一种电压不平衡条件下三相PWM变换器及其优化控制方法与流程

本发明属于三相PWM变换器稳定运行领域，具体为一种电压不平衡条件下三相PWM变换器及其优化控制方法。

背景技术：

三相PWM变换器实现了网侧电流对称，单位功率因数运行，且动态响应快，同时还可实现功率双向流通，其真正实现了“绿色电能变换”，因而被广泛应用于有源电力滤波器(APF)、新型不间断电源供电(UPS)、分布式发电以及储能技术领域等。三相PWM变换器具有的高性能是在交流侧输入电压平衡条件下，而实际电压不平衡现象时有发生，如偏远地区的弱电网，微电网三相负荷分布不均匀，大功率负载接入，以及分布式发电的局限性，这些都会使得电压不平衡，不平衡电压将导致直流母线电压波动，交流侧电流含有奇次谐波，进而影响三相PWM变换器正常运行。

为确保三相PWM变换器安全、高效、稳定运行，提供一种电压不平衡条件下三相PWM变换器优化控制方法，提高三相PWM变换器交直流侧电能质量具有重要意义。

目前，针对电压不平衡条件下提高三相PWM变换器性能的方法有多种，其中主要的3种方法是：一、恒功率控制法：恒功率控制允许直流电压有一定的波动，因而输出滤波电容就会相应的变小，当输入电压不平衡时，从不平衡相输出的负序电流增大，进一步恶化了系统电能质量；二、直接电流控制法：直接电流控制方法在输入电压不平衡时，可以实现输入电流正弦对称，但是直流侧电压会产生二次波动，为了消除直流电压二次波动，就会增大直流侧电解电容甚至采用超级电容，这些都会降低系统的动态响应，同时容量大的电解电容及超级电容增加了三相PWM变换装置的体积、费用；三、恒功率与直接电流协调控制法：其控制目标是根据实际需要哪个重要选取哪个，因此消除有功功率二次波动，交流侧电流就会存在负序分量，抑制交流侧负序电流，有功功率就会存在二次波动，若二者之间协调控制，系统仍旧存在负序电流和功率二次波动。

技术实现要素：

传统的电压不平衡控制方法不能同时实现消除负序电流与有功功率二次波动，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种电压不平衡条件下三相PWM变换器及其优化控制方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种电压不平衡条件下的三相PWM变换器，包括三相全桥整流电路和功率补偿电路；其中三相全桥整流电路包括相互并联的三组桥臂，每组桥臂都包括两个相互串联的IGBT，IGBT由功率管和反并联的二极管构成，三相全桥整流电路的交流侧经过电感与电网连接，直流侧电容与桥臂并联；功率补偿电路包括电感Lac、电容Cac和一组由两个相互串联的IGBT构成的桥臂，其桥臂与三相全桥整流电路直流侧电容并联，所述电感Lac和电容Cac串联形成串联支路，串联支路的一端连接在桥臂的中间，另一端连接在桥臂的负极。

如上述的一种电压不平衡条件下的三相PWM变换器的优化控制方法，是基于谐波检测、比例积分及谐振控制原理，并将其应用到无需检测相位的α-β坐标系下三相PWM变换器数学模型之中对其进行控制，控制器包括交流控制器与直流控制器，通过对交流侧正负序电压、交流侧电流以及直流电压进行控制，实现消除负序电流与有功功率二次波动，该方法是采用如下步骤实现的，包括以下步骤：

步骤一：交流电压不平衡条件下直流母线电压存在二次波动，首先采用陷波器对直流母线电压滤除二次谐波，得到的直流电压参考值V^※_dc，直流电压V_dc与直流电压参考值V^※_dc进行比较后经过PI控制得到直流电流参考值i^※_dc，然后与直流电压参考值V^※_dc相乘得到有功功率P，无功功率Q根据实际需要给定参考值；

步骤二：检测电网侧交流电压e_abc、交流电流i_abc，并将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的电压e_αβ和电流i_αβ，并对e_αβ进行正负序分离，得到正序电压和负序电压

步骤三：由步骤一中得到的有功功率P与无功功率Q，以及步骤二中得到的正序电压通过计算得到电流参考值i^※_αβ，电流参考值i^※_αβ与实际电流i_αβ进行比较，通过比例积分谐振控制得到电压正序分量然后与实际负序电压叠加，经过SVPWM控制，输出PWM波进而控制三相全桥整流电路；

步骤四：通过以上控制实现了消除交流电流负序分量的目的，但是由于负序电压的存在，系统传输有功功率仍存在二次波动，导致直流母线电压存在二次波动，直流电压不稳定，因此将步骤二中得到的负序电压与电流i_αβ进行计算得到有功功率二次波动值，进而得到功率补偿电路中交流电容电压参考值v^※_ac，然后与实际电容电压v_ac进行比较，然后经过PI控制得到电流参考值i^※ac；

步骤五：检测电感Lac处电流i_ac，与电流参考值i^※_ac进行比较，经过比例控制，输出PWM波进而控制功率补偿电路，实现消除有功功率二次波动。

与传统的电压不平衡条件下三相PWM变换器控制方法相比，本发明所述的优化控制方法通过采用新型控制电路与相应的控制策略，实现了消除交流电流负序分量与有功功率二次波动，有效改善了系统交直流电能质量，同时保证三相PWM变换器安全稳定运行。如图5所示，采用本发明所述的电压不平衡条件下三相PWM变换器控制策略，消除了交流电流负序分量，稳定了直流母线电压。本发明有效解决了电压不平衡条件下三相PWM变换器交流侧电流负序分量与有功功率二次波动问题。

附图说明

图1是本系统的主电路结构示意图。

图2是本发明的控制原理图。

图3是电压不平衡条件下直流电压与交流电流波形图。

图4是未采用本发明所述的控制方法时，只有电流控制的波形图。

图5是采用本发明所述的控制方法，直流电压与交流电流波形图。

具体实施方式

一种电压不平衡条件下的三相PWM变换器，包括三相全桥整流电路和功率补偿电路；其中三相全桥整流电路包括相互并联的三组桥臂，每组桥臂都包括两个相互串联的IGBT，IGBT由功率管和反并联的二极管构成，三相全桥整流电路的交流侧经过电感与电网连接，直流侧电容与桥臂并联；功率补偿电路包括电感Lac、电容Cac和一组由两个相互串联的IGBT构成的桥臂，其桥臂与三相全桥整流电路直流侧电容并联，所述电感Lac和电容Cac串联形成串联支路，串联支路的一端连接在桥臂的中间，另一端连接在桥臂的负极。

上述的一种电压不平衡条件下的三相PWM变换器的优化控制方法，包括以下步骤：

步骤一：首先采用陷波器对直流母线电压滤除二次谐波，得到的直流电压参考值V^※_dc，直流电压V_dc与直流电压参考值V^※_dc进行比较后经过PI控制得到直流电流参考值i^※_dc，然后与直流电压参考值V^※_dc相乘得到有功功率P，无功功率Q根据实际需要给定参考值；

步骤二：检测电网侧交流电压e_abc、交流电流i_abc，并将其进行α-β坐标变换，得到α-β坐标系下的电压e_αβ和电流i_αβ，并对e_αβ进行正负序分离，得到正序电压和负序电压

步骤三：由步骤一中得到的有功功率P与无功功率Q，以及步骤二中得到的正序电压通过计算得到电流参考值i^※_αβ，电流参考值i^※_αβ与实际电流i_αβ进行比较，通过比例积分谐振控制得到电压正序分量然后与实际负序电压叠加，经过SVPWM控制，输出PWM波进而控制三相全桥整流电路；

步骤四：将步骤二中得到的负序电压与电流i_αβ进行计算得到有功功率二次波动值，再进行电压参考值计算进而得到功率补偿电路中交流电容电压参考值v^※_ac，然后与实际电容电压v_ac进行比较，然后经过PI控制得到电流参考值i^※_ac；

步骤五：检测电感Lac处电流i_ac，与电流参考值i^※_ac进行比较，经过比例控制，输出PWM波进而控制功率补偿电路，实现消除有功功率二次波动。