CN112415887B - 计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明实施方式提供一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及***，属于变流器电压环的控制技术领域。所述电压环控制方法包括：获取变流器***的***参数，其中，所述***参数包括变流器的直流侧电压基准u_DC ^*、输入功率P_in、输出功率P_out、直流侧电流i_DC以及等效损耗电阻R_loss；根据所述输出功率P_out确定电流基准i_d ^*；根据所述电流基准i_d ^*确定变换系数K₁和变换系数K₂；根据所述变换系数K₁确定所述变流器的电压环的状态反馈系数K_sf；根据所述变换系数K₁确定所述电压环的PI控制器的比例系数K_p；根据所述比例系数K_p确定所述PI控制器的积分系数K_i；将所述状态反馈系数K_sf、比例系数K_p以及积分系数K_i更新至所述电压环中以控制所述电压环。

Description

计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及***

技术领域

本发明涉及变流器电压环的控制技术领域，具体地涉及一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及***。

背景技术

对于全象限运行的AC/DC并网变流器，其除了在AC交流侧与电网进行有功功率的能量交互和提供无功功率支撑外，往往还需要控制DC直流侧电压的稳定，以便维持直流母线的稳压。这就需要在控制***电流内环的基础上，增加电压外环，以实现直流电压的稳压控制，变流器直流端的功率为有功功率，因此施加的电压外环为有功电流内环的外环。

在电压环的控制过程中，状态反馈系数K_sf、比例系数K_p以及积分系数K_i是最常见的关键参数。对于传统的电压环控制方法，在参数设计时未考虑电路中功率损耗的影响，导致所设计的参数仅在电路功率损耗极小的情况下能够实现较为理想的稳压性能。而实际应用场景下，变流器的功率损耗不可忽略，传统设计方案设计出的参数会导致电压环实际的动稳态性能与理论设计目标不符。

此外，当变流器全象限运行时，有功电流不为0，而无功电流同样会导致电路的损耗，这就导致传统的控制方法下，变流器电压环的性能会随着运行象限的不同而发生变化，这会导致***稳定性和可靠性得降低。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及***，该电压环控制方法及***通过修正控制电压环时的状态反馈系数K_sf、比例系数K_p以及积分系数K_i，克服了现有技术中因为系数确定不准确而导致的稳定性和可靠性差的技术缺陷。

为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法，所述电压环控制方法包括：

获取变流器***的***参数，其中，所述***参数包括变流器的直流侧电压基准u_DC ^*、输入功率P_in、输出功率P_out、直流侧电流i_DC以及等效损耗电阻R_loss；

根据所述输出功率P_out确定电流基准i_d ^*；

根据所述电流基准i_d ^*确定变换系数K₁和变换系数K₂；

根据所述变换系数K₁确定所述变流器的电压环的状态反馈系数K_sf；

根据所述变换系数K₁确定所述电压环的PI控制器的比例系数K_p；

根据所述比例系数K_p确定所述PI控制器的积分系数K_i；

将所述状态反馈系数K_sf、比例系数K_p以及积分系数K_i更新至所述电压环中以控制所述电压环。

可选地，所述获取变流器***的***参数具体包括：

通过所述变流器***读取所述直流侧电压基准u_DC ^*；

通过功率分析仪获取所述输入功率P_in和输出功率P_out；

通过预设于所述变流器***的直流侧的电流传感器获取所述直流侧电流i_DC；

根据公式(1)计算所述等效损耗电阻R_loss，

其中，i_d和i_q为经过坐标变换的所述变流器的三相交流电流。

可选地，根据所述输出功率P_out确定电流基准i_d ^*具体包括：

根据公式(2)确定所述电流基准i_d ^*，

其中，e_d为所述变流器所在的电网电压的有功分量。

可选地，根据所述电流基准i_d ^*确定变换系数K₁和变换系数K₂具体包括：

根据公式(3)确定所述变换系数K₁和变换系数K₂，

可选地，根据所述变换系数K₁确定所述变流器的电压环的状态反馈系数K_sf具体包括：

根据公式(4)确定所述状态反馈系数K_sf，

其中，C为所述变流器的直流侧电容。

可选地，根据所述变换系数K₁确定所述电压环的PI控制器的比例系数K_p具体包括：

根据公式(5)确定所述比例系数K_p，

可选地，根据所述比例系数K_p确定所述PI控制器的积分系数K_i具体包括：

根据公式(6)和公式(7)计算所述积分系数K_i，

其中，ξ_VL为所述变流器的二阶***的阻尼系数，ω_n为所述二阶***的自然频率。

另一方面，本发明还提供一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制***，所述***包括处理器，所述处理器被配置为执行如上述任一所述的电压环控制方法。

再一方面，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行如上述任一所述的电压环控制方法。

通过上述技术方案，本发明提供的计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及***通过在确定电压环的关键控制参数时引入电路中功率损耗的影响因素，克服了现有技术中因为系数确定不准确而导致的稳定性和可靠性差的技术缺陷，提高了变流器***的稳定性及可靠性。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法的流程图；

图2是根据本发明的一个实施方式的电压环的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。

在本发明实施方式中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

另外，若本发明实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示是根据本发明的一个实施方式的计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法的流程图。在图1中，该电压环控制方法可以包括：

在步骤S10中，获取变流器***的***参数。其中，该***参数可以包括变流器的直流侧电压基准u_DC ^*、输入功率P_in、输出功率P_out、直流侧电流i_DC以及等效损耗电阻R_loss。具体地，以如图2中所示出的电压环结构为例。在该步骤S10中，可以直接通过变流器***读取直流侧电压基准u_DC ^*。对于输入功率P_in和输出功率P_out，可以通过功率分析仪来获得。对于直流侧电流i_DC，可以通过预设于变流器***的直流侧的电流传感器来获取。对于等效损耗电阻R_loss，则可以根据公式(1)来计算，

其中，i_d和i_q为经过坐标变换的变流器的三相交流电流。

在步骤S11中，根据输出功率P_out确定电流基准i_d ^*。具体地，可以是根据公式(2)确定该电流基准i_d ^*，

其中，e_d为变流器所在的电网电压的有功分量。在较多的应用场景下，该有功分量可以为311V。

在步骤S12中，根据电流基准i_d ^*确定变换系数K₁和变换系数K₂。具体地，可以是根据公式(3)确定变换系数K₁和变换系数K₂，

在步骤S13中，根据变换系数K₁确定变流器的电压环的状态反馈系数K_sf。在如图2所示出的电压环中，常规状态下，电压环的传递函数可以为公式(4-a)，

其中，s为拉普拉斯算子。

在没有状态反馈的情况下，即当状态反馈系数K_sf＝0时，电压环的传递函数可以为公式(4-b)，

从该公式(4-b)中可以看出，在没有状态反馈的情况下，该电压环是带有一个零点的二阶***。那么，在该实施方式中，为了消除该零点以提高该电压环的动态性能，可以引入该状态反馈系数K_sf。

在引入状态反馈系数K_sf的情况下，该电压环应当满足公式(4-c)所对应关系，

其中，

为时间常数。通过对该公式(4-c)进行整理，将该电压环简化为一个一阶***，从而得到公式(4-d)，

其中，C为变流器的直流侧电容。因此，该步骤S13也可以表示为根据该公式(4-d)来确定该状态反馈系数K_sf。

在步骤S14中，根据变换系数K₁确定电压环的PI控制器的比例系数K_p。具体地，可以是根据公式(5)确定比例系数K_p，

在步骤S15中，根据比例系数K_p确定PI控制器的积分系数K_i。在该实施方式中，由于公式(4-d)仅给出了状态反馈系数K_sf、比例系数K_p和积分系数K_i的对应关系，并不能计算出三者的具体数值。因此就需要结合公式(4-b)的计算。在计算的过程中，可以引入该电压环的二阶***的阻尼系数ξ_VL和自然频率ω_n。具体地，可以是公式(6)和公式(7)所示，

其中，对于该阻尼系数ξ_VL，可以是针对实际的变流器***的条件来确定，在较多应用场景下，该阻尼系数ξ_VL可以为0.707。

在步骤S16中，将状态反馈系数K_sf、比例系数K_p以及积分系数K_i更新至电压环中以控制电压环。

另一方面，本发明还提供一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制***，该***可以包括处理器，该处理器被配置为执行如上述任一所述的电压环控制方法。

再一方面，本发明还提供一种存储介质，该存储介质可以存储有指令，该指令可以用于被机器读取以使得该机器执行如上述任一所述的电压环控制方法。

通过上述技术方案，本发明提供的计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法及***通过在确定电压环的关键控制参数时引入电路中功率损耗的影响因素，克服了现有技术中因为系数确定不准确而导致的稳定性和可靠性差的技术缺陷，提高了变流器***的稳定性及可靠性。

以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个可以是单片机，芯片等或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (4)

1.一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制方法，其特征在于，所述电压环控制方法包括：

获取变流器***的***参数，其中，所述***参数包括变流器的直流侧电压基准u_DC ^*、输入功率P_in、输出功率P_out、直流侧电流i_DC以及等效损耗电阻R_loss；

根据所述输出功率P_out确定电流基准i_d ^*；

根据所述电流基准i_d ^*确定变换系数K₁和变换系数K₂；

根据所述变换系数K₁确定所述变流器的电压环的状态反馈系数K_sf；

根据所述变换系数K₁确定所述电压环的PI控制器的比例系数K_p；

根据所述比例系数K_p确定所述PI控制器的积分系数K_i；

将所述状态反馈系数K_sf、比例系数K_p以及积分系数K_i更新至所述电压环中以控制所述电压环；

根据所述输出功率P_out确定电流基准i_d ^*具体包括：

根据公式(2)确定所述电流基准i_d ^*，

其中，e_d为所述变流器所在的电网电压的有功分量；

根据所述电流基准i_d ^*确定变换系数K₁和变换系数K₂具体包括：

根据公式(3)确定所述变换系数K₁和变换系数K₂，

根据所述变换系数K₁确定所述变流器的电压环的状态反馈系数K_sf具体包括：

根据公式(4)确定所述状态反馈系数K_sf，

其中，C为所述变流器的直流侧电容，

为时间常数；

根据所述变换系数K₁确定所述电压环的PI控制器的比例系数K_p具体包括：

根据公式(5)确定所述比例系数K_p，

根据所述比例系数K_p确定所述PI控制器的积分系数K_i具体包括：

根据公式(6)和公式(7)计算所述积分系数K_i，

其中，ξ_VL为所述变流器的二阶***的阻尼系数，ω_n为所述二阶***的自然频率。

2.根据权利要求1所述的电压环控制方法，其特征在于，所述获取变流器***的***参数具体包括：

通过所述变流器***读取所述直流侧电压基准u_DC ^*；

通过功率分析仪获取所述输入功率P_in和输出功率P_out；

通过预设于所述变流器***的直流侧的电流传感器获取所述直流侧电流i_DC；

根据公式(1)计算所述等效损耗电阻R_loss，

其中，i_d和i_q为经过坐标变换的所述变流器的三相交流电流。

3.一种计及功率损耗的全象限变流器的电压环控制***，其特征在于，所述***包括处理器，所述处理器被配置为执行如权利要求1或2所述的电压环控制方法。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有指令，所述指令用于被机器读取以使得所述机器执行如权利要求1或2所述的电压环控制方法。

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