CN116260345B

CN116260345B - 一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法

Info

Publication number: CN116260345B
Application number: CN202310285045.7A
Authority: CN
Inventors: 刘嘉椋; 黄鑫林; 雷家兴; 肖逸洋
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2043-03-22
Also published as: CN116260345A

Abstract

本发明公开一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，属于变换器控制技术领域，本发明根据三相电网电流正弦化时最值相电压和相电流应波形相似的原则，分六个扇区分别计算最值相的电流电压比值，并由控制器所计算的比值进行调节；而后由交交变换器拓扑中有源滤波器的电流流向关系计算校正电流，进而对有源滤波器电压中间值对应相的参考电流进行补偿校正；最后基于有源滤波器电压中间值对应相的实际注入电流，实现对有源滤波器所需注入电流的闭环控制。本发明能消除新型交交变换器拓扑电网侧所产生的电流低频谐波，提高变换器实际运行性能。

Description

一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法

技术领域

本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法。

背景技术

在当今社会，AC-AC变换器电机调速、风电并网等领域起着重要作用。例如，在海上风电并网领域，风电场中的风力发电机会因不断变换的风力发出频率变化的交流电，导致风力发电机无法直接与大电网相连，此时AC-AC变换器可将发电机输出的变频交流电转换为与电网同频的交流电，使发电机顺利并网，向电网输送电能；而在工业领域，AC-AC变换器又常作为各种交流电机的变频驱动器，保证交流电机的安全稳定运行。

目前主要有两类AC-AC变换器，分别是间接式AC-AC变换器和直接式AC-AC变换器。间接式AC-AC变换器主要指以双PWM变换器为代表的交-直-交变换器，该类AC-AC变换器具有成本低、控制性能优异等优点；但网侧电能质量较差、直流侧需要大容量储能电容、***体积与重量较大、***可靠性和效率均较低，在某些对功率密度、效率和可靠性要求严格的重要场合难以满足需求。直接式AC-AC变换器则主要指矩阵变换器，矩阵变换器可直接实现交-交变换，无需大容量的直流储能电容，电路结构紧凑、控制性能好、***功率密度和效率均较高；但传统矩阵变换器均需要双向开关，而目前双向开关均需分离功器件构成，使矩阵变换器存在实现难度大、成本高的缺陷。

基于各种交-直-交变换器拓扑和各种传统矩阵变换器拓扑，中国专利公开(公告)号：CN108777547B，公布了一种无直流母线储能元件的AC-AC变换器拓扑，属于全新的AC-AC变换器拓扑如图1所示，其内介绍的控制方法对电网电流进行开环控制，这种开环控制方法相对较为简单，但该方法在实际中会在电网侧产生电流低频谐波的问题，这会影响AC-AC变换器的运行性能，同时对电网产生谐波污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，包括以下步骤：

获取电网侧的三相电压信号和三相电流信号，并根据三相电压信号获得换向控制信号；

基于上述三相电压信号和三相电流信号，根据最值相波形相似原理，得到有源滤波器电压中间值对应相参考电流补偿值；

计算有源滤波器电压中间值对应相的参考电流，由上述有源滤波器电压中间值对应相参考电流补偿值对有源滤波器电压中间值对应相的参考电流进行修正，获得有源滤波器电压中间值所对应相修正参考电流；

基于上述三相电流信号和结合换向控制信号，获得有源滤波器电压中间值所对应相的实际电流；

根据有源滤波器电压中间值所对应相修正参考电流、和有源滤波器电压中间值所对应相的实际电流，由闭环控制获得有源滤波器电压中间值所对应相上桥臂占空比，进而得到电压中间值相的桥臂控制信号。

进一步的，所述换向控制信号S_r的获取方法为：

预先采集电网三相电压u_a、u_b和u_c，电网三相电流i_a、i_b和i_c；

根据u_a、u_b和u_c在一个2π周期内变换情况，将其分为6个扇区，分扇区获取有源滤波器的开关控制信号S_ri(I<＝i<＝VI)，将获取的6个扇区的开关控制信号S_ri合并，得到有源滤波器在一个周期内的换向控制信号S_r。

进一步的，所述有源滤波器电压中间值对应相参考电流补偿值Δi_rm ^*的获取方法为：

基于电网侧的三相电压信号u_g和三相电流信号i_g，获取u_g的最大值u_p和最小值u_n，同时获取i_g中对应的最大值i_p和和最小值i_n；

根据电网电流正弦化时最值相电压和最值相电流波形相似的原则，最值相的电流电压比值k_p和k_n应为常数，通过公式分别计算最大值相的电流电压比值k_p和最小值相的电流电压比值k_n；

对获得的k_p和k_n进行调节，得到修正信号i_rp ^*和i_rn ^*；

根据有源滤波器中最大值相电流流出、最小值相电流流入的电流流向关系，得到有源滤波器电压中间值对应相参考电流的补偿值Δi_rm ^*。

进一步的，所述最大值相的电流电压比值k_p和最小值相的电流电压比值k_n的计算公式为：

通过控制器G₁(s)和控制器G₂(s)分别对S2.2获得的k_p和k_n进行调节，修正信号的计算公式为：

有源滤波器电压中间值对应相参考电流的补偿值Δi_rm ^*的计算公式为：

Δi_rm ^*＝i_rp ^*-i_rn ^*。

进一步的，所述修正的参考电流i_rm ^**获取方法为：

基于三相电网电压u_g，计算u_g在两相αβ旋转坐标系下的电压分量u_α和u_β；

根据变换器期望传输的有功功率P^*和输入交流电网期望的无功功率Q^*，计算输入侧三相交流电网电流在两相αβ旋转坐标系下的参考电流分量i_α ^*和i_β ^*；

根据参考电流分量i_α ^*和i_β ^*，计算输入侧三相交流电网电流在三相abc静止坐标系下的参考分量i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*；

根据上述i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*，结合换向控制信号S_r，从i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*中选择出电压中间值所对应相的相电流，该电流即为有源滤波器电压中间值对应相的参考电流i_rm ^*；

根据i_rm ^*和参考电流补偿值Δi_rm ^*，获得有源滤波器电压中间值对应相的修正参考电流i_rm ^**。

进一步的，所述电压分量u_α和u_β的计算公式为：

其中，u_a、u_b和u_c分别为电网电压u_g的a相电压、b相电压和c相电压；

所述参考电流分量i_α ^*和i_β ^*的计算公式为：

所述参考分量i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*的计算公式为：

修正参考电流i_rm ^**计算公式为：

i_rm ^**＝i_rm ^*+Δi_rm ^*。

进一步的，所述有源滤波器电压中间值对应相实际电流i_rm的获取方法为：

根据换向控制信号S_r，判断出有源滤波器中电压中间值所对应的相，由于电压中间值对应相输入侧电流只能通过有源滤波器中间相流通，故电网实时三相电流i_g中选择出与电压中间值所对应的电流，该电流即为有源滤波器电压中间值对应相的实际谐波电流i_rm。

进一步的，所述电流闭环控制实现有源滤波器电压中间值对应相桥臂控制的方法为：

根据修正参考值i_rm ^**和实际值i_rm，计算二者的差值，所得结果记为e_irm；对e_irm进行调节，得到有源滤波器中间相上桥臂的占空比d；

对所得占空比d进行载波调制，得到有源滤波器电压中间值对应相上桥臂的控制信号，上桥臂控制信号的互补信号则作为对应下桥臂的控制信号，进而控制有源滤波器中电压中间值对应相上下桥臂，同时结合实现换向控制信号S_r控制有源滤波器中电压最值对应相上下桥臂，实现有源滤波器的电流闭环控制。

进一步的，所述e_irm由电流闭环控制器G(s)进行调节，有源滤波器中间相上桥臂的占空比d计算公式为：d＝G(s)*e_irm。

本发明的有益效果：

本发明通过修正电网电流的开环控制方法，消除前期控制方法在电网侧产生电流低频谐波，提高AC-AC变换器实际运行性能，减小对电网的污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明交交变换器的基本拓扑结构；

图2是本发明电流闭环控制方法的控制框图；

图3是本发明电流闭环控制方法中最值波形相似控制的控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，

本具体实施方式公开了一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，针对该控制方法中的各个步骤，并结合附图和附表，对该控制方法进行具体说明

一种无直流母线储能元件的AC-AC变换器拓扑中交交变换器的基本结构如图1所示，由三个三相全桥电路共直流母线组成，三个全桥电路分别作该拓扑的同步整流器、有源滤波器及逆变器，有源滤波器交流侧经三个电感与同步整流器的对应相连接，并通过输入滤波器与前级交流电网相连，逆变器三相交流输出侧经输出滤波器输出所需频率的交流电；本发明所提基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法主要针对有源滤波器，同步整流器和逆变器的控制方法与一种无直流母线储能元件的AC-AC变换器拓扑中采用的控制方法相同，该闭环控制方法具体包括如下步骤

如图2所示，预先采集电网三相电压和三相电流，此处可设获得的电网三相电压u_gi(i＝a,b,c)和三相电流i_gi(i＝a,b,c)分别为：

式(1)和式(2)中，和/>分别为电网三相电压和三相电流的初始相位角，此处/>和/>均取-π/3；ω为角频率，其值可由公式ω＝2πf进行计算，f为50Hz电网频率；U和I为电网三相电压和三相电流的幅值，此处U为常数X，I为常数Y。

根据获得的u_a、u_b和u_c，根据角度将一个2π周期分为6个扇区，每个扇区均占π/3的宽度，第I扇区至第VI扇区的范围分别为：[0，π/3)、[π/3，2π/3)、[2π/3，π)、[π，4π/3)、[4π/3，5π/3)、[5π/3，0)。当处于第I扇区时，有u_b<u_c<u_a，对于图1所示交交变换器拓扑有源滤波器中电压最值对应的相，最大电压所对应相的上桥臂和最小电压所对应相的下桥臂均持续开通，即持续开通a相上桥臂和b相下桥臂，同时根据同相上下桥臂不能同时导通的原则，持续关断a相下桥臂和开通b相上桥臂；对于图1所示交交变换器拓扑有源滤波器中电压中间值对应的相，对该相上下桥臂进行PWM调制，即对c相上下桥臂进行PWM高频调制，此时即获得有源滤波器在第I扇区的开关信号。当处于其余5个扇区时，重复第I扇区所做步骤，获取相应扇区的开关信号，最终将6个扇区有源滤波器的开关信号合并，得到如表1所示的换向控制信号S_r。

表1-交交变换器中有源滤波器部分的换向控制信号S_r

如图3所示，基于得到的电网电压u_gi(i＝a,b,c)和电网电流i_gi(i＝a,b,c)，实时获取u_g的最大值u_p和最小值u_n，以及i_g中对应的最大值i_p和最小值i_n。以第I扇区为例，此时电网电压最大值u_p和最小值u_n分别为u_a和u_b，电网电流最大值i_p和最小值i_n分别为i_a和i_b，其它扇区的最值相电压电流获取方法与第I扇区类似。当电网电流为理想正弦化电流时，三相电网最值相的相电压波形和相电流波形应幅值不同而波形相似，即同一时刻最大值相的电流电压之比k_p和最小值相的电流电压之比k_n应均为常数，故根据获得的电压最值u_p和u_n、电流最值i_p和i_n，同样第I扇区为例，由式(3)计算三相电网最大值相的电流电压比值k_p和最小值相的电流电压比值k_n：

采用PI控制器G₁(s)和PI控制器G₂(s)分别对式(3)计算所得的k_p和k_n进行调节，k_p的调节结果为作为修正信号i_rp ^*，而k_n的调节结果则作为为修正信号i_rn ^*，当位于第I扇区时，修正信号i_rp ^*和修正信号i_rn ^*可由式(4)计算：

式(4)中，K_P1和K_P2分别PI控制器G₁(s)和G₂(s)的比例系数，K_I1和K_I2则分别PI控制器G₁(s)和G₂(s)的积分系数，s为拉普拉斯算子，此处可设K_P1＝K_P2＝X₁、K_I1＝K_I2＝Y₁，X₁和Y₁均为常数。

根据图1所示交交变换器拓扑中有源滤波器最大值相流出电流、最小值相流入电流的电流流向关系，修正信号i_rp ^*和修正信号i_rn ^*之差即为有源滤波器电压中间值对应相参考电流的补偿值Δi_rm ^*，即可由式(5)计算Δi_rm ^*：

Δi_rm ^*＝i_rp ^*-i_rn ^* (5)

基于采集所得三相电网电压u_g，由式(6)计算u_g在两相αβ旋转坐标系下的电压分量u_α和u_β；根据变换器期望传输的有功功率P^*和输入交流电网期望的无功功率Q^*，先由式(7)计算输入侧三相交流电网电流在两相αβ旋转坐标系下的参考电流分量i_α ^*和i_β ^*，后由式(8)计算输入侧三相交流电网电流在三相abc静止坐标系下的参考分量i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*；

式(6)中，u_a、u_b和u_c分别为采集所得电网电压u_g的a相电压、b相电压和c相电压；式(7)中，有功功率P^*和无功功率Q^*分别为常数M和常数N。

根据计算所得的i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*，结合换向控制信号S_r，从i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*中选择出电压中间值所对应相的相电流，该电流即为有源滤波器电压中间值对应相的参考电流i_rm ^*，当位于第I扇区时有i_rm ^*＝i_c ^*；而后在参考电流i_rm ^*中叠加式(5)计算所得的参考电流补偿值Δi_rm ^*，获得有源滤波器电压中间值所对应相修正后的参考电流i_rm ^**，即有：

i_rm ^**＝i_rm ^*+Δi_rm ^* (9)

根据所得换向控制信号S_r，判断任意时刻有源滤波器电压中间值所对应的相，由于电压中间值对应相输入侧的电流只能通过有源滤波器中间相流通，忽略谐波注入电感上的压降，电网实时三相电流i_g中与电压中间值所对应的电流即为有源滤波器电压中间值对应相的实际电流i_rm。当位于第I扇区时，电压中间值对应的相为c相，故此时有源滤波器电压中间值对应相实际电流i_rm为输入侧c相电流i_c。

计算有源滤波器电压中间值对应相电流修正参考值i_rm ^**和实际值i_rm的差值e_irm，即e_irm＝i_rm ^**-i_rm，通过电流PI控制器G(s)对e_irm进行调节，控制器G(s)的输出结果为有源滤波器中间相上桥臂的占空比d，即有式(10)：

式(10)中，K_P和K_I分别电流PI控制器G(s)的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，此处设K_P和K_I分别为常数X₂和常数Y₂。

采用载波调制对式(10)计算所得的占空比d进行PWM调制，得到有源滤波器电压中间值所对应相上桥臂的控制信号，上桥臂控制信号的互补信号作为对应下桥臂的控制信号，进而由控制信号控制有源滤波器电压中间值所对应相上下桥臂的导通与否，同时结合实现换向控制信号S_r控制有源滤波器电压最值所对应相上下桥臂的导通与否，最终实现对图1所示交交变换器有源滤波器部分的电流闭环控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据有源滤波器电压中间值所对应相修正参考电流、和有源滤波器电压中间值所对应相的实际电流，由闭环控制获得有源滤波器电压中间值所对应相上桥臂占空比，进而得到电压中间值相的桥臂控制信号；

所述换向控制信号S_r的获取方法为：

根据u_a、u_b和u_c在一个2π周期内变换情况，将其分为6个扇区，分扇区获取有源滤波器的开关控制信号S_ri(I<＝i<＝VI)，将获取的6个扇区的开关控制信号S_ri合并，得到有源滤波器在一个周期内的换向控制信号S_r；

所述有源滤波器电压中间值对应相参考电流补偿值Δi_rm ^*的获取方法为：

基于电网侧的三相电压信号u_g和三相电流信号i_g，获取三相电压信号u_g的最大值u_p和最小值u_n，同时获取三相电流信号i_g中对应的最大值i_p和和最小值i_n；

对获得的k_p和k_n进行调节，得到修正信号i_rp ^*和i_rn ^*；

根据有源滤波器中最大值相电流流出、最小值相电流流入的电流流向关系，得到有源滤波器电压中间值对应相参考电流的补偿值Δi_rm ^*；

所述最大值相的电流电压比值k_p和最小值相的电流电压比值k_n的计算公式为：

Δi_rm ^*＝i_rp ^*-i_rn ^*；

所述有源滤波器电压中间值所对应相修正参考电流i_rm ^**获取方法为：

根据i_rm ^*和参考电流补偿值Δi_rm ^*，获得有源滤波器电压中间值对应相的修正参考电流i_rm ^**；

所述电压分量u_α和u_β的计算公式为：

所述参考电流分量i_α ^*和i_β ^*的计算公式为：

所述参考分量i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*的计算公式为：

修正参考电流i_rm ^**计算公式为：

i_rm ^**＝i_rm ^*+Δi_rm ^*；

所述有源滤波器电压中间值对应相实际电流i_rm的获取方法为：

2.根据权利要求1所述的一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，其特征在于，所述电流闭环控制实现有源滤波器电压中间值对应相桥臂控制的方法为：

3.根据权利要求2所述的一种基于最值相波形相似的交交变换器电流闭环控制方法，其特征在于，所述e_irm由电流闭环控制器G(s)进行调节，有源滤波器中间相上桥臂的占空比d计算公式为：

d＝G(s)*e_irm。