并网型变流器针对电网电压不平衡的控制方法及装置与流程

kumar panda,et al.an output-power-control strategy for a three-phase pwm rectifier under unbalanced supply conditions[j].ieee transactions on industrial electronics,2006，21(3):2140-2150.”、文献“yongsug suh，thomas a.lipo.control scheme in hybrid synchronous stationaryframe for pwm ac/dc converter under generalized unbalanced operating conditions[j].ieee transactions on industrial applications,2006，42(3):825-835.”】。但这样一方面电流指令的计算所用的除法运算会消耗控制器芯片较多的中断资源，且用于计算电流指令的电压序分量往往需要滤波提取得到，电流指令的动态响应与精度存在矛盾；另一方面，电流指令目标能否实现很大程度上依赖于电流控制策略的性能。当以输出电流平衡为控制目标时，电流控制器需要将变换器反馈电流中的负序电流抑制到零；而以输出功率恒定为控制目标时，变换器则需要使反馈电流中的负序电流控制跟上目标电流指令中的负序分量，而这一目标是无法由传统基于单旋转坐标系pi调节的电流控制策略达成的。换言之，要按照特定公式计算电流指令来实现输出功率恒定或输出电流平衡的控制目标，需要同时对变换器所用的电流控制策略进行提升。在这一背景下，基于正、负序双同步旋转坐标系的电流控制策略【文献“hong-seok song,kwanghee nam.dual current control for pwm converter under unbalanced input voltage conditions[j].ieee transactions on industrial electronics，1999，46(5):953-959.”、文献“xiong du,shida gu,guoning wang,et al.simple current control method for three phasevsc under unbalanced grid condition[j].iet power electron,2018,11(7):1161-1168.”】、在传统单旋转坐标系的pi调节器上并联二倍频谐振调节器的优化电流控制策略【文献“etxeberria-otidui i,viscarret u,caballero m,et al.new optimized pwm vsc control structures and strategies under unbalanced voltage transients[j].ieee transactions on industrial electronics，2007，54(5):2902-2914.”】、以及将电流控制转换到两相静止坐标系的电流控制策略【文献“zixin li,yaohua li,haibin zhu,et al.control of three-phase boost-type pwm rectifier in stationary frame under unbalanced input voltage[j].ieee transactions on power electronics，2010，25(10):2521-2530.”】先后被提出，并得到了不同程度的优化。
[0007]
通过在直流电压pi调节器上并联一个中心频率为二倍频的谐振调节器，可以抑制电网电压不平衡造成的直流母线电压二倍频波动，从而达成变换器的输出有功功率恒定的目标，这样虽然可以避开前述电流指令计算存在的问题，但会造成有功负序电流和无功负序电流的不匹配，导致变换器的输出电流畸变。


技术实现要素：

[0008]
本技术旨在提供一种并网型变流器针对电网电压不平衡的控制方法及装置，以解决基于直流母线电压二倍频波动抑制生成电流指令所存在的电流畸变问题。
[0009]
本技术一方面，提供一种并网型变流器针对电网电压不平衡的控制方法，所述方法包括：
[0010]
根据直流电压作用量、直流电压检测值以及变换器输出电流，得到基本有功电流作用量以及附加有功电流作用量；
[0011]
根据所述基本有功电流作用量、基本无功电流作用量以及所述附加有功电流作用量，得到最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量；
[0012]
将最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量与反馈电流的误差进行调节，得到最终电压作用量；
[0013]
对所述最终电压作用量进行调制，得到并网变换器控制所需的驱动信号。
[0014]
本技术另一方面，提供一种并网型变流器针对电网电压不平衡的控制装置，所述装置包括：
[0015]
直流电压控制模块，用于根据直流电压作用量、直流电压检测值以及变换器桥臂电感电流，得到基本有功电流作用量以及附加有功电流作用量；
[0016]
电流指令生成模块，用于根据所述基本有功电流作用量、基本无功电流作用量以及所述附加有功电流作用量，得到最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量；
[0017]
电流控制模块，用于将最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量与反馈电流的误差进行调节，得到最终电压作用量；
[0018]
调制模块，用于对所述最终电压作用量进行调制，得到并网变换器控制所需的驱动信号。
[0019]
本技术实施例提供的并网型变流器针对电网电压不平衡的控制方法及装置，在解决基于直流母线电压二倍频波动抑制生成电流指令所存在的电流畸变问题的同时，能够在电网电压不平衡时根据变换器的运行需要在输出功率恒定和输出电流平衡两个控制目标之间灵活切换。
附图说明
[0020]
图1为本技术实施例提供的并网型变流器针对电网电压不平衡的控制框图；
[0021]
图2为本技术实施例提供的pll模块的原理示意图；
[0022]
图3为本技术实施例提供的直流电压控制模块的原理示意图；
[0023]
图4为本技术实施例提供的电流指令生成模块的原理示意图；
[0024]
图5为本技术实施例提供的电流控制模块的原理示意图；
[0025]
图6为现有的基于直流电压控制使输出功率恒定方法电网两相跌落的仿真结果示意图；
[0026]
图7为本技术实施例以输出功率恒定为控制目标时电网两相跌落的仿真结果示意图；
[0027]
图8为本技术实施例以输出电流平衡为控制目标时电网单相跌落的仿真结果示意图；
[0028]
图9为本技术实施例提供的并网型变流器针对电网电压不平衡的控制方法示意图。
[0029]
本技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0030]
为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅
用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0031]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0032]
本技术实施例涉及到的变量及其定义：
[0033]uoabc
：变换器并网点电压
[0034]ioabc
：变换器输出电流
[0035]ilabc
：变换器桥臂电感电流
[0036]
lg：电网等效漏感
[0037]
θ：锁相环输出相位
[0038]iref_x
、i
ref_y
：变换器输出电流作用量的x、y轴分量
[0039]ix
、iy：变换器输出电流的x、y轴分量
[0040]gn
:中心频率为二倍基频的陷波器
[0041]gr
：在二倍基频处具有高增益的控制器
[0042]gqsg
：正交信号发生器
[0043]evscref_x
、e
vscref_y
：最终电压作用量的x、y轴分量
[0044]evscref_α
、e
vscref_β
：最终电压作用量的α、β轴分量
[0045]
图1为本技术实施例提供的并网型变流器针对电网电压不平衡的控制框图。
[0046]
如图1所示，并网型变流器针对电网电压不平衡的控制通过pll(phase locked loop，锁相环)模块、直流电压控制模块、电流指令生成模块、电流控制模块以及pwm调制模块实现。
[0047]
图2为本技术实施例提供的pll模块的原理示意图。
[0048]
如图2所示，pll(phase locked loop，锁相环)模块的输入为变换器的并网点电压u
oabc
，经过坐标变换、pi调节后，输出电网电压的相位θ。
[0049]
图3为本技术实施例提供的直流电压控制模块的原理示意图。
[0050]
如图3所示，直流电压控制模块的输入为直流电压作用量u
dc_ref
、直流电压检测值u
dc
以及变换器桥臂电感电流i
labc
，输出为基本有功电流作用量i
refmain_d
和附加有功电流作用量i
refaux_d
。
[0051]
与现有的基于直流电压控制使输出功率恒定方法不同的是，本实施例的直流电压控制被拆分成了基本控制和二倍基频谐波两部分。
[0052]
其中，直流电压基本控制部分用于对直流电压作用量u
dc_ref
与直流电压滤除二倍电网基频分量后的值进行调节，其输出可以表示为：
[0053]
[0054]
式中，k
p_vr
和k
i_vr
分别为直流电压pi调节器的比例和积分系数。gn代表中心频率为二倍电网基频的陷波器，用于滤除直流电压中的二倍电网基频分量，其输出到输入特性的传递函数可以表示为：
[0055][0056]
其中，ωn为陷波器的中心频率对应的角频率，在本实施例中为二倍电网基波频率对应的角频率；ω
cn
为陷波器的带宽系数，在0～1之间取值。
[0057]
直流电压二倍基频谐波控制部分对直流电压中的二倍电网基波频率分量进行调节，其输出可以表示为：
[0058]irefauxr_d
＝gr(g
n-1)u
dc
ꢀꢀꢀ
(3)
[0059]
式中，gr为在二倍电网基频处具有高增益的控制器。
[0060]
在本实施例中，将gr设为中心频率为二倍电网基波频率的谐振调节器，其输出到输入特性的传递函数可以表示为：
[0061][0062]
其中，ωr为谐振调节器的中心频率对应的角频率，在本实施例中为二倍电网基波频率对应的角频率；ω
cr
为谐振调节器的带宽系数，在0～1之间取值；kr为谐振调节器的增益。
[0063]
请再参照图3所示，直流电压控制的实施可分为四步。
[0064]
首先，利用pi调节器对u
dc_ref
和的差值进行调节，得到基本有功电流作用量i
refmain_d
；利用gr对直流电压中的二倍电网基波频率的分量进行调节，得到附加有功电流作用量初始值i
refauxr_d
。
[0065]
其次，检测变换器桥臂电感电流i
labc
的最大值i
max
，且按照如下规则确定附加有功电流作用量：
[0066][0067]
其中，ctrlmode为输出模式切换信号，其目的在于当电网电压不平衡时，在变换器输出电流无畸变的前提下设定变换器输出功率恒定或变换器输出电流平衡。ctrlmode＝0时变换器运行在输出功率恒定模式，ctrlmode＝1时则变换器运行在输出电流平衡模式。其取值规则为：
[0068][0069]
式中，i
high
和i
low
分别为电流门限的上限设定值和下限设定值，i
high
＞i
low
＞0且一般可以将i
high
可设为变换器允许运行的最大电流。
[0070]
图4为本技术实施例提供的电流指令生成模块的原理示意图。
[0071]
电流指令生成模块的输入包括基本有功电流作用量i
refmain_d
、附加有功电流作用
量i
refaux_d
以及基本无功电流作用量i
refmain_q
；输出为最终的有功电流作用量i
ref_d
和最终的无功电流作用量i
ref_q
。
[0072]
所述基本无功电流作用量包括变换器为控制无功功率或参与并网点电压调节所设定的正序无功电流设定值。
[0073]
执行过程为，将附加有功电流作用量i
refaux_d
与基本有功电流作用量i
refmain_d
叠加，得到最终的有功电流作用量i
ref_d
；将有功电流附加作用量i
refaux_d
取反，并将取反的信号经过正交信号发生器g
qsg
，得到附加无功电流作用量i
refaux_q
，再将附加无功电流作用量i
refaux_q
与基本无功电流作用量i
refmain_q
叠加，便得到最终的无功电流作用量i
ref_q
。所述正交信号发生器输出到输入特性的传递函数为：
[0074][0075]
式中，k
qsg
为正交信号发生器增益，ω
qsg
为正交信号发生器的中心频率对应的角频率，在本实施例中为二倍电网基波频率对应的角频率。
[0076]
图5为本技术实施例提供的电流控制模块的原理示意图。
[0077]
电流控制模块的输入包括最终的有功电流作用量i
ref_d
、最终的无功电流作用量i
ref_q
、变换器桥臂电感电流i
labc
、并网点电压u
oabc
以及锁相环输出的电网电压的相位θ，输出包括最终电压作用量的x、y轴分量e
vscref_x
、e
vscref_y
。
[0078]
执行过程为，首先利用电流指令坐标变换模块将最终的有功电流作用量i
ref_d
和最终的无功电流作用量i
ref_q
转换到目标坐标系xy坐标系下，得到其x、y轴分量i
ref_x
、i
ref_y
；同时利用电流控制坐标变换模块分别将变换器桥臂电感电流i
labc
和并网点电压u
oabc
转换到目标坐标系xy坐标系下，分别得到其x、y轴分量i
x
、iy和u
ox
、u
oy
。
[0079]
当目标坐标系为dq坐标系时，所述电流指令坐标变换公式为：
[0080][0081]
以变换器桥臂电感电流作为目标受控电流，此时所述电流控制坐标变换公式为：
[0082][0083]
当目标坐标系为αβ坐标系时，所述电流指令坐标变换公式为：
[0084][0085]
以变换器桥臂电感电流作为目标受控电流，此时所述电流控制坐标变换公式为：
[0086][0087]
其次，分别将x、y轴的电流作用量分量与反馈的差值送入各自的电流调节器g
cr
，再
将x、y轴电流调节器g
cr
的输出分别与并网点电压的x、y轴分量叠加，得到最终电压作用量的x、y轴分量e
vscref_x
、e
vscref_y
。
[0088]
最后，通过发波电压坐标变换模块，将最终电压作用量的x、y轴分量e
vscref_x
、e
vscref_y
转换到αβ坐标系下，得到最终电压作用量的α、β轴分量e
vscref_α
、e
vscref_β
。
[0089]
当目标坐标系为dq坐标系时，所述发波电压坐标变换模块的变换公式为：
[0090][0091]
当目标坐标系为αβ坐标系时，所述发波电压坐标变换模块的变换公式为：
[0092][0093]
pwm调制模块将最终电压作用量的α、β轴分量e
vscref_α
、e
vscref_β
通过pwm调制，例如采用三相空间矢量调制方法，得到并网变换器控制所需的驱动信号。
[0094]
图6为现有的基于直流电压控制使输出功率恒定方法电网两相跌落的仿真结果示意图。图7为本技术实施例以输出功率恒定为控制目标时电网两相跌落的仿真结果示意图。图8为本技术实施例以输出电流平衡为控制目标时电网单相跌落的仿真结果示意图。
[0095]
从上述仿真结果示意图可以看出，本技术实施例提供的并网型变流器针对电网电压不平衡的控制，能够解决现有的基于直流电压控制使输出功率恒定的方法存在的电流畸变问题，同时能够在电网电压不平衡时根据变换器的运行需要在输出功率恒定和输出电流平衡两个控制目标之间灵活切换。
[0096]
图9为本技术实施例提供的并网型变流器针对电网电压不平衡的控制方法示意图。
[0097]
如图9所示，所述方法包括：
[0098]
步骤s11、根据直流电压作用量、直流电压检测值以及变换器输出电流，得到基本有功电流作用量以及附加有功电流作用量；
[0099]
步骤s12、根据所述基本有功电流作用量、基本无功电流作用量以及所述附加有功电流作用量，得到最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量；
[0100]
步骤s13、将最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量与反馈电流的误差进行调节，得到最终电压作用量；
[0101]
步骤s14、对所述最终电压作用量进行调制，得到并网变换器控制所需的驱动信号。
[0102]
在一示例中，所述根据直流电压作用量、直流电压检测值以及变换器输出电流，得到基本有功电流作用量以及附加有功电流作用量，包括：
[0103]
将所述直流电压作用量与直流电压滤除二倍电网基频分量后的值进行调节，得到所述基本有功电流作用量；和/或，
[0104]
利用在二倍电网基频处具有高增益的控制器对直流电压中的二倍电网基频分量进行调节，得到附加有功电流作用量初始值；检测变换器输出电流的最大值，并将该最大值与电流门限进行比较，得到变换器的输出模式切换信号；根据所述变换器的输出模式切换
信号以及所述附加有功电流作用量初始值，确定所述附加有功电流作用量。
[0105]
在一示例中，通过中心频率为二倍电网基频的陷波器或低通滤波器得到所述直流电压滤除二倍电网基频分量后的值。
[0106]
在一示例中，所述在二倍电网基频处具有高增益的控制器包括中心频率为二倍电网基频的谐振调节器、重复控制器、比例积分谐振调节器、比例积分重复控制器中的一种。
[0107]
在一示例中，所述变换器输出电流包括变换器输出三相电流的有效值、三相电流的模值、三相电流模值的滤波值中的一种。
[0108]
在一示例中，所述根据所述变换器的输出模式切换信号以及所述附加有功电流作用量初始值，确定所述附加有功电流作用量，包括：
[0109]
将变换器的输出模式设定为输出功率恒定或输出电流平衡。
[0110]
在一示例中，所述根据所述基本有功电流作用量、基本无功电流作用量以及所述附加有功电流作用量，得到最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量，包括
[0111]
将所述基本有功电流作用量与所述附加有功电流作用量叠加，得到最终的有功电流作用量；和/或，
[0112]
将所述附加有功电流作用量取反后经过正交信号发生器，得到附加无功电流作用量，再将所述附加无功电流作用量与所述基本无功电流作用量叠加，得到最终的无功电流作用量。
[0113]
在一示例中，所述基本无功电流作用量包括变换器为控制无功功率或参与并网点电压调节所设定的正序无功电流设定值。
[0114]
在一示例中，所述将最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量与反馈电流的误差进行调节，得到最终电压作用量，包括：
[0115]
将最终的有功电流作用量和最终的无功电流作用量，利用电流作用量坐标变换，得到目标坐标系下的电流分量；
[0116]
将变换器输出电流、并网点电压以及锁相环输出的电网电压的相位，利用电流控制坐标变换，得到目标坐标系下的电流反馈分量和电压反馈分量；
[0117]
将目标坐标系下的电流分量与目标坐标系下的电流反馈分量的差值进行电流调节后，与电压反馈分量进行叠加得到最终电压作用量。
[0118]
以上参照附图说明了本技术的优选实施例，并非因此局限本技术的权利范围。本领域技术人员不脱离本技术的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本技术的权利范围之内。