不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法

摘要

本公开提供了一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，属于电力电子‑并网变流器控制技术领域；通过在静止坐标系下的电压延迟信号，计算变换器侧电感参考电流，间接跟踪并网电流；不需要电流或功率补偿，无需锁相环及电压电流正负序分解，实现了直流电压稳定、单位功率因数的基本目标，同时保证了并网电流正弦化，提高了电流质量，减小了CPU的运算量，对于整流器的数字化控制有很大的意义。

权利要求

1.一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：包括以下过程：获取LCL滤波器的三相电网电压、电容电压和变换器侧电感电流，进行Clark坐标变换，得到αβ两相静止坐标系下的电压值和电流值；

根据有功功率参考值、电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号和原始信号，得到初始参考电流；

利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，乘以预设比例系数后与初始参考电流相加，得到最终参考电流；

根据LCL滤波器离散化模型、最终的参考电流以及αβ两相静止坐标系下的电容电压和变换器侧电感电流，得到下一控制周期的期望电压矢量；

选取基本电压矢量组中距离期望电压矢量最近的基本电压矢量作为最优电压矢量，在下一控制周期产生用于整流器控制的PWM信号。

2.如权利要求1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：将αβ坐标系下的电网电压延迟90电角度，得到电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号。

3.如权利要求1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：利用直流电压外环计算有功功率参考值。

4.如权利要求3所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：有功功率参考值为PI调节器的输出与直流电压误差的乘积。

5.如权利要求1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，包括以下过程：根据控制周期，利用具有陷波特性的离散化二阶IIR椭圆滤波器直接提取αβ坐标系下的电容电压的高频分量。

6.如权利要求1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：初始参考电流为：有功功率与(e'β‑je'α)的乘积再与eαe'β‑e'αeβ的比值，其中，e'α和e'β分别为αβ坐标系下电网电压α轴和β轴延迟信号，eα和eβ为αβ坐标系下电网电压α轴和β轴原始信号。

7.如权利要求1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，其特征在于：根据下一时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的电容电压、下一时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的变换器侧电感参考电流、当前时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的变换器侧电感电流、变换器侧电感值、变换器侧电感的寄生电阻和控制周期，得到下一控制周期的期望电压矢量。

8.一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制系统，其特征在于：包括：αβ转换模块，被配置为：获取LCL滤波器的三相电网电压、电容电压和变换器侧电感电流，进行Clark坐标变换，得到αβ两相静止坐标系下的电压值和电流值；

初始参考电流获取模块，被配置为：根据有功功率参考值、电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号和原始信号，得到初始参考电流；

最终参考电流获取模块，被配置为：利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，乘以预设比例系数后与初始参考电流相加，得到最终参考电流；

期望电压矢量获取模块，被配置为：根据LCL滤波器离散化模型、最终的参考电流以及αβ两相静止坐标系下的电容电压和变换器侧电感电流，得到下一控制周期的期望电压矢量；

PWM信号生成模块，被配置为：选取基本电压矢量组中距离期望电压矢量最近的基本电压矢量作为最优电压矢量，在下一控制周期产生用于整流器控制的PWM信号。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1‑7任一项所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法中的步骤。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1‑7任一项所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法中的步骤。

说明书

不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法

技术领域

[0001] 本公开涉及电力电子‑并网变流器控制技术领域，特别涉及一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

[0003] 与传统的L型滤波器相比，LCL滤波器因具有体积小、高频抑制效果好的优势而广泛应用于并网PWM整流器。然而，滤波电容在电网和变换器之间引入延迟，增加了直接控制并网电流和功率的复杂度。此外，LCL滤波器存在的固有谐振频率会增加并网电流的谐波含量，必须通过适当的方法加以抑制。

[0004] 发明人发现，在电网电压不平衡的情况下，因为存在负序电压，如果仅对正序量控制，并网电流会产生严重畸变。目前针对不平衡情况下的并网电流的跟踪控制方法主要有电压电流双闭环控制、直接功率控制和模型预测控制。然而，双闭环控制和直接功率控制均需要电压电流的正负序分解、锁相环和坐标旋转变换，运算量较大。基于有限集的模型预测控制虽然不需要载波调制和正负序分解，但为了使并网电流正弦化，仍然需要电网电压锁相和功率补偿，占用大量的计算资源，难以提高控制频率和精度。

发明内容

[0005] 为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，在αβ两相静止坐标系下计算变换器侧电感参考电流，通过跟踪该电流参考值实现对并网电流间接跟踪，采用了一种改进的有源阻尼方法抑制了LCL滤波器的谐振尖峰，提高了并网电流质量；无需锁相环和电压电流的正负序分解，能够实现并网电流正弦化，并维持直流电压恒定和单位功率因数。

[0006] 为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

[0007] 本公开第一方面提供了一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法。

[0008] 一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法，包括以下过程：

[0009] 获取LCL滤波器的三相电网电压、电容电压和变换器侧电感电流，进行Clark坐标变换，得到αβ两相静止坐标系下的电压值和电流值；

[0010] 根据有功功率参考值、电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号和原始信号，得到初始参考电流；

[0011] 利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，乘以预设比例系数后与初始参考电流相加，得到最终参考电流；

[0012] 根据LCL滤波器离散化模型、最终的参考电流以及αβ两相静止坐标系下的电容电压和变换器侧电感电流，得到下一控制周期的期望电压矢量；

[0013] 选取基本电压矢量组中距离期望电压矢量最近的基本电压矢量作为最优电压矢量，在下一控制周期产生用于整流器控制的PWM信号。

[0014] 进一步的，将αβ坐标系下的电网电压延迟90电角度，得到电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号。

[0015] 进一步的，利用直流电压外环计算有功功率参考值。

[0016] 更进一步的，有功功率参考值为PI调节器的输出与直流电压误差的乘积。

[0017] 进一步的，利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，包括以下过程：

[0018] 根据控制周期，利用具有陷波特性的离散化二阶IIR椭圆滤波器直接提取αβ坐标系下的电容电压的高频分量。

[0019] 进一步的，初始参量电流为：有功功率与(e′β‑je′α)的乘积再与eαe′β‑e′αeβ的比值，其中，e'α和e'β分别为αβ坐标系下电网电压α轴和β轴延迟信号，eα和eβ为αβ坐标系下电网电压α轴和β轴原始信号。

[0020] 进一步的，根据下一时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的期望电压、当前时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的电容电压、下一时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的变换器侧电感参考电流、下一时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的变换器侧电感电流、变换器侧电感电流值、变换器侧电感的寄生电阻和控制周期，得到下一控制周期的期望电压矢量。

[0021] 本公开第二方面提供了一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制系统。

[0022] 一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制系统，包括：

[0023] αβ转换模块，被配置为：获取LCL滤波器的三相电网电压、电容电压和变换器侧电感电流，进行Clark坐标变换，得到αβ两相静止坐标系下的电压值和电流值；

[0024] 初始参考电流获取模块，被配置为：根据有功功率参考值、电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号和原始信号，得到初始参考电流；

[0025] 最终参考电流获取模块，被配置为：利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，乘以预设比例系数后与初始参考电流相加，得到最终参考电流；

[0026] 期望电压矢量获取模块，被配置为：根据LCL滤波器离散化模型、最终的参考电流以及αβ两相静止坐标系下的电容电压和变换器侧电感电流，得到下一控制周期的期望电压矢量；

[0027] PWM信号生成模块，被配置为：选取基本电压矢量组中距离期望电压矢量最近的基本电压矢量作为最优电压矢量，在下一控制周期产生用于整流器控制的PWM信号。

[0028] 本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法中的步骤。

[0029] 本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法中的步骤。

[0030] 与现有技术相比，本公开的有益效果是：

[0031] 1、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，通过在静止坐标系下的电压延迟信号，计算变换器侧电感参考电流，间接跟踪并网电流，不需要电流或功率补偿，无需锁相环及电压电流正负序分解，实现了直流电压稳定、单位功率因数的基本目标，同时保证了并网电流正弦化，提高了电流质量，减小了CPU的运算量，对于整流器的数字化控制有很大的意义。

[0032] 2、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，在静止坐标系下计算变换器侧电感参考电流，通过跟踪该电流参考值实现了对并网电流间接跟踪；采用了改进的有源阻尼方法抑制LCL滤波器的谐振尖峰，提高了并网电流质量；无需锁相环和电压电流的正负序分解，能够实现并网电流正弦化，并维持直流电压恒定和单位功率因数。

[0033] 本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

[0034] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0035] 图1为本公开实施例1提供的LCL型三电平PWM整流器拓扑图，直流侧可挂接任意有源或无源负载。

[0036] 图2为本公开实施例1提供的电流跟踪控制方法的控制框图。

[0037] 图3为本公开实施例1提供的电流跟踪控制方法的控制流程图。

[0038] 图4为本公开实施例1提供的三电平整流器的扇区分布和基本电压矢量图。

[0039] 图5为本公开实施例1提供的三相不平衡电网电压下峰值为40V、60V、60V时，三相并网电流波形图。

[0040] 图6为本公开实施例1提供的三相不平衡电网电压下峰值为40V、60V、60V时，直流母线电压波形图以及A相电网电压和并网电流波形图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

[0042] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0043] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0044] 在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0045] 实施例1：

[0046] 如图1、图2和图3所示，本公开实施例1提供了一种用于不平衡电网下LCL型PWM整流器的简化电流跟踪控制方法，其包括：

[0047] 步骤一：对采样的三相电网电压、电容电压和变换器侧电感电流进行Clark坐标变换；对变换后的电网电压eαβ延迟90电角度，得到延迟后的电压信号为e'αβ；

[0048] 步骤二：利用直流电压外环计算有功功率参考值pref，其值为PI调节器的输出与直流电压误差的乘积。应注意，步骤一和步骤二在实现顺序上不分先后，如条件允许可并行执行。

[0049] 步骤三：计算初始的参考电流，计算公式如下：

[0050]

[0051] 其中，e'α和e'β分别为αβ坐标系下电网电压α轴和β轴延迟信号，eα和eβ为αβ坐标系下电网电压α轴和β轴原始信号；

[0052] 步骤四：电容电压正反馈有源阻尼。利用二阶椭圆滤波器提取电容电压的高频分量，乘以比例系数后与初始参考电流相加，得到最终的参考电流；

[0053] 步骤五：根据LCL滤波器的离散化模型，计算下一控制周期的期望电压矢量v*(k+1)，计算公式为：

[0054]

[0055] 其中， 和 分别为k+1时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的期望电压；vCα(k)和vCβ(k)分别为k时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的电容电压；i2refα(k+1)和i2refβ(k+1)分别为k+1时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的变换器侧电感参考电流；i2α(k+1)和i2β(k+1)分别为k+
1时刻在αβ坐标系下α轴和β轴的变换器侧电感电流；L2为变换器侧电感电流值；R2为电感L2的寄生电阻；Ts为控制周期。

[0056] 其中，在控制周期Ts足够小的情况下，所述k+1时刻电感期望电流，近似认为等于k时刻的值，即

[0057]

[0058] 步骤六：从基本电压矢量组中，选取离期望电压距离最近的基本电压矢量作为最优电压矢量，并在下一控制周期产生PWM信号作用于整流器。

[0059] 其中，实施例的电压矢量组分布如图4所示，为减小共模电压，从中剔除2个零矢量(PPP/NNN)和6个小矢量(ONN/PPO/NON/OPP/NNO/POP)，剩余19个矢量构成基本电压矢量组，如表1所示。应注意，基本电压矢量组由所用变换器拓扑决定，并不局限于实施例所使用的三电平拓扑，也适用于两电平拓扑及其他多电平拓扑。

[0060] 表1：基本电压矢量组

[0061]

[0062]

[0063] 最优电压矢量的选择是一个使成本函数最小的寻优过程，成本函数为

[0064]

[0065] 其中，viα(k+1)和viβ(k+1)为待选的基本电压矢量在α轴和β轴下的值。

[0066] 图5和图6中的(a)为整流器接不平衡电网，等效直流负载为30Ω时，三相并网电流波形和直流母线电压波形。从仿真结果可知，在不平衡电网情况下，并网电流仍然保持较高的正弦化质量，电流总谐波畸变率(THD)远小于5％，同时直流母线电压纹波仅为2V左右，纹波率远小于2％。

[0067] 图6中的(b)为整流器接不平衡电网，等效直流负载为30Ω时，A相的电网电压和并网电流波形，可以看到，电压电流相位一致，实现了单位功率因数。

[0068] 通过以上仿真结果可知，本实施例提出的LCL型PWM整流器的简化电流跟踪控制方法在不平衡电网下能实现并网电流的正弦化跟踪控制，并实现PWM整流器的基本目标。

[0069] 实施例2：

[0070] 本公开实施例2提供了一种不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制系统，包括：

[0071] αβ转换模块，被配置为：获取LCL滤波器的三相电网电压、电容电压和变换器侧电感电流，进行Clark坐标变换，得到αβ两相静止坐标系下的电压值和电流值；

[0072] 初始参考电流获取模块，被配置为：根据有功功率参考值、电网电压αβ两相静止坐标系下的延迟信号和原始信号，得到初始参考电流；

[0073] 最终参考电流获取模块，被配置为：利用二阶椭圆滤波器提取αβ两相静止坐标系下电容电压的高频分量，乘以预设比例系数后与初始参考电流相加，得到最终参考电流；

[0074] 期望电压矢量获取模块，被配置为：根据LCL滤波器离散化模型、最终的参考电流以及αβ两相静止坐标系下的电容电压和变换器侧电感电流，得到下一控制周期的期望电压矢量；

[0075] PWM信号生成模块，被配置为：选取基本电压矢量组中距离期望电压矢量最近的基本电压矢量作为最优电压矢量，在下一控制周期产生用于整流器控制的PWM信号。

[0076] 所述系统的工作方法与实施例1提供的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法相同，这里不再赘述。

[0077] 实施例3：

[0078] 本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法中的步骤。

[0079] 实施例4：

[0080] 本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的不平衡电网下LCL型PWM整流器的电流跟踪控制方法中的步骤。

[0081] 本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0082] 本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0083] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0084] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0085] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read‑Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

[0086] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。