电网不平衡下有功二次脉动抑制的直接电流指令计算方法与流程

本发明涉及三相PWM高功率因数整流器控制领域，更具体地说是涉及一种电网电压不平衡时抑制PWM整流器的有功二次脉动的直接电流指令计算方法。

背景技术：

PWM整流器的运用在电力电子领域发挥着越来越重要的地位，在研究三相PWM整流器的控制方法时，一般认为电网三相电压是平衡的。但在整流器实际运行当中，电网电压不可避免的会遇到电网电压不平衡现象，若仍沿用平衡系统的控制策略，将会使网侧电流三相不平衡，功率和直流侧电压产生脉动。为解决此问题，广大学者对其进行了研究。根据PWM整流器控制性能要求的不同可以分为以下几种控制目的：一是控制网侧电流的平衡，但有功功率和无功功率存在明显的脉动；二是控制有功功率和无功功率的平衡，但网侧电流存在大量的谐波；三是控制有功功率和直流侧电压的平衡，但网侧三相电流不平衡。

针对以上三种控制目的，已有学者提出了切实可行的控制策略。其中直接功率控制策略提出，在同步旋转坐标系下分离出正负序分量，并表示出各次有功和无功功率，再根据不同的控制目的计算给定电流，此方法指令电流计算量大并且控制复杂；矢量控制策略提出，通过提取电流和电压的正负序分量，再对正负序分量进行独立控制，此策略控制效果提升但因需要多个PI环，控制方法仍然复杂。

技术实现要素：

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种电网不平衡下有功二次脉动抑制的直接电流指令计算方法，为在电网电压不平衡时抑制PWM整流器的有功二次脉动，避免现有方法中复杂的坐标变换和功率计算，简化指令电流的计算，提高系统的响应速度和控制效果。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明电网不平衡下有功二次脉动抑制的直接电流指令计算方法的特点是：首先用对称分量法对PWM整流器网侧三相不平衡电压E_a、E_b和E_c进行正负序分离，再在三相静止坐标系下计算获得负序指令电流，将所述负序指令电流和原有的正序指令电流相加获得实际指令电流。

本发明直接电流指令计算方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、采样获得PWM整流器网侧三相不平衡相电压E_a、E_b和E_c；

步骤2、利用对称分量法对采样获得的网侧三相不平衡相电压E_a、E_b和E_c按式(1)进行正负序分离，得到电网电压正序分量E_a^p、E_b^p和E_c^p：

其中

步骤3、三相三线制系统中电网电压不存在零序分量，则由式(2)获得电网电压负序分量E_aⁿ，E_bⁿ，E_cⁿ为：

步骤4、取任一相网侧正序相电压复矢量E^p和负序相电压复矢量Eⁿ，按式(3)计算系统复功率S：

其中：

E为网侧对应一相正序相电压复矢量E^p和负序相电压复矢量Eⁿ之和；

I^p和Iⁿ分别为网侧对应一相正序电流复矢量和负序电流复矢量；

为对应一相正序电流复矢量和负序电流复矢量之和的共轭；

步骤5、令p为有功功率，q为无功功率，在整流电路中使用PWM整流器是为了获得网侧单位功率因数，在网侧实现单位功率因数时q＝0，即：

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

步骤6、有功功率的二倍频分量是造成有功功率脉动的根本原因，为抑制有功功率的脉动，令二倍频分量的系数为零，则有式(5)：

E^pIⁿ-EⁿI^p＝0 (5)

步骤7、将PWM整流器电压外环的输出作为指令电流正序分量幅值根据式(5)获得指令电流负序分量幅值的计算公式如式(6)：

步骤8、将所述指令电流正序分量幅值和指令电流负序分量幅值分别与各对应相锁相得到的角度正弦值相乘获得指令电流正序分量和指令电流负序分量；实际指令电流为指令电流正序分量和指令电流负序分量之和。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明用对称分量法对电网电压进行正序和负序分离，在三相静止坐标系中计算获得需要向电网注入的负序电流从而得到指令电流；能有效抑制整流器有功功率和直流侧电压的二次脉动，避免现有方法中复杂的坐标变换和功率计算，简化了指令电流的计算，同时提高系统的响应速度和控制效果。

附图说明

图1为本发明实施中电压型PWM整流器拓扑结构；

图2为本发明直接电流指令计算方法结构图；

图3a为采用三相平衡电流指令计算方法的有功功率和网侧实验波形；

图3b为采用本发明电网电压不平衡下有功二次脉动抑制的直接电流指令计算方法的有功功率和网侧实验波形；

图4a为采用三相平衡电流指令计算方法后的实验的直流侧电压波形；

图4b为采用本发明电网电压不平衡下有功二次脉动抑制的直接电流指令计算方法的直流侧电压波形；

具体实施方式

本实施例中电网不平衡下有功二次脉动抑制的直接电流指令计算方法按如下步骤进行：

步骤1、采样获得PWM整流器网侧三相不平衡相电压E_a、E_b和E_c；

步骤2、利用对称分量法对采样获得的网侧三相不平衡相电压E_a、E_b和E_c按式(1)进行正负序分离，得到电网电压正序分量E_a^p、E_b^p和E_c^p：

其中

步骤3、三相三线制系统中电网电压不存在零序分量，则由式(2)获得电网电压负序分量E_aⁿ，E_bⁿ，E_cⁿ为：

步骤4、取任一相网侧正序相电压复矢量E^p和负序相电压复矢量Eⁿ，按式(3)计算系统复功率S：

其中：

E为网侧对应一相正序相电压复矢量E^p和负序相电压复矢量Eⁿ之和；

I^p和Iⁿ分别为网侧对应相正序电流复矢量和负序电流复矢量；

为对应一相正序电流复矢量和负序电流复矢量之和的共轭；

步骤5、令p为有功功率，q为无功功率，在整流电路中使用PWM整流器是为了获得网侧单位功率因数，在网侧实现单位功率因数时q＝0，即：

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

步骤6、有功功率的二倍频分量是造成有功功率脉动的根本原因，为抑制有功功率的脉动，令二倍频分量的系数为零，则有式(5)：

E^pIⁿ-EⁿI^p＝0 (5)

步骤7、对直流侧电压U_dc进行检测，将检测到的电压与直流侧给定电压相减得到直流侧电压的误差信号，误差信号经过PI调节器，在PWM整流器电压外环输出，作为指令电流信号正序分量的幅值根据式(5)获得指令电流负序分量幅值的计算公式如式(6)：

步骤8、将所述指令电流正序分量幅值和指令电流负序分量幅值分别与各对应相锁相得到的角度正弦值相乘获得指令电流正序分量和指令电流负序分量；实际指令电流为指令电流正序分量和指令电流负序分量之和。

图3a、图3b、图4a和图4b为给定网侧相电压92V，并给定单相40％的电压跌落，直流侧负载为53Ω的实验波形。实验过程，首先在程序中计算得到有功功率值，再将有功功率值由SPI通信发出用示波器观测得到波形。为了更清楚的观察直流侧电压波形，将对应通道AC耦合，只观测交流量。图3a和图4a为采用三相平衡的电流指令控制策略，其中e_a、e_b、e_c为网侧三相相电压，i_a、i_b、i_c为网侧三相相电流，P为网侧有功功率，u_dc为直流电压。由于网侧电压三相不平衡的原因，有功功率有400W左右的波动，直流侧电压有2V左右的波动；图3b和图4b为采用直接电流指令计算方法，可以看到有功功率和直流侧电压的二次脉动得到了有效的抑制。

实验过程中采用电能质量分析仪对网侧电流进行分析，发现采用三相平衡的电流指令控制策略测得网侧电流THD为2.35％，采用本发明中直接电流指令控制策略测得网侧电流THD为1.50％。

实验结果表明，本发明直接电流指令计算方法确实能省去复杂的指令电流计算，并且简化了控制方法，使得网侧电流THD减小，网侧电流波形也更趋近正弦，提升了控制效果。