一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法

摘要

本发明公开了一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，包括以下步骤：获取三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率和瞬时无功功率；将瞬时有功功率和瞬时无功功率作为扩张状态观测器的输入，基于系统扰动量的实时观测值、有功功率指令值以及无功功率指令值，根据有功功率控制率和无功功率控制率分别得到有功功率控制量和无功功率控制量；根据有功功率控制量、无功功率控制量以及电网电压采样值，计算整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值；根据整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值，经PWM调制模块获取整流器开关信号。该方法在静止坐标系下实现整流器的直接功率控制，无需锁相环，不需对电网电压相位信息进行实时检测。

权利要求

1.一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：获取三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率和瞬时无功功率；

将所述瞬时有功功率和瞬时无功功率作为扩张状态观测器的输入，基于系统扰动量的实时观测值、有功功率指令值、无功功率指令值、有功功率控制率和无功功率控制率分别得到有功功率控制量和无功功率控制量；

根据有功功率控制量、无功功率控制量以及电网电压采样值，计算整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值；

根据整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值，经PWM调制模块获取整流器开关信号。

2.根据权利要求1所述的一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，其特征在于，所述获取三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率和瞬时无功功率的步骤具体为：通过交流电压与交流电流采样电路得到电网三相电压值以及整流器输入三相电流值，三相电压值及三相电流值分别经坐标变换后得到电网相电压α-β轴分量以及整流器输入电流α-β轴分量，进而获取所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率。

3.根据权利要求1所述的一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，其特征在于，所述有功功率控制量和无功功率控制量分别为：有功功率控制量uP：

式中，ωcP为有功功率自抗扰控制器的控制带宽，Pg_ref为有功功率指令值，Pg为瞬时有功功率，z2P为扰动量wP的估计值；

无功功率控制量uQ：

式中，ωcQ为无功功率自抗扰控制器的控制带宽，Qg_ref为无功功率指令值，Qg为瞬时无功功率，z2Q为扰动量wQ的估计值；

上述的b0取为1.5/Lg，Lg为交流侧电抗。

说明书

一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及三相电压型PWM整流器领域，尤其涉及一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，本方法适合在三相交流-直流功率变换器中使用。

背景技术

[0002] 随着现代电力电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展，以PWM技术为基础的功率变换装置受到广泛关注。与通常的二极管不控整流器相比，三相电压型PWM整流器具有电流谐波畸变率低、功率可双向流动、可获得单位功率因数等特点，消除了传统整流电路中存在谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等问题，可以用来实现无功功率补偿、抑制电网谐波、削弱负载对电网的冲击等，被用于抑制电网污染，提高电能利用率。此外，三相电压型PWM整流器也广泛应用于风力发电、光伏发电等可再生能源发电领域，能够以单位功率因数运行，消除谐波，并且可以提高风能等可再生能源的利用率。可见，三相电压型PWM整流器具有优越的性能，有着广泛的工程应用前景和重要的理论研究价值。

[0003] 为了使三相电压型PWM整流器在工作时输入电流为正弦波且与电压同相或反相，其控制技术也在不断地发展，目前已涌现出多种控制方法。其中，以基于电网电压定向的矢量控制应用最为广泛。基于电网电压定向的矢量控制是一种基于同步旋转坐标变换的控制方式，该方法将三相静止坐标系下的电压和电流转化为两相旋转坐标系下的对应值。在此基础上，基于PI控制器及前馈补偿，实现对整流器的解耦控制与稳态无静差调节。

[0004] 基于电网电压定向的矢量控制策略需要设计锁相环，对电网电压相位信息进行实时检测，检测误差会对整流器的动静态运行特性带来不利影响。此外，采用矢量控制策略时，需要对电流轴间耦合项进行前馈补偿。系统参数漂移及建模不准确等因素将影响前馈补偿质量及解耦控制效果，降低系统运行稳定性。此外，繁琐的旋转坐标变换增大了整流器控制系统的运算量，在一定程度上制约了整流器控制性能的进一步提升。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，本发明实现了整流器的直接功率控制，无需锁相环，避免了相位检测误差对整流器动静态运行特性的不利影响，详见下文描述：

[0006] 一种三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] 获取三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率和瞬时无功功率；

[0008] 将所述瞬时有功功率和瞬时无功功率作为扩张状态观测器的输入，基于系统扰动量的实时观测值、有功功率指令值以及无功功率指令值，根据有功功率控制率和无功功率控制率分别得到有功功率控制量和无功功率控制量；

[0009] 根据有功功率控制量、无功功率控制量以及电网电压采样值，计算整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值；

[0010] 根据整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值，经PWM调制模块获取整流器开关信号。

[0011] 所述获取三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率和瞬时无功功率的步骤具体为：

[0012] 通过交流电压与交流电流采样电路得到电网三相电压值以及整流器输入三相电流值，三相电压值及三相电流值分别经坐标变换后得到电网相电压α-β轴分量以及整流器输入电流α-β轴分量，进而获取所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率。

[0013] 所述有功功率控制量和无功功率控制量分别为：

[0014] 有功功率控制量uP：

[0015]

[0016] 式中，ωcP为有功功率自抗扰控制器的控制带宽，Pg_ref为有功功率指令值，Pg为瞬时有功功率，z2P为扰动量wP的估计值；

[0017] 无功功率控制量uQ：

[0018]

[0019] 式中，ωcQ为无功功率自抗扰控制器的控制带宽，Qg_ref为无功功率指令值，Qg为瞬时无功功率，z2Q为扰动量wQ的估计值；

[0020] 上述的b0取为1.5/Lg，Lg为交流侧电抗。

[0021] 本发明提供的技术方案的有益效果是：该方法基于扩张状态观测器实时观测系统扰动，并根据功率控制率得出整流器交流侧输入电压指令值。该方法在静止坐标系下实现整流器的直接功率控制，无需锁相环，不需对电网电压相位信息进行实时检测，避免了相位检测误差对整流器动静态运行特性的不利影响。此外，本方法不需对电流轴间耦合项进行前馈补偿，在降低控制复杂程度的同时，显著提升系统的抗扰性能及动态响应快速性，有效抑制了因系统参数漂移及建模不准确等因素对前馈补偿质量及解耦控制效果的影响，改善了系统的运行与控制效果。

附图说明

[0022] 图1为三相电压型PWM整流器主电路图；

[0023] 图2为本发明提供的三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制系统框图。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0025] 101：获取三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率Pg和瞬时无功功率Qg；

[0026] 该步骤具体为：通过交流电压与交流电流采样电路得到电网三相电压值以及整流器输入三相电流值，三相电压值及三相电流值分别经坐标变换后得到电网相电压α-β轴分量以及整流器输入电流α-β轴分量，进而获取瞬时有功功率Pg和瞬时无功功率Qg。

[0027] 参见图1，uga、ugb、ugc为电网三相电压，Lg和Rg分别为交流侧电抗和等效电阻；iga、igb、igc为整流器输入电流，uca、ucb、ucc为整流器交流侧输入电压，udc为直流母线电压，C为直流母线电容。

[0028] 两相静止坐标系下三相电压型PWM整流器的电压平衡方程为

[0029]

[0030] 式中，igα、igβ分别为整流器输入电流α-β轴分量；ugα、ugβ分别为电网相电压α-β轴分量；ucα、ucβ分别为整流器交流侧输入电压α-β轴分量。

[0031] 三相电压型PWM整流器输入的瞬时有功功率Pg和瞬时无功功率Qg可写为

[0032]

[0033] 瞬时功率随时间的变化率可写为

[0034]

[0035] 电网相电压α-β轴分量随时间的变化率可写为

[0036]

[0037] 式中，ω为电网角频率。

[0038] 将式(1)、式(4)代入式(3)可得

[0039]

[0040] 令

[0041]

[0042] 式中，wP、wQ分别表示有功功率和无功功率控制过程中所受到的扰动。

[0043] 式(5)可写为

[0044]

[0045] 102：获取有功功率控制量uP和无功功率控制量uQ；

[0046] 其中，该步骤具体为：瞬时功率计算值作为扩张状态观测器的输入对系统扰动进行实时观测。基于系统扰动量的实时观测值z2P与z2Q、瞬时功率计算值Pg与Qg、有功功率指令值Pg_ref以及无功功率指令值Qg_ref，根据有功功率控制率和无功功率控制率分别得到有功功率控制量uP和无功功率控制量uQ。

[0047] 在设计三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制器时，首先以Pg为输入量构造有功功率扩张状态观测器观测系统扰动wP，有功功率扩张状态观测器如下：

[0048]

[0049] 式中，b0取为1.5/Lg，z1P为有功功率的跟踪值，z2P为扰动量wP的估计值，ω0P为有功功率扩张状态观测器的观测带宽。

[0050] 根据扩张状态观测器的观测输出、有功功率计算值及参考值，由如下控制率得出有功功率的控制量uP：

[0051]

[0052] 式中，ωcP为有功功率自抗扰控制器的控制带宽。

[0053] 以Qg为输入量构造无功功率扩张状态观测器观测系统扰动wQ，有功功率扩张状态观测器如下：

[0054]

[0055] 式中，z1Q为无功功率的跟踪值，z2Q为扰动量wQ的估计值，ω0Q为无功功率扩张状态观测器的观测带宽。

[0056] 根据扩张状态观测器的观测输出、无功功率计算值及参考值，由如下控制率得出无功功率控制量uQ

[0057]

[0058] 式中，ωcQ为无功功率自抗扰控制器的控制带宽。

[0059] 103：根据有功功率控制量uP、无功功率控制量uQ以及电网电压采样值ugα和ugβ，计算整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值ucα_ref和ucβ_ref；

[0060] 其中，具体的计算公式见公式(12)

[0061]

[0062] 104：根据整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值，经PWM调制模块获取整流器开关信号。

[0063] 下面结合图2，详细说明本发明提供的三相电压型PWM整流器直接功率自抗扰控制方法的操作流程，详见下文描述：

[0064] 通过直流母线采样电路得到直流母线电压值udc，udc与其给定值udc的误差经PI调节器得到有功参考电流，它与直流母线电压udc的乘积作为有功功率的指令值Pg_ref，为使PWM整流器的功率因数为1，无功功率的指令值Qg_ref为零。

[0065] 通过交流电压与交流电流采样电路得到电网三相电压值uga、ugb、ugc以及整流器输入三相电流值iga、igb、igc，电压及电流采样值分别经坐标变换后得到电网相电压α-β轴分量ugα、ugβ以及整流器输入电流α-β轴分量igα、igβ。根据式(2)计算瞬时有功功率Pg，瞬时无功功率Qg。瞬时功率计算值作为扩张状态观测器的输入对系统扰动进行实时观测。基于系统扰动量的实时观测值z2P与z2Q、瞬时功率计算值Pg与Qg、有功功率指令值Pg_ref以及无功功率指令值Qg_ref，根据式(9)、式(11)所述的功率控制率得到有功功率控制量uP和无功功率控制量uQ。结合电网相电压α-β轴分量ugα、ugβ，根据式(12)得到整流器交流侧输入电压α-β轴分量指令值，经PWM调制模块得到整流器开关信号，最终实现三相电压型PWM整流器的直接功率自抗扰控制。

[0066] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0067] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。