CN114094853B - 一种pwm整流器直接电压控制方法及*** - Google Patents

一种pwm整流器直接电压控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PWM整流器直接电压控制方法及***，方法包括：对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制和第一2次PR控制的复合控制；将第一PI控制器和第一2次PR控制器的输出电流指令之和作为电流内环的D轴电流指令，将第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为电流内环的Q轴电流指令；对电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现PWM整流器跟踪直流电压外环控制器输出D轴电流指令和Q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。上述方案实现了电网电压不平衡条件下的PWM整流器输出直流母线电压不含二倍频波动分量。

Description

一种PWM整流器直接电压控制方法及***
技术领域
本发明涉及电力设备控制技术领域，特别涉及一种PWM整流器直接电压控制方法及***。
背景技术
当电网电压不平衡时，由于电网电压中含有负序分量，导致三相PWM 整流器中网侧有功功率产生二倍频波动，根据能量守恒原理，网侧有功功率二倍频波动会导致直流侧功率产生二倍频波动，直流侧功率二倍频波动会导致直流母线电压产生二倍频波动，对于对直流母线电压要求比较高的应用场景，是不允许直流电压有二倍频波动分量的，因此研究电网电压不平衡条件下的三相PWM整流器的直流母线电压控制具有重要意义。
文献【严广.电网不平衡情况下PWM整流器控制策略研究[D].中国矿业大学,2017】中提出了一种基于有功功率不波动的电网电压不平衡条件下的PWM整流器控制策略，控制框图如图1所示。上述技术方案为基于有功不波动的PWM整流器控制策略通过电流环正负序分离控制、基于有功不波动的电流给定算法，实现了交流侧有功功率不波动，从而间接实现直流母线电压不波动。但该方法，没有直接控制直流母线电压，由于检测环节误差以及PWM整流器的损耗无法实现完全抑制直流母线电压的二倍频波动，且控制环路需要正负序分离，基于有功不波动的电流给定算法，控制环路较为复杂。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种PWM整流器直接电压控制方法及***，通过直流电压外环控制器和电流内环控制器分别采用PI和2次PR的复合控制，确保PWM整流器可以跟踪直流电压外环控制器输出d轴和q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量，解决了现有技术无法完全避免直流母线二倍频波动的问题，且无需对电流进行正负序分离、无需通过复杂的计算获取电流指令，控制结构简单，易于工程化应用。
为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种PWM整流器直接电压控制方法，包括如下步骤：
对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制和第一2次PR 控制的复合控制；
将所述直流电压外环控制器的所述第一PI控制器和所述第一2次PR 控制器的输出电流指令之和作为电流内环的D轴电流指令，将所述直流电压外环控制器的所述第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为所述电流内环的Q轴电流指令；
对所述电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现所述PWM整流器跟踪所述直流电压外环控制器输出D轴电流指令和 Q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
进一步地，所述对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制器和第一2次PR控制器的复合控制，包括：
将所述第一PI控制器的给定值设为直流电压参考值，其反馈值设为实际直流电压值；
将所述第一2次PR控制器给定值设为0，其反馈值设为实际直流电压值。
进一步地，所述将所述直流电压外环控制器的所述第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为所述电流内环的Q轴电流指令，包括：
将所述q轴电流指令的直流分量给定值设为0，并将其交流分量给定值设为所述全通滤波器的输出值。
进一步地，所述对所述电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，包括：
将所述电流内环D轴的所述第二PI控制器的给定值设为所述直流电压外环输出的直流分量部分，将其Q轴的所述2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的二倍频波动分量；
将所述电流内环q轴的所述第二PI控制器给定值设为0，将其q轴所述第二2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的所述二倍频波动分量经过所述全通滤波器的输出分量。
进一步地，所述全通滤波器的所述预设频率为100Hz。
相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种PWM整流器直接电压控制***，包括：
第一控制模块，其用于对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一 PI控制和第一2次PR控制的复合控制；
第二控制模块，其用于将所述直流电压外环控制器的所述第一PI控制器和所述第一2次PR控制器的输出电流指令之和作为电流内环的D轴电流指令，将所述直流电压外环控制器的所述第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为所述电流内环的Q轴电流指令；
第三控制模块，其用于对所述电流内环采用第二PI控制器和第二2 次PR控制器的复合控制，以实现所述PWM整流器跟踪所述直流电压外环控制器输出D轴电流指令和Q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
进一步地，所述第一控制模块包括：
第一控制单元，其用于将所述第一PI控制器的给定值设为直流电压参考值，其反馈值设为实际直流电压值；
第二控制单元，其用于将所述第一2次PR控制器给定值设为0，其反馈值设为实际直流电压值。
进一步地，所述第二控制模块包括：
第三控制单元，其用于将所述q轴电流指令的直流分量给定值设为0，并将其交流分量给定值设为所述全通滤波器的输出值。
进一步地，第三控制模块包括：
第四控制单元，其用于将所述电流内环D轴的所述第二PI控制器的给定值设为所述直流电压外环输出的直流分量部分，将其Q轴的所述2次 PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的二倍频波动分量；
第五控制单元，其用于将所述电流内环q轴的所述第二PI控制器给定值设为0，将其q轴所述第二2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的所述二倍频波动分量经过所述全通滤波器的输出分量。
进一步地，所述全通滤波器的所述预设频率为100Hz。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过直流电压外环控制器和电流内环控制器分别采用PI和2次PR的复合控制，确保PWM整流器可以跟踪直流电压外环控制器输出d轴和q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量，解决了现有技术无法完全避免直流母线二倍频波动的问题，且无需对电流进行正负序分离、无需通过复杂的计算获取电流指令，控制结构简单，易于工程化应用。
附图说明
图1是现有技术中基于有功不波动的PWM整流器控制方法原理图；
图2是本发明实施例提供的PWM整流器直接电压控制方法流程图；
图3是本发明实施例提供的PWM整流器直接电压控制原理示意图；
图4是本发明实施例提供的PWM整流器原理示意图；
图5a是现有技术中传统双闭环控制全局波形图；
图5b是现有技术中传统双闭环控制局部波形图；
图6a是本发明实施例提供的直接功率控制全局波形图；
图6b是本发明实施例提供的直接功率控制局部波形图；
图7a是本发明实施例提供的直接电压控制全局波形图；
图7b是本发明实施例提供的直接电压控制局部波形图；
图8是本发明实施例提供的PWM整流器直接电压控制***模块框图；
图9是本发明实施例提供的第一控制模块框图；
图10是本发明实施例提供的第二控制模块框图；
图11是本发明实施例提供的第三控制模块框图。
附图标记：
1、第一控制模块，11、第一控制单元，12、第二控制单元，2、第二控制模块，21、第三控制单元，3、第三控制模块，31、第四控制单元，32、第五控制单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图1、图2和图3，本发明实施例的第一方面提供了一种PWM 整流器直接电压控制方法，包括如下步骤：
步骤S100，对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制和第一2次PR控制的复合控制。
步骤S200，将直流电压外环控制器的第一PI控制器和第一2次PR 控制器的输出电流指令之和作为电流内环的D轴电流指令，将直流电压外环控制器的第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为电流内环的Q轴电流指令。
步骤S300，对电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现PWM整流器跟踪直流电压外环控制器输出D轴电流指令和 Q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
具体的，步骤S100中，对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制器和第一2次PR控制器的复合控制，包括：
步骤S110，将第一PI控制器的给定值设为直流电压参考值，其反馈值设为实际直流电压值。
步骤S120，将第一2次PR控制器给定值设为0，其反馈值设为实际直流电压值。
在步骤S100中，电网电压不平衡时PWM整流器直流电压中含有二倍频交流分量，直流电压外环控制器采用第一PI控制器和第一2次PR控制器的复合控制，消除PWM整流器直流母线电压中的二倍频交流分量；其中第一PI控制器给定为直流电压参考，反馈为实际直流电压，确保直流电压中直流分量能够跟上直流电压给定；第一2次PR控制器给定为0，反馈为实际直流电压，确保直流电压中的交流分量可以被控制0，从而消除直流电压中的交流分量。
具体的，步骤S200中，将直流电压外环控制器的第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为电流内环的Q轴电流指令，包括：
将q轴电流指令的直流分量给定值设为0，并将其交流分量给定值设为全通滤波器的输出值。
在步骤S200中，电网电压不平衡时PWM整流器交流电流波形畸变，将直流电压外环第一PI控制器和第一2次PR控制器输出电流指令之和作为电流内环d轴电流指令，通过电流内环跟踪电压外环输出电流指令中的直流分量和二倍频交流分量；直流电压外环第一2次PR控制器输出电流指令经过100Hz全通滤波器实现90度相移后作为q轴电流指令，考虑PWM整流器单位功率因数运行，因此q轴电流指令直流分量给定值为0，交流分量给定值为100Hz全通滤波器输出。
具体的，步骤S300中，对电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR 控制器的复合控制，包括：
步骤S310将电流内环D轴的第二PI控制器的给定值设为直流电压外环输出的直流分量部分，将其Q轴的2次PR控制器给定值设为直流电压外环输出的二倍频波动分量.
步骤S320将电流内环q轴的第二PI控制器给定值设为0，将其q轴第二2次PR控制器给定值设为直流电压外环输出的二倍频波动分量经过全通滤波器的输出分量。
在步骤S300中，电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，其中，d轴第二PI控制器给定为直流电压外环输出的直流分量部分，实现d轴电流中直流分量的跟踪，d轴第二2次PR控制器给定为直流电压外环输出二倍频波动分量，反馈电感电流d轴分量，实现d轴电流中交流分量的跟踪；q轴第二PI控制器给定为0，实现q轴电流中直流分量的跟踪，q轴第二2次PR控制器给定为直流电压外环输出二倍频波动分量经过100Hz全通滤波器输出分量，反馈电感电流q轴分量，实现q轴电流中交流分量的跟踪；从而确保PWM整流器可以跟踪直流电压外环控制器输出dq轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
具体的，如图3所示，uabc为电网电压，udp为输出电压正序d轴分量， uqp为输出电压正序q轴分量；iLabc为电感电流，id为电感电流d轴分量， iq为电感电流q轴分量；Udc_ref为直流母线电压给定，U为直流母线电压； id_ref_PI为电压外环PI控制器输出电流指令，id_ref_PR为直流电压外环PR控制器输出电流指令，iq_ref_dc为q轴电流给定直流分量，iq_ref_PR为q轴电流给定交流分量；L为PWM整流器电感。
具体的，请参照图4，PWM整流器拓扑可采用LCL滤波器的T型三电平逆变器。
进一步地，全通滤波器的预设频率为100Hz。
请参照图5a、图5b、图6a、图6b、图7a和图7b，图5a和图5b为传统双闭环控制仿真结果，图6a和图6b为直接功率控制仿真结果，图7a 和图7b为直接电压控制仿真结果，根据上述波形可见：直接功率控制的直流电压二倍频波动抑制效果要好于传统双闭环，直接电压控制的直流电压二倍频波动抑制效果要好于直接功率控制，验证了本发明方法的优越性。
上述控制方法包括如下原理：直流电压外环控制器采用PI和2次PR 复合控制，确保PWM整流器直流母线电压不含二倍频波动分量；直流电压外环PI控制器和2次PR控制器输出电流指令之和作为电流内环d轴电流指令，直流电压外环2次PR控制器输出电流指令经过100Hz全通滤波器实现90度相移后作为q轴电流指令；电流内环采用PI和2次PR复合控制，确保PWM整流器可以跟踪直流电压外环控制器输出d轴和q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。综上，可实现电网电压不平衡条件下的PWM整流器输出直流母线电压不含二倍频波动分量。实现了对PWM整流器的直流母线电压进行直接控制，相比于传统基于有功不波动的直流母线电压控制方法，具有控制结构简单、易于工程化实现的优点，且直流母线电压理论上完全不含波动分量。
相应地，请参照图8，本发明实施例的第二方面提供了一种PWM整流器直接电压控制***，包括：第一控制模块1、第二控制模块2和第三控制模块3。第一控制模块1用于对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制和第一2次PR控制的复合控制；第二控制模块2用于将直流电压外环控制器的第一PI控制器和第一2次PR控制器的输出电流指令之和作为电流内环的D轴电流指令，将直流电压外环控制器的第一2次PR 控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为电流内环的Q轴电流指令；第三控制模块3用于对电流内环采用第二PI 控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现PWM整流器跟踪直流电压外环控制器输出D轴电流指令和Q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
进一步地，请参照图9，第一控制模块1包括：第一控制单元11和第二控制单元12。第一控制单元11用于将第一PI控制器的给定值设为直流电压参考值，其反馈值设为实际直流电压值；第二控制单元12用于将第一2次PR控制器给定值设为0，其反馈值设为实际直流电压值。
进一步地，请参照图10，第二控制模块2包括：第三控制单元21。第三控制单元21用于将q轴电流指令的直流分量给定值设为0，并将其交流分量给定值设为全通滤波器的输出值。
进一步地，请参照图11，第三控制模块3包括：第四控制单元31和第五控制单元32。第四控制单元31用于将电流内环D轴的第二PI控制器的给定值设为直流电压外环输出的直流分量部分，将其Q轴的2次PR控制器给定值设为直流电压外环输出的二倍频波动分量；第五控制单元32 用于将电流内环q轴的第二PI控制器给定值设为0，将其q轴第二2次 PR控制器给定值设为直流电压外环输出的二倍频波动分量经过全通滤波器的输出分量。
进一步地，全通滤波器的预设频率为100Hz。
本发明实施例旨在保护一种PWM整流器直接电压控制方法及***，其中方法包括如下步骤：对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI 控制和第一2次PR控制的复合控制；将直流电压外环控制器的第一PI控制器和第一2次PR控制器的输出电流指令之和作为电流内环的D轴电流指令，将直流电压外环控制器的第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为电流内环的Q轴电流指令；对电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现PWM 整流器跟踪直流电压外环控制器输出D轴电流指令和Q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。上述技术方案具备如下效果：
通过直流电压外环控制器和电流内环控制器分别采用PI和2次PR的复合控制，确保PWM整流器可以跟踪直流电压外环控制器输出d轴和q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量，解决了现有技术无法完全避免直流母线二倍频波动的问题，且无需对电流进行正负序分离、无需通过复杂的计算获取电流指令，控制结构简单，易于工程化应用。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种PWM整流器直接电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制和第一2次PR控制的复合控制；
将所述直流电压外环控制器的第一PI控制器和第一2次PR控制器的输出电流指令之和作为电流内环的d轴电流指令，将所述直流电压外环控制器的所述第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为所述电流内环的q轴电流指令；
对所述电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现所述PWM整流器跟踪所述直流电压外环控制器输出d轴电流指令和q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
2.根据权利要求1所述的PWM整流器直接电压控制方法，其特征在于，所述对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制器和第一2次PR控制器的复合控制，包括：
将所述第一PI控制器的给定值设为直流电压参考值，其反馈值设为实际直流电压值；
将所述第一2次PR控制器给定值设为0，其反馈值设为实际直流电压值。
3.根据权利要求1所述的PWM整流器直接电压控制方法，其特征在于，所述将所述直流电压外环控制器的所述第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为所述电流内环的q轴电流指令，包括：
将所述q轴电流指令的直流分量给定值设为0，并将其交流分量给定值设为所述全通滤波器的输出值。
4.根据权利要求1所述的PWM整流器直接电压控制方法，其特征在于，所述对所述电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，包括：
将电流内环d轴的所述第二PI控制器的给定值设为所述直流电压外环输出的直流分量部分，将所述电流内环q轴的所述第二2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的二倍频波动分量；
将电流内环q轴的所述第二PI控制器给定值设为0，将所述电流内环q轴所述第二2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的所述二倍频波动分量经过所述全通滤波器的输出分量。
5.根据权利要求1所述的PWM整流器直接电压控制方法，其特征在于，
所述全通滤波器的所述预设频率为100Hz。
6.一种PWM整流器直接电压控制***，其特征在于，包括：
第一控制模块，其用于对PWM整流器的直流电压外环控制器采用第一PI控制和第一2次PR控制的复合控制；
第二控制模块，其用于将所述直流电压外环控制器的第一PI控制器和第一2次PR控制器的输出电流指令之和作为电流内环的d轴电流指令，将所述直流电压外环控制器的所述第一2次PR控制器的输出电流指令经预设频率的全通滤波器并进行90°相移后作为所述电流内环的q轴电流指令；
第三控制模块，其用于对所述电流内环采用第二PI控制器和第二2次PR控制器的复合控制，以实现所述PWM整流器跟踪所述直流电压外环控制器输出d轴电流指令和q轴电流指令中的直流分量和二倍频交流分量。
7.根据权利要求6所述的PWM整流器直接电压控制***，其特征在于，所述第一控制模块包括：
第一控制单元，其用于将所述第一PI控制器的给定值设为直流电压参考值，其反馈值设为实际直流电压值；
第二控制单元，其用于将所述第一2次PR控制器给定值设为0，其反馈值设为实际直流电压值。
8.根据权利要求6所述的PWM整流器直接电压控制***，其特征在于，所述第二控制模块包括：
第三控制单元，其用于将所述q轴电流指令的直流分量给定值设为0，并将其交流分量给定值设为所述全通滤波器的输出值。
9.根据权利要求6所述的PWM整流器直接电压控制***，其特征在于，第三控制模块包括：
第四控制单元，其用于将电流内环d轴的所述第二PI控制器的给定值设为所述直流电压外环输出的直流分量部分，将所述电流内环q轴的所述第二2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的二倍频波动分量；
第五控制单元，其用于将电流内环q轴的所述第二PI控制器给定值设为0，将所述电流内环q轴所述第二2次PR控制器给定值设为所述直流电压外环输出的所述二倍频波动分量经过所述全通滤波器的输出分量。
10.根据权利要求6所述的PWM整流器直接电压控制***，其特征在于，
所述全通滤波器的所述预设频率为100Hz。
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一种单相PWM整流器动态性能优化控制策略;王萍;闫瑞涛;;太阳能学报(第08期);108-113 *

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