一種三相電壓型pwm整流器直接功率自抗擾控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，包括以下步驟：獲取三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率；將瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率作為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的輸入，基于系統(tǒng)擾動(dòng)量的實(shí)時(shí)觀測(cè)值、有功功率指令值以及無(wú)功功率指令值，根據(jù)有功功率控制率和無(wú)功功率控制率分別得到有功功率控制量和無(wú)功功率控制量；根據(jù)有功功率控制量、無(wú)功功率控制量以及電網(wǎng)電壓采樣值，計(jì)算整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值；根據(jù)整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值，經(jīng)PWM調(diào)制模塊獲取整流器開(kāi)關(guān)信號(hào)。該方法在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)整流器的直接功率控制，無(wú)需鎖相環(huán)，不需對(duì)電網(wǎng)電壓相位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三相電壓型PWM整流器領(lǐng)域，尤其涉及一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，本方法適合在三相交流-直流功率變換器中使用。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以PWM技術(shù)為基礎(chǔ)的功率變換裝置受到廣泛關(guān)注。與通常的二極管不控整流器相比，三相電壓型PWM整流器具有電流諧波畸變率低、功率可雙向流動(dòng)、可獲得單位功率因數(shù)等特點(diǎn)，消除了傳統(tǒng)整流電路中存在諧波含量大、功率因數(shù)低和能量不能回饋等問(wèn)題，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償、抑制電網(wǎng)諧波、削弱負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的沖擊等，被用于抑制電網(wǎng)污染，提高電能利用率。此外，三相電壓型PWM整流器也廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，能夠以單位功率因數(shù)運(yùn)行，消除諧波，并且可以提高風(fēng)能等可再生能源的利用率。可見(jiàn)，三相電壓型PWM整流器具有優(yōu)越的性能，有著廣泛的工程應(yīng)用前景和重要的理論研究?jī)r(jià)值。
[0003]為了使三相電壓型PWM整流器在工作時(shí)輸入電流為正弦波且與電壓同相或反相，其控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展，目前已涌現(xiàn)出多種控制方法。其中，以基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制應(yīng)用最為廣泛?；陔娋W(wǎng)電壓定向的矢量控制是一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的控制方式，該方法將三相靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)值。在此基礎(chǔ)上，基于PI控制器及前饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器的解耦控制與穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。
[0004]基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略需要設(shè)計(jì)鎖相環(huán)，對(duì)電網(wǎng)電壓相位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)誤差會(huì)對(duì)整流器的動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行特性帶來(lái)不利影響。此外，采用矢量控制策略時(shí)，需要對(duì)電流軸間耦合項(xiàng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償。系統(tǒng)參數(shù)漂移及建模不準(zhǔn)確等因素將影響前饋補(bǔ)償質(zhì)量及解耦控制效果，降低系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，繁瑣的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換增大了整流器控制系統(tǒng)的運(yùn)算量，在一定程度上制約了整流器控制性能的進(jìn)一步提升。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了整流器的直接功率控制，無(wú)需鎖相環(huán)，避免了相位檢測(cè)誤差對(duì)整流器動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行特性的不利影響，詳見(jiàn)下文描述:
[0006]一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，所述方法包括以下步驟:
[0007]獲取三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率；
[0008]將所述瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率作為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的輸入，基于系統(tǒng)擾動(dòng)量的實(shí)時(shí)觀測(cè)值、有功功率指令值以及無(wú)功功率指令值，根據(jù)有功功率控制率和無(wú)功功率控制率分別得到有功功率控制量和無(wú)功功率控制量；
[0009]根據(jù)有功功率控制量、無(wú)功功率控制量以及電網(wǎng)電壓采樣值，計(jì)算整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值；
[0010]根據(jù)整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值，經(jīng)PWM調(diào)制模塊獲取整流器開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0011]所述獲取三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的步驟具體為:
[0012]通過(guò)交流電壓與交流電流采樣電路得到電網(wǎng)三相電壓值以及整流器輸入三相電流值，三相電壓值及三相電流值分別經(jīng)坐標(biāo)變換后得到電網(wǎng)相電壓α-β軸分量以及整流器輸入電流α_β軸分量，進(jìn)而獲取所述瞬時(shí)有功功率和所述瞬時(shí)無(wú)功功率。
[0013]所述有功功率控制量和無(wú)功功率控制量分別為:
[0014]有功功率控制量Up:..?cP (-^g ref _ -^g) _ Z2P
[0015]Uv =-,-


bo
[0016]式中，Cocf為有功功率自抗擾控制器的控制帶寬，Pg μ為有功功率指令值，Pg為瞬時(shí)有功功率，Z2p為擾動(dòng)量Wp的估計(jì)值；
[0017]無(wú)功功率控制量Uq:
[0018]?
[0019]式中，ω &為無(wú)功功率自抗擾控制器的控制帶寬，Qg μ為無(wú)功功率指令值，Qg為瞬時(shí)無(wú)功功率，Z2q為擾動(dòng)量Wq的估計(jì)值；
[0020]上述的bQ取為1.5/Lg，Lg為交流側(cè)電抗。
[0021]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:該方法基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)擾動(dòng)，并根據(jù)功率控制率得出整流器交流側(cè)輸入電壓指令值。該方法在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)整流器的直接功率控制，無(wú)需鎖相環(huán)，不需對(duì)電網(wǎng)電壓相位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，避免了相位檢測(cè)誤差對(duì)整流器動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行特性的不利影響。此外，本方法不需對(duì)電流軸間耦合項(xiàng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，在降低控制復(fù)雜程度的同時(shí)，顯著提升系統(tǒng)的抗擾性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性，有效抑制了因系統(tǒng)參數(shù)漂移及建模不準(zhǔn)確等因素對(duì)前饋補(bǔ)償質(zhì)量及解耦控制效果的影響，改善了系統(tǒng)的運(yùn)行與控制效果。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為三相電壓型PWM整流器主電路圖；
[0023]圖2為本發(fā)明提供的三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制系統(tǒng)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0025]101:獲取三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率Pg和瞬時(shí)無(wú)功功率Qg ；
[0026]該步驟具體為:通過(guò)交流電壓與交流電流采樣電路得到電網(wǎng)三相電壓值以及整流器輸入三相電流值，三相電壓值及三相電流值分別經(jīng)坐標(biāo)變換后得到電網(wǎng)相電壓α-β軸分量以及整流器輸入電流α-β軸分量，進(jìn)而獲取瞬時(shí)有功功率Pg和瞬時(shí)無(wú)功功率Qg。
[0027]參見(jiàn)圖l，uga、ugb、ug。為電網(wǎng)三相電壓，LjPRg*別為交流側(cè)電抗和等效電阻；iga、igb、igc為整流器輸入電流，uca, ucb, Ucc為整流器交流側(cè)輸入電壓，Udc為直流母線電壓，C為直流母線電容。
[0028]兩相靜止坐標(biāo)系下三相電壓型PWM整流器的電壓平衡方程為
[0029]df⑴
wgP =1ε~^ + ΚΛ?+μΦ
[0030]式中，iga、ig0分別為整流器輸入電流α-β軸分量；uga、Ug0分別為電網(wǎng)相電壓α-β軸分量分別為整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量。
[0031]三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率Pg和瞬時(shí)無(wú)功功率Qg可寫(xiě)為
[0032]|Pg=L5(Vg°+Vg/y)(2)
[0033]瞬時(shí)功率隨時(shí)間的變化率可寫(xiě)為
度―15(h ^k+/ ^k+/
—Ulwga A 十Zga ,,,)
[0034]<di di di
鳴-15(" n" n)
di —1.5(? 出 +V 由?出 Wd/)
[0035]電網(wǎng)相電壓α-β軸分量隨時(shí)間的變化率可寫(xiě)為
d?go _

- _ 嫌 gp
[0036]7(4)

d?gp
[0037]式中，ω為電網(wǎng)角頻率。
[0038]將式(I)、式⑷代入式(3)可得
1.5,、Rs η η 1.5, 2 2、

=(Vco + WEPWcP )-—^g-^Qg+— (?ga + ?gP )
[_] W A , % P 8C5)
-^7- = γΚιιΦ - v。-# +ωΡ,
[0040]令
Rg ? ? 1.5 ,,.
[0041]<^g(6)
wQ = --^a?+&pg
[0042]式中，wP、wQ分別表示有功功率和無(wú)功功率控制過(guò)程中所受到的擾動(dòng)。
[0043]式(5)可寫(xiě)為
dP 1.5,x 1,5

= --J^i11gJ1Ca + ?gp^cp ) + mV =I“P+ wP
[0044]Sg(7)
dQg 1.5.、 1.5

= r (? "wBPiiC0 ) + M’Q = — ?0 +
[0045]102:獲取有功功率控制量Up和無(wú)功功率控制量uQ ；
[0046]其中，該步驟具體為:瞬時(shí)功率計(jì)算值作為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的輸入對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。基于系統(tǒng)擾動(dòng)量的實(shí)時(shí)觀測(cè)值Z2p與Z2q、瞬時(shí)功率計(jì)算值Pg與Qg、有功功率指令值Pg—以及無(wú)功功率指令值Qg—%，根據(jù)有功功率控制率和無(wú)功功率控制率分別得到有功功率控制量％和無(wú)功功率控制量uQ。
[0047]在設(shè)計(jì)三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制器時(shí)，首先以Pg為輸入量構(gòu)造有功功率擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)擾動(dòng)《P，有功功率擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如下:
dz

,=Z2? — 2如01> (2IP - A ) +
[0048]\ ^C8)
?ζ~,τ>,η、

= -ω0'ρ (Zip-Pg)
[0049]式中，b0取為1.5/Lg, z1P為有功功率的跟蹤值，z2P為擾動(dòng)量Wp的估計(jì)值，Ocip為有功功率擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)帶寬。
[0050]根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)輸出、有功功率計(jì)算值及參考值，由如下控制率得出有功功率的控制量uP:
[0051]?P =~Ρ^~Ζ--(9)

K
[0052]式中，為有功功率自抗擾控制器的控制帶寬。
[0053]以Qg為輸入量構(gòu)造無(wú)功功率擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)系統(tǒng)擾動(dòng)wQ，有功功率擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器如下:

dzlQ
—7~ - Z2Q 2o>0q Oiq - 0g ) + bOUQ
[0054](10)
[0055]式中，Ziq為無(wú)功功率的跟蹤值，Z2q為擾動(dòng)量Wq的估計(jì)值，COciq為無(wú)功功率擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)帶寬。
[0056]根據(jù)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)輸出、無(wú)功功率計(jì)算值及參考值，由如下控制率得出無(wú)功功率控制量Uq
[0057]=?(11)
[0058]式中，為無(wú)功功率自抗擾控制器的控制帶寬。
[0059]103:根據(jù)有功功率控制量uP、無(wú)功功率控制量Uq以及電網(wǎng)電壓采樣值Uga和ug0，計(jì)算整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值1!。。>和11。0> ;
[0060]其中，具體的計(jì)算公式見(jiàn)公式(12)
[0061][叫=卜叫1[叫(12)
_wcp_ref _Mgp Uga _ _UQ _
[0062]104:根據(jù)整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值，經(jīng)PWM調(diào)制模塊獲取整流器開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0063]下面結(jié)合圖2，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法的操作流程，詳見(jiàn)下文描述:
[0064]通過(guò)直流母線采樣電路得到直流母線電壓值ud。，Ud。與其給定值ud。的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到有功參考電流，它與直流母線電壓ud。的乘積作為有功功率的指令值Pg Mf，為使PWM整流器的功率因數(shù)為I，無(wú)功功率的指令值Qg 為零。
[0065]通過(guò)交流電壓與交流電流采樣電路得到電網(wǎng)三相電壓值Uga、Ugb、Ug。以及整流器輸入三相電流值iga、igb、ig。，電壓及電流采樣值分別經(jīng)坐標(biāo)變換后得到電網(wǎng)相電壓α-β軸分量uga、uge以及整流器輸入電流α-β軸分量iga、ig0。根據(jù)式⑵計(jì)算瞬時(shí)有功功率Pg，瞬時(shí)無(wú)功功率Qg。瞬時(shí)功率計(jì)算值作為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的輸入對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。基于系統(tǒng)擾動(dòng)量的實(shí)時(shí)觀測(cè)值z(mì)2P與z2Q、瞬時(shí)功率計(jì)算值Pg與Qg、有功功率指令值Pg μ以及無(wú)功功率指令值Qg—Mf，根據(jù)式(9)、式(11)所述的功率控制率得到有功功率控制量Up和無(wú)功功率控制量uQ。結(jié)合電網(wǎng)相電壓α-β軸分量Uga、Uge，根據(jù)式(12)得到整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值，經(jīng)PWM調(diào)制模塊得到整流器開(kāi)關(guān)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)三相電壓型PWM整流器的直接功率自抗擾控制。
[0066]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0067]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 獲取三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率； 將所述瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率作為擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的輸入，基于系統(tǒng)擾動(dòng)量的實(shí)時(shí)觀測(cè)值、有功功率指令值以及無(wú)功功率指令值，根據(jù)有功功率控制率和無(wú)功功率控制率分別得到有功功率控制量和無(wú)功功率控制量； 根據(jù)有功功率控制量、無(wú)功功率控制量以及電網(wǎng)電壓采樣值，計(jì)算整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值； 根據(jù)整流器交流側(cè)輸入電壓α-β軸分量指令值，經(jīng)PWM調(diào)制模塊獲取整流器開(kāi)關(guān)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，其特征在于，所述獲取三相電壓型PWM整流器輸入的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的步驟具體為: 通過(guò)交流電壓與交流電流采樣電路得到電網(wǎng)三相電壓值以及整流器輸入三相電流值，三相電壓值及三相電流值分別經(jīng)坐標(biāo)變換后得到電網(wǎng)相電壓α-β軸分量以及整流器輸入電流α-β軸分量，進(jìn)而獲取所述瞬時(shí)有功功率和所述瞬時(shí)無(wú)功功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三相電壓型PWM整流器直接功率自抗擾控制方法，其特征在于，所述有功功率控制量和無(wú)功功率控制量分別為: 有功功率控制量％: ω-- (-Pgmi ~Pg)~Zlf ?ρ =--

bo 式中，ωεΡ為有功功率自抗擾控制器的控制帶寬，Pg μ為有功功率指令值，Pg為瞬時(shí)有功功率，Z2p為擾動(dòng)量wP的估計(jì)值； 無(wú)功功率控制量Uq:?cO (? ref _ Qg) ~ Z2Q ?=^—b-

uQ 式中，ω &為無(wú)功功率自抗擾控制器的控制帶寬，Qg μ為無(wú)功功率指令值，QgS瞬時(shí)無(wú)功功率，z2Q為擾動(dòng)量wQ的估計(jì)值； 上述的k取為1.5/Lg，Lg為交流側(cè)電抗。
【文檔編號(hào)】H02M7/217GK104300812SQ201410544994
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】宋戰(zhàn)鋒, 夏長(zhǎng)亮, 陳煒 申請(qǐng)人:天津大學(xué)