本發(fā)明涉及三相PWM高功率因數(shù)整流器控制領(lǐng)域，更具體地說(shuō)是涉及一種電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)抑制PWM整流器的有功二次脈動(dòng)的直接電流指令計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

PWM整流器的運(yùn)用在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的地位，在研究三相PWM整流器的控制方法時(shí)，一般認(rèn)為電網(wǎng)三相電壓是平衡的。但在整流器實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，電網(wǎng)電壓不可避免的會(huì)遇到電網(wǎng)電壓不平衡現(xiàn)象，若仍沿用平衡系統(tǒng)的控制策略，將會(huì)使網(wǎng)側(cè)電流三相不平衡，功率和直流側(cè)電壓產(chǎn)生脈動(dòng)。為解決此問(wèn)題，廣大學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。根據(jù)PWM整流器控制性能要求的不同可以分為以下幾種控制目的：一是控制網(wǎng)側(cè)電流的平衡，但有功功率和無(wú)功功率存在明顯的脈動(dòng)；二是控制有功功率和無(wú)功功率的平衡，但網(wǎng)側(cè)電流存在大量的諧波；三是控制有功功率和直流側(cè)電壓的平衡，但網(wǎng)側(cè)三相電流不平衡。

針對(duì)以上三種控制目的，已有學(xué)者提出了切實(shí)可行的控制策略。其中直接功率控制策略提出，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分離出正負(fù)序分量，并表示出各次有功和無(wú)功功率，再根據(jù)不同的控制目的計(jì)算給定電流，此方法指令電流計(jì)算量大并且控制復(fù)雜；矢量控制策略提出，通過(guò)提取電流和電壓的正負(fù)序分量，再對(duì)正負(fù)序分量進(jìn)行獨(dú)立控制，此策略控制效果提升但因需要多個(gè)PI環(huán)，控制方法仍然復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種電網(wǎng)不平衡下有功二次脈動(dòng)抑制的直接電流指令計(jì)算方法，為在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)抑制PWM整流器的有功二次脈動(dòng)，避免現(xiàn)有方法中復(fù)雜的坐標(biāo)變換和功率計(jì)算，簡(jiǎn)化指令電流的計(jì)算，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明電網(wǎng)不平衡下有功二次脈動(dòng)抑制的直接電流指令計(jì)算方法的特點(diǎn)是：首先用對(duì)稱分量法對(duì)PWM整流器網(wǎng)側(cè)三相不平衡電壓E_a、E_b和E_c進(jìn)行正負(fù)序分離，再在三相靜止坐標(biāo)系下計(jì)算獲得負(fù)序指令電流，將所述負(fù)序指令電流和原有的正序指令電流相加獲得實(shí)際指令電流。

本發(fā)明直接電流指令計(jì)算方法的特點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、采樣獲得PWM整流器網(wǎng)側(cè)三相不平衡相電壓E_a、E_b和E_c；

步驟2、利用對(duì)稱分量法對(duì)采樣獲得的網(wǎng)側(cè)三相不平衡相電壓E_a、E_b和E_c按式(1)進(jìn)行正負(fù)序分離，得到電網(wǎng)電壓正序分量E_a^p、E_b^p和E_c^p：

其中

步驟3、三相三線制系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓不存在零序分量，則由式(2)獲得電網(wǎng)電壓負(fù)序分量E_aⁿ，E_bⁿ，E_cⁿ為：

步驟4、取任一相網(wǎng)側(cè)正序相電壓復(fù)矢量E^p和負(fù)序相電壓復(fù)矢量Eⁿ，按式(3)計(jì)算系統(tǒng)復(fù)功率S：

其中：

E為網(wǎng)側(cè)對(duì)應(yīng)一相正序相電壓復(fù)矢量E^p和負(fù)序相電壓復(fù)矢量Eⁿ之和；

I^p和Iⁿ分別為網(wǎng)側(cè)對(duì)應(yīng)一相正序電流復(fù)矢量和負(fù)序電流復(fù)矢量；

為對(duì)應(yīng)一相正序電流復(fù)矢量和負(fù)序電流復(fù)矢量之和的共軛；

步驟5、令p為有功功率，q為無(wú)功功率，在整流電路中使用PWM整流器是為了獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，在網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)時(shí)q＝0，即：

S＝p＝E^pI^p+EⁿIⁿ+(E^pIⁿ-EⁿI^p)cos2ωt+j(E^pIⁿ-EⁿI^p)sin2ωt (4)

步驟6、有功功率的二倍頻分量是造成有功功率脈動(dòng)的根本原因，為抑制有功功率的脈動(dòng)，令二倍頻分量的系數(shù)為零，則有式(5)：

E^pIⁿ-EⁿI^p＝0 (5)

步驟7、將PWM整流器電壓外環(huán)的輸出作為指令電流正序分量幅值根據(jù)式(5)獲得指令電流負(fù)序分量幅值的計(jì)算公式如式(6)：

步驟8、將所述指令電流正序分量幅值和指令電流負(fù)序分量幅值分別與各對(duì)應(yīng)相鎖相得到的角度正弦值相乘獲得指令電流正序分量和指令電流負(fù)序分量；實(shí)際指令電流為指令電流正序分量和指令電流負(fù)序分量之和。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明用對(duì)稱分量法對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行正序和負(fù)序分離，在三相靜止坐標(biāo)系中計(jì)算獲得需要向電網(wǎng)注入的負(fù)序電流從而得到指令電流；能有效抑制整流器有功功率和直流側(cè)電壓的二次脈動(dòng)，避免現(xiàn)有方法中復(fù)雜的坐標(biāo)變換和功率計(jì)算，簡(jiǎn)化了指令電流的計(jì)算，同時(shí)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施中電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明直接電流指令計(jì)算方法結(jié)構(gòu)圖；

圖3a為采用三相平衡電流指令計(jì)算方法的有功功率和網(wǎng)側(cè)實(shí)驗(yàn)波形；

圖3b為采用本發(fā)明電網(wǎng)電壓不平衡下有功二次脈動(dòng)抑制的直接電流指令計(jì)算方法的有功功率和網(wǎng)側(cè)實(shí)驗(yàn)波形；

圖4a為采用三相平衡電流指令計(jì)算方法后的實(shí)驗(yàn)的直流側(cè)電壓波形；

圖4b為采用本發(fā)明電網(wǎng)電壓不平衡下有功二次脈動(dòng)抑制的直接電流指令計(jì)算方法的直流側(cè)電壓波形；

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中電網(wǎng)不平衡下有功二次脈動(dòng)抑制的直接電流指令計(jì)算方法按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、采樣獲得PWM整流器網(wǎng)側(cè)三相不平衡相電壓E_a、E_b和E_c；

步驟2、利用對(duì)稱分量法對(duì)采樣獲得的網(wǎng)側(cè)三相不平衡相電壓E_a、E_b和E_c按式(1)進(jìn)行正負(fù)序分離，得到電網(wǎng)電壓正序分量E_a^p、E_b^p和E_c^p：

其中

步驟3、三相三線制系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓不存在零序分量，則由式(2)獲得電網(wǎng)電壓負(fù)序分量E_aⁿ，E_bⁿ，E_cⁿ為：

步驟4、取任一相網(wǎng)側(cè)正序相電壓復(fù)矢量E^p和負(fù)序相電壓復(fù)矢量Eⁿ，按式(3)計(jì)算系統(tǒng)復(fù)功率S：

其中：

E為網(wǎng)側(cè)對(duì)應(yīng)一相正序相電壓復(fù)矢量E^p和負(fù)序相電壓復(fù)矢量Eⁿ之和；

I^p和Iⁿ分別為網(wǎng)側(cè)對(duì)應(yīng)相正序電流復(fù)矢量和負(fù)序電流復(fù)矢量；

為對(duì)應(yīng)一相正序電流復(fù)矢量和負(fù)序電流復(fù)矢量之和的共軛；

步驟5、令p為有功功率，q為無(wú)功功率，在整流電路中使用PWM整流器是為了獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，在網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)時(shí)q＝0，即：

S＝p＝E^pI^p+EⁿIⁿ+(E^pIⁿ-EⁿI^p)cos2ωt+j(E^pIⁿ-EⁿI^p)sin2ωt (4)

步驟6、有功功率的二倍頻分量是造成有功功率脈動(dòng)的根本原因，為抑制有功功率的脈動(dòng)，令二倍頻分量的系數(shù)為零，則有式(5)：

E^pIⁿ-EⁿI^p＝0 (5)

步驟7、對(duì)直流側(cè)電壓U_dc進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓與直流側(cè)給定電壓相減得到直流側(cè)電壓的誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，在PWM整流器電壓外環(huán)輸出，作為指令電流信號(hào)正序分量的幅值根據(jù)式(5)獲得指令電流負(fù)序分量幅值的計(jì)算公式如式(6)：

步驟8、將所述指令電流正序分量幅值和指令電流負(fù)序分量幅值分別與各對(duì)應(yīng)相鎖相得到的角度正弦值相乘獲得指令電流正序分量和指令電流負(fù)序分量；實(shí)際指令電流為指令電流正序分量和指令電流負(fù)序分量之和。

圖3a、圖3b、圖4a和圖4b為給定網(wǎng)側(cè)相電壓92V，并給定單相40％的電壓跌落，直流側(cè)負(fù)載為53Ω的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)過(guò)程，首先在程序中計(jì)算得到有功功率值，再將有功功率值由SPI通信發(fā)出用示波器觀測(cè)得到波形。為了更清楚的觀察直流側(cè)電壓波形，將對(duì)應(yīng)通道AC耦合，只觀測(cè)交流量。圖3a和圖4a為采用三相平衡的電流指令控制策略，其中e_a、e_b、e_c為網(wǎng)側(cè)三相相電壓，i_a、i_b、i_c為網(wǎng)側(cè)三相相電流，P為網(wǎng)側(cè)有功功率，u_dc為直流電壓。由于網(wǎng)側(cè)電壓三相不平衡的原因，有功功率有400W左右的波動(dòng)，直流側(cè)電壓有2V左右的波動(dòng)；圖3b和圖4b為采用直接電流指令計(jì)算方法，可以看到有功功率和直流側(cè)電壓的二次脈動(dòng)得到了有效的抑制。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用電能質(zhì)量分析儀對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用三相平衡的電流指令控制策略測(cè)得網(wǎng)側(cè)電流THD為2.35％，采用本發(fā)明中直接電流指令控制策略測(cè)得網(wǎng)側(cè)電流THD為1.50％。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明直接電流指令計(jì)算方法確實(shí)能省去復(fù)雜的指令電流計(jì)算，并且簡(jiǎn)化了控制方法，使得網(wǎng)側(cè)電流THD減小，網(wǎng)側(cè)電流波形也更趨近正弦，提升了控制效果。