一种数据驱动的三相PWM整流器直流母线电压纹波抑制方法

一种数据驱动的三相pwm整流器直流母线电压纹波抑制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子的控制技术领域，具体涉及一种数据驱动的三相pwm整流器直流母线电压纹波抑制方法。


背景技术：

2.三相pwm整流器可实现功率双向流动、高功率因数、低电流谐波整流，在正常工况下具有卓越的性能，因此在电机驱动、高压直流输电、微电网系统、电动汽车充电等领域有广泛的应用。但是，由于新能源并网比例不断提升、电网负载不平衡等原因，电网不对称故障时有发生。不对称的电网电压含有负序分量，导致三相输出功率中的交流分量不能完全抵消，进而表现为直流母线电压存在二倍电网基波频率的交流分量，增加了功率开关过压的风险。另外，该直流母线电压二次纹波通过电压负反馈使得电网电流含有奇次谐波，不利于电网的安全、绿色运行。因此，有效抑制直流母线电压纹波及网侧电流谐波具有重要意义。
3.相关专利申请的参照：
4.现有技术包括谐波注入、添加有源滤波变换器等。[1]中提出了一种基于二次谐波注入的mmc电容电压纹波抑制方法，通过二次谐波环流注入，降低了母线电压的纹波。但电压纹波没有得到完全抑制。[2]中提出一种交流电网电压不平衡时直流母线电压纹波抑制策略,通过buck/boost变换器将三相整流器直流母线上的电压纹波转移到薄膜电容上，有效抑制母线上的电压纹波及网侧电流谐波。但需要额外变换器，增加了系统的开发成本。[3]中提出一种在线辨识电感的直接功率控制策略，提高了控制策略对电感参数变化的鲁棒性。但该方法仍依赖于网侧电压及整流器交流电压的采样和估计。当电压采样存在误差时，该方法的纹波抑制性能会降低。
[0005]
因此，目前方法中，一类需要借助额外器件缓冲直流母线电压上的二次纹波，使系统开发成本和难度增加；另一类通过附加额外控制方法提高系统鲁棒性以提升纹波抑制性能，但没有从本质上脱离整流器网侧功率数学模型的限制，控制性能仍会收到采样、电感等参数的制约。
[0006]
[1]孙建聿,孙双魁,王鹏,李书山,吕钧章,刘小兵,马宏霞,赵修文,赖丽,陈永超,董朝辉,马鸿翔,王玲,张强,张存朝,周冰雁,蒋秀婷,张玮.一种基于二次谐波注入的mmc电容电压纹波抑制方法[p].青海省：cn114465465a,2022
ꢀ‑
05-10.
[0007]
[2]王金浩,常潇,任远,高乐,张敏,李瑞,文妤,樊瑞,赵军,张涛,王腾鑫,祗会强,郭翔宇,孟润泉.一种交流电网电压不平衡时直流母线电压纹波抑制策略[p].山西省：cn114123203a,2022-03-01.
[0008]
[3]y.zhang,j.jiao and j.liu,"direct power control of pwm rectifiers with online inductance identification under unbalanced and distorted network conditions,”ieee trans.power electron.,vol.34,no.12,pp.12524-12537,dec.2019.


技术实现要素：

[0009]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供三相不平衡工况下pwm整流器直流母线电压纹波抑制方法，该方法能够在无需准确获知网侧电感及电压参数条件下，挖掘历史数据中的有效信息，实现直流母线电压纹波的有效抑制，具有较强的鲁棒性。
[0010]
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种数据驱动的三相pwm整流器直流母线电压纹波抑制方法，其中三相pwm整流器输入为三相电源，三相电源与三相电感一端相连，三相电感另一端与三相全桥整流器桥臂中点相连，三相全桥整流器上下两端为直流母线输出正负两极，分别与直流母线电容正负两端相连，其两端之间的电压为直流母线电压。包括以下步骤：
[0011]
(1)负序有功电流扰动值计算:根据正序有功电流计算负序有功电流两次扰动的扰动值；
[0012]
(2)无扰动条件下直流母线电压纹波幅值观测：通过带通滤波器提取直流母线电压纹波，进而观测无扰动时直流母线电压纹波幅值；
[0013]
(3)负序有功电流一次扰动：将步骤(1)中计算所得负序有功电流第一次扰动值作为指令电流，控制直流母线电压纹波发生变化，并观测对应直流母线电压纹波幅值；
[0014]
(4)负序有功电流二次扰动：将步骤(1)中计算所得负序有功电流第二次扰动值作为指令电流，控制直流母线电压纹波发生变化，并观测对应直流母线电压纹波幅值；
[0015]
(5)负序有功电流指令值计算与注入：根据前述负序有功电流扰动值及对应直流母线电压纹波幅值，计算能抑制直流母线电压纹波的负序有功电流指令值，并将其作为电流给定注入至网侧电流；
[0016]
(6)将上述步骤中负序有功电流改为负序无功电流，并重复步骤(1)
[0017]
至(5)。
[0018]
进一步，步骤(1)中，在保证系统稳定的情况下，通过扰动负序电流使直流母线电压纹波幅值发生改变，根据下式确定负序电流的两次扰动值，
[0019][0020]
其中，分别为负序电流两次扰动值，λ
d0
、λ
d1
为扰动系数，为正序有功电流。
[0021]
进一步，步骤(2)、(3)、(4)中，根据下式计算直流母线电压纹波幅值，
[0022][0023]
其中，u
dc_ac
为直流母线电压纹波幅值，n为每个工频周期电压采样次数，u
dc_bpf
(i)为带通滤波器第i个输出值。
[0024]
进一步，步骤(5)中，设直流母线电压二次纹波幅值第i个观测值为u
di
，负序有功电流指令值第i个观测值为i
di
，观测值总数为n，根据下式计算由样本获取的ad、bd、cd的估计值
[0025][0026]
其中，d由电网电压基波角频率ωf、直流母线电压中的直流分量u
dc_dc
、直流母线电容容值常数c决定，其表达式为，
[0027][0028]
更进一步，步骤(5)中，根据下式计算负序指令电流
[0029][0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0031]
1.所提方法在不改变系统稳定裕度及动态响应速度的前提下，可以有效实现直流母线电压纹波及网侧电流谐波抑制。
[0032]
2.所提方法将负序指令电流求解由传统的模型驱动升级为数据驱动，从而有效避免了电压采样误差及网侧电感参数不准确带来的纹波抑制性能变差等问题。
[0033]
3.所提方法无需额外的功率变换器，从而降低了系统开发成本，同时拓宽了所提方法的应用场景。
附图说明
[0034]
图1是本发明的控制框图；
[0035]
图2是数据驱动自适应电流扰动控制器工作流程图；
[0036]
图3是本发明方法抑制直流母线电压动态过程波形，(a)三相电压、直流母线电压及直流母线电压纹波幅值，(b)三相电流、d-q坐标系下负序指令电流；
[0037]
上述如图中主要符号名称：ea、eb、ec、ia、ib、ic分别为三相静止坐标系下的三相电压与电流，e
α
、e
β
、i
α
、i
β
、分别为两相静止坐标系下的电压与电流，分别为两相静止坐标系下指令电流，分别为两相静止坐标系下的正负、负序指令电流，分别为两相旋转坐标系下的正序、负序指令电流，分别为两相静止坐标系下的指令电压，la、lb、lc、ra、rb、rc分别为三相电感及其等效串联电阻，u
ref
为直流母线电压指令值，u
dc
为直流母线电压。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图描述本发明的一个具体实施例，并进一步说明本发明的技术方案原理和效果。
[0039]
一种数据驱动的三相pwm整流器直流母线电压纹波抑制方法，其控制框图如图1所
示，其中数据驱动自适应扰动电流控制器由3部分构成：带通滤波器、直流母线电压二次纹波峰值在线计算器及自适应扰动电流发生器。其中，带通滤波器用于提取直流母线电压的交流分量；直流母线电压二次纹波峰值在线计算器为负序指令电流计算提供纹波幅值数据；数据驱动自适应扰动电流控制器用于产生扰动电流，并根据对应的电压纹波幅值数据计算最终所需负序电流，其工作流程图如图2所示。
[0040]
下面结合图1所示的控制框图与图2所示的数据驱动自适应电流扰动控制器工作流程图，对本发明实施例的步骤进行具体说明。
[0041]
根据步骤(1)，假设三相pwm整流器额定功率为3kw，在三相电压对称且有效值为110v工况下正序有功电流约为16a，根据式(1)计算负序有功电流两次扰动值分别为
[0042][0043]
步骤(1)原理如下：
[0044]
直流母线电压纹波幅值u
dc_ac
与负序有功电流关系式为
[0045][0046]
由式(7)可知直流母线电压与负序有功电流呈类抛物线关系，在负序无功电流一定的条件下，当负序有功电流为-bd/(2ad)时直流母线电压纹波最小；当负序有功电流远离-bd/(2ad)时，直流母线电压纹波幅值增大。而由于ad、bd参数未知，负序有功电流扰动值可根据正序有功电流进行估计。此时，如果扰动系数过大，则会增大直流母线电压纹波，同时加剧网侧电流畸变；如果扰动系数过小，直流母线电压纹波幅值变化难以观测，不利于最终指令电流的求解。因此，此处取λ
d0
＝15％，λ
d1
＝7.5％。
[0047]
根据步骤(2)，在三相电压分别为50v、110v、110v条件下，当采样频率为5khz时，每个工频周期采样点数n为100，将带通滤波器输出值代入式(2),计算无扰动条件下直流母线电压纹波幅值为
[0048][0049]
根据步骤(3)，令负序有功电流指令值等于步骤(1)计算所得第一次扰动值2.4a，此时直流母线电压纹波幅值发生变化，根据式(2)计算u
dc_acd1
为11.38v。
[0050]
根据步骤(4)，令负序有功电流指令值等于第二次扰动值1.2a，此时直流母线电压纹波幅值发生变化，根据式(2)计算u
dc_acd2
为12.89v。
[0051]
根据步骤(5)，将上述数据代入公式(3)，其中，i
d1
＝0a，＝0a，u
d1
＝u
dc_acd0
＝17.17v，u
d2
＝u
dc_acd1
＝11.38v，u
d3
＝u
dc_acd2
＝12.89v，计算得到为20104，为-91521。进而由式(5)计算使直流母线电压二次纹波幅值最小的负序有功指令电流为
[0052][0053]
将其作为负序有功电流给定注入至网侧电流，完成负序有功电流的直流母线电压纹波抑制。
[0054]
步骤(5)的原理如下：
[0055]
由式(7)可知，观测误差平方和可计算为，
[0056][0057]
由于误差平方和函数l(ad,bd,cd)≥0，当其对ad、bd、cd的偏导数为0时取得最小值，根据下式建立三元一次方程组，
[0058][0059]
将式(11)移项整理即可得到式(3)。
[0060]
根据步骤(6)，使用负序无功电流替换负序有功电流，重复步骤(1)，计算负序无功电流两次扰动值分别为
[0061][0062]
根据步骤(6)，重复步骤(2)，在负序无功电流为0条件下，根据式(2)计算并记录直流母线电压二次纹波幅值u
dc_acq0
为11.51v。
[0063]
根据步骤(6)，重复步骤(3)，令负序无功电流指令值等于步骤(1)计算所得第一次扰动值1.6a，此时直流母线电压纹波幅值发生变化，根据式(2)计算u
dc_acq1
为1.78v。
[0064]
根据步骤(6)，重复步骤(4)，令负序无功电流指令值等于第二次扰动值0.8a，此时直流母线电压纹波幅值发生变化，根据式(2)计算u
dc_acq2
为6.71v。
[0065]
根据步骤(6)，重复步骤(5)，其中，i
q1
＝0a，u
q1
＝u
dc_acq0
＝11.51v，u
q2
＝u
dc_acq1
＝1.78v，u
q3
＝u
dc_acq2
＝6.71v，计算得到为22363，为-86731。计算使直流母线电压二次纹波最小的负序无功指令电流为
[0066][0067]
将其作为负序无功电流给定注入至网侧电流，即可实现直流母线电压纹波抑制。
[0068]
在本实施例中，给出了数据驱动方法计算负序指令电流的具体过程，当额定功率及电流发生变化时，可仿照此过程进行。
[0069]
为了显示本发明的显著效果，本实施例给出一些利用实施例得出的实验结果。图3
给出了本发明方法抑制直流母线电压动态过程波形。0-1s内，未加入本发明所提控制方法，直流母线电压纹波峰峰值为17.17v，存在明显二倍工频的纹波波动；三相电压有效值分别为50v、110v、110v，直流母线电压直流分量为300v。网侧三相电流有效值分别为11.6a、10.8a、11.4a，电流总谐波畸变率分别为4.6％、4.5％、4.5％，电流畸变严重。1.1s以后，完成本方法负序指令电流计算。此后，直流母线电压纹波峰峰值为0.8v，二倍工频的纹波波动得到有效抑制；三相电流中三次谐波电流幅值分别为0.017a、0.016a、0.016a，三相电流thd分别为1.0％、1.0％、1.1％，电流谐波明显降低。
[0070]
本实施例获得的实验结果可以说明，使用本发明所述的方法不但可以有效抑制直流母线电压纹波，而且可以有效消除网侧电流谐波，且该过程中无需网侧电压、电感等参数，具有较强的鲁棒性。
[0071]
本发明可以用其它具体形式来实施，而不脱离其精神或本质特征。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的,例如：
[0072]
1)应用拓扑包括各类三相整流器；
[0073]
2)整流器额定运行功率；
[0074]
3)负序扰动电流扰动系数设计；
[0075]
4)各种参数的选择等。
[0076]
因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述描述来指示。落入权利要求的等效技术方案的意义和范围中的所有变化都包含在其范围之中。