一種電壓不平衡條件下三相PWM變換器及其優化控制方法與流程
2024-03-03 11:41:15
本發明屬於三相PWM變換器穩定運行領域，具體為一種電壓不平衡條件下三相PWM變換器及其優化控制方法。
背景技術：
三相PWM變換器實現了網側電流對稱，單位功率因數運行，且動態響應快，同時還可實現功率雙向流通，其真正實現了「綠色電能變換」，因而被廣泛應用於有源電力濾波器(APF)、新型不間斷電源供電(UPS)、分布式發電以及儲能技術領域等。三相PWM變換器具有的高性能是在交流側輸入電壓平衡條件下，而實際電壓不平衡現象時有發生，如偏遠地區的弱電網，微電網三相負荷分布不均勻，大功率負載接入，以及分布式發電的局限性，這些都會使得電壓不平衡，不平衡電壓將導致直流母線電壓波動，交流側電流含有奇次諧波，進而影響三相PWM變換器正常運行。
為確保三相PWM變換器安全、高效、穩定運行，提供一種電壓不平衡條件下三相PWM變換器優化控制方法，提高三相PWM變換器交直流側電能質量具有重要意義。
目前，針對電壓不平衡條件下提高三相PWM變換器性能的方法有多種，其中主要的3種方法是：一、恆功率控制法：恆功率控制允許直流電壓有一定的波動，因而輸出濾波電容就會相應的變小，當輸入電壓不平衡時，從不平衡相輸出的負序電流增大，進一步惡化了系統電能質量；二、直接電流控制法：直接電流控制方法在輸入電壓不平衡時，可以實現輸入電流正弦對稱，但是直流側電壓會產生二次波動，為了消除直流電壓二次波動，就會增大直流側電解電容甚至採用超級電容，這些都會降低系統的動態響應，同時容量大的電解電容及超級電容增加了三相PWM變換裝置的體積、費用；三、恆功率與直接電流協調控制法：其控制目標是根據實際需要哪個重要選取哪個，因此消除有功功率二次波動，交流側電流就會存在負序分量，抑制交流側負序電流，有功功率就會存在二次波動，若二者之間協調控制，系統仍舊存在負序電流和功率二次波動。
技術實現要素：
傳統的電壓不平衡控制方法不能同時實現消除負序電流與有功功率二次波動，本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供了一種電壓不平衡條件下三相PWM變換器及其優化控制方法。
本發明是採用如下的技術方案實現的：一種電壓不平衡條件下的三相PWM變換器，包括三相全橋整流電路和功率補償電路；其中三相全橋整流電路包括相互並聯的三組橋臂，每組橋臂都包括兩個相互串聯的IGBT，IGBT由功率管和反並聯的二極體構成，三相全橋整流電路的交流側經過電感與電網連接，直流側電容與橋臂並聯；功率補償電路包括電感Lac、電容Cac和一組由兩個相互串聯的IGBT構成的橋臂，其橋臂與三相全橋整流電路直流側電容並聯，所述電感Lac和電容Cac串聯形成串聯支路，串聯支路的一端連接在橋臂的中間，另一端連接在橋臂的負極。
如上述的一種電壓不平衡條件下的三相PWM變換器的優化控制方法，是基於諧波檢測、比例積分及諧振控制原理，並將其應用到無需檢測相位的α-β坐標系下三相PWM變換器數學模型之中對其進行控制，控制器包括交流控制器與直流控制器，通過對交流側正負序電壓、交流側電流以及直流電壓進行控制，實現消除負序電流與有功功率二次波動，該方法是採用如下步驟實現的，包括以下步驟：
步驟一：交流電壓不平衡條件下直流母線電壓存在二次波動，首先採用陷波器對直流母線電壓濾除二次諧波，得到的直流電壓參考值V※dc，直流電壓Vdc與直流電壓參考值V※dc進行比較後經過PI控制得到直流電流參考值i※dc，然後與直流電壓參考值V※dc相乘得到有功功率P，無功功率Q根據實際需要給定參考值；
步驟二：檢測電網側交流電壓eabc、交流電流iabc，並將其進行α-β坐標變換，得到α-β坐標系下的電壓eαβ和電流iαβ，並對eαβ進行正負序分離，得到正序電壓和負序電壓
步驟三：由步驟一中得到的有功功率P與無功功率Q，以及步驟二中得到的正序電壓通過計算得到電流參考值i※αβ，電流參考值i※αβ與實際電流iαβ進行比較，通過比例積分諧振控制得到電壓正序分量然後與實際負序電壓疊加，經過SVPWM控制，輸出PWM波進而控制三相全橋整流電路；
步驟四：通過以上控制實現了消除交流電流負序分量的目的，但是由於負序電壓的存在，系統傳輸有功功率仍存在二次波動，導致直流母線電壓存在二次波動，直流電壓不穩定，因此將步驟二中得到的負序電壓與電流iαβ進行計算得到有功功率二次波動值，進而得到功率補償電路中交流電容電壓參考值v※ac，然後與實際電容電壓vac進行比較，然後經過PI控制得到電流參考值i※ac；
步驟五：檢測電感Lac處電流iac，與電流參考值i※ac進行比較，經過比例控制，輸出PWM波進而控制功率補償電路，實現消除有功功率二次波動。
與傳統的電壓不平衡條件下三相PWM變換器控制方法相比，本發明所述的優化控制方法通過採用新型控制電路與相應的控制策略，實現了消除交流電流負序分量與有功功率二次波動，有效改善了系統交直流電能質量，同時保證三相PWM變換器安全穩定運行。如圖5所示，採用本發明所述的電壓不平衡條件下三相PWM變換器控制策略，消除了交流電流負序分量，穩定了直流母線電壓。本發明有效解決了電壓不平衡條件下三相PWM變換器交流側電流負序分量與有功功率二次波動問題。
附圖說明
圖1是本系統的主電路結構示意圖。
圖2是本發明的控制原理圖。
圖3是電壓不平衡條件下直流電壓與交流電流波形圖。
圖4是未採用本發明所述的控制方法時，只有電流控制的波形圖。
圖5是採用本發明所述的控制方法，直流電壓與交流電流波形圖。
具體實施方式
一種電壓不平衡條件下的三相PWM變換器，包括三相全橋整流電路和功率補償電路；其中三相全橋整流電路包括相互並聯的三組橋臂，每組橋臂都包括兩個相互串聯的IGBT，IGBT由功率管和反並聯的二極體構成，三相全橋整流電路的交流側經過電感與電網連接，直流側電容與橋臂並聯；功率補償電路包括電感Lac、電容Cac和一組由兩個相互串聯的IGBT構成的橋臂，其橋臂與三相全橋整流電路直流側電容並聯，所述電感Lac和電容Cac串聯形成串聯支路，串聯支路的一端連接在橋臂的中間，另一端連接在橋臂的負極。
上述的一種電壓不平衡條件下的三相PWM變換器的優化控制方法，包括以下步驟：
步驟一：首先採用陷波器對直流母線電壓濾除二次諧波，得到的直流電壓參考值V※dc，直流電壓Vdc與直流電壓參考值V※dc進行比較後經過PI控制得到直流電流參考值i※dc，然後與直流電壓參考值V※dc相乘得到有功功率P，無功功率Q根據實際需要給定參考值；
步驟二：檢測電網側交流電壓eabc、交流電流iabc，並將其進行α-β坐標變換，得到α-β坐標系下的電壓eαβ和電流iαβ，並對eαβ進行正負序分離，得到正序電壓和負序電壓
步驟三：由步驟一中得到的有功功率P與無功功率Q，以及步驟二中得到的正序電壓通過計算得到電流參考值i※αβ，電流參考值i※αβ與實際電流iαβ進行比較，通過比例積分諧振控制得到電壓正序分量然後與實際負序電壓疊加，經過SVPWM控制，輸出PWM波進而控制三相全橋整流電路；
步驟四：將步驟二中得到的負序電壓與電流iαβ進行計算得到有功功率二次波動值，再進行電壓參考值計算進而得到功率補償電路中交流電容電壓參考值v※ac，然後與實際電容電壓vac進行比較，然後經過PI控制得到電流參考值i※ac；
步驟五：檢測電感Lac處電流iac，與電流參考值i※ac進行比較，經過比例控制，輸出PWM波進而控制功率補償電路，實現消除有功功率二次波動。