)將實際電壓參考值與濾波電容電壓uo_abc作差，得到電壓誤差量δu1_abc；

5)將電壓誤差量δu1_abc經重複控制得到電流量i1_abc；電壓誤差量δu1_abc通過qpr控制後得到qpr控制電流參考值iref2_abc；

6)將步驟5)中的電流量i1_abc經補償器gs(s)補償後得到重複控制電流參考值iref1_abc；

7)將重複控制電流參考值iref1_abc加上qpr控制電流參考值iref2_abc得到電流內環參考指令iref_abc，並與逆變器輸出電流il_abc相減得到電流誤差量δil_abc；

8)將電流誤差量δil_abc經pi調節後，得到pwm調製波信號ur_abc；

9)對ur_abc和三角載波進行載波層疊pwm調製，得到逆變開關管的佔空比信號，經lcl型三相併網逆變器的驅動保護電路，控制逆變電路開關管的開通與關斷。

所述電壓指令信號uref_abc與電流內環參考指令iref_abc存在以下關係：

其中，ωc為諧振帶寬；j為重複控制的內模係數；ω0為電網角頻率；kp為qpr控制的比例係數，ki為qpr控制的積分係數，ω0為電網角頻率。

步驟2)中，前饋的傳遞函數h1(s)為：其中，kload為負載電流前饋係數，s為拉普拉斯變換因子，ωd為截止頻率。

步驟5)中，重複控制傳遞函數其中，j為重複控制的內模係數，ω0為電網角頻率，krc為重複控制的比例係數。

步驟6)中，補償器gs(s)表達式為：其中，nc為超前的開關周期數；ts為開關周期；glpf(s)為低通濾波器的傳遞函數。

qpr控制的傳遞函數為：其中，kp為qpr控制的比例係數，ki為qpr控制的積分係數，ωc為諧振帶寬，ω0為電網角頻率。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：本發明通過負載電流的中高頻分量前饋，有效提高了系統的動態響應速度，降低了衝擊性負荷下電源輸出電壓的劇烈擾動，增強了海島npc型電源的抗擾性能；同時電壓外環採用qpr+重複控制，實現了輸出電壓在基頻和主要次諧波頻率處的無靜差控制，從而提高了海島npc型電源輸出電壓的控制精度；本發明能夠有效提高系統的動態響應性能及其輸出電壓的控制精度，增強了系統穩定性，解決了海島國防設施和民用設備的可靠供電難題。

附圖說明

圖1為本發明一實施例兼具快速動態響應的海島npc型電源高精度控制系統結構圖；

圖2為本發明一實施例兼具快速動態響應的海島npc型電源高精度控制方法控制框圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明一實施例兼具快速動態響應的海島npc型電源高精度控制系統結構圖包括模塊結構、控制系統兩部分。所述模塊結構為n(n＝1,2,3…)個海島npc型電源結構子模塊並聯於交流母線上。所述的子模塊包括前級lcl濾波電路、前級全控整流電路、後級直流儲能電容、後級多電平逆變電路、後級lc濾波電路。所述後級lc濾波器接入交流母線，通過交流母線與負載相連；所述後級多電平逆變電路採用單相二極體鉗位型三電平逆變電路，與後級lc濾波器一同工作，既能避免複雜的電路結構帶來的控制和穩定性問題，又可對高頻諧波電流起到較大的衰減作用，其中，c1、c2為後級直流儲能電容，鉗位二極體d11、d12、d21、d22、d31、d32與功率管t11、t12、t13、t14、t21、t22、t23、t24、t31、t32、t33、t34構成二極體鉗位型三電平逆變電路，電感la、lb、lc與電容ca、cb、cc並聯成後級lc濾波器，uo_abc為三相輸出相電壓，il_abc為逆變側輸出相電流，n』為中性點，iload_abc為三相負載電流，ur_abc為pwm調製波信號，uref_abc為電壓指令信號，iref_abc為電流內環參考指令。所述控制系統包括衝擊性負載高頻電流分量前饋、電壓外環qpr+重複控制、電流內環pi控制、載波層疊pwm控制，得到逆變電路各開關管的觸發脈衝，控制逆變電路開關管的開通與關斷。

圖2為控制框圖，在每個採樣周期的起始點，對三相輸出相電壓uo_abc、輸出相電流io_abc以及三相負載電流iload_abc分別進行採樣，將經過ad轉換器轉換後的數據送給dsp控制器進行處理；將採樣得到的三相負載電流iload_abc的中高頻分量引入前饋提高系統的動態響應速度,得到前饋量δu_abc；其中前饋係數為:

其中，kload為負載電流前饋係數，s為拉普拉斯變化因子，ωd為截止頻率；

將電壓指令信號uref_abc與前饋量δu_abc作差，得到實際電壓參考值

電壓外環控制器gqpr+rc(s)採用準比例諧振+重複控制來實現輸出電壓在基頻和主要次諧波頻率處的無靜差控制，從而達到海島npc型電源輸出電壓的控制精度的目的。其在等效連續域的表達式為：

其中,kp為比例係數，ki為積分係數，ωc為諧振帶寬，ω0為電網角頻率，j為內模係數，krc為比例係數，gs(s)為補償器傳遞函數：

其中，超前環節esncts用以實現對系統相位的補償，保證控制系統在中低頻段近似零相移；而glpf(s)採用適當的低通濾波器實現控制高次諧振頻率處的增益，進而改善控制系統的穩定裕度。

將式(1)進行適當數學變換，則有

由於存在等式變換：

那麼，式(4)可展開為：

式中：ωc為諧振帶寬，可減小公共母線的基波頻率波動對重複控制增益的影響。其與重複控制的內模係數j存在以下數學關係：

考慮到公共母線基波頻率的波動範圍可被限定在±0.5hz範圍內，容易計算出j的取值為0.92。

經重複控制得到的重複控制電流參考值iref1_abc加上經qpr控制得到的qpr控制電流參考值iref2_abc，得到電流內環參考指令iref_abc，並與逆變器輸出電流il_abc相減得到電流誤差量δil_abc；δil_abc經過pi調節後，得到移相pwm調製波信號ur_abc。