一种涉及参数优化的pwm变流器的比例谐振控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种涉及参数优化的PWM变流器的比例谐振控制方法。该方法对比例谐振控制器在PWM变流器中的实施步骤进行了总体设计，给出了包含多个谐振控制器在内的比例谐振控制器的参数优化方法。所述方法不仅能够满足理想电网条件下PWM变流器的控制需要，尤其适用于电网电压不平衡、含有低次电力谐波等复杂电网工况下的PWM变流器的穿越运行控制，从而提高设备的故障电网运行能力。本发明所述PR控制器参数设计（优化）方法简便可行，便于工程化实现，可方便地移植到PWM整流器、并网逆变器、电力有源滤波器、双馈风电变流器等应用场合。
【专利说明】一种涉及参数优化的PWM变流器的比例谐振控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种涉及参数优化的PWM变流器的比例谐振控制方法，不仅适用于理 想电网条件下PWM整流器、PWM逆变器或其他并网变流器的有效控制，更可在电压不平衡、 谐波畸变等恶劣电网环境下提高该类并网设备的故障穿越运行能力。特别地，本发明给出 了比例谐振控制器的参数设计方法，提高了所述控制策略的工程实用性。
【背景技术】
[0002] PWM变流器在电力有源滤波器、不间断电源、电力驱动系统以及分布式发电系统具 有广泛应用。无论是工作在整流或是逆变状态，PWM变流器控制中一个关键问题是确保电 流指令的无静差跟踪（零稳态）和调节过程的快速性。
[0003] 在基于旋转坐标变换的矢量控制方案中，比例积分（PI)调节器因能实现对直流 量的无静差调节、易于调谐且鲁棒性好等优点，常作为PWM变流器电流控制系统中的优选 调节器。但这类电流控制方案有两个明显不足：1)当受控电流发生不平衡或谐波畸变时， PI调节器在高频部分幅值裕度较低，难以做到对电流指令的快速、无静差调节；2)为实现 交流采样信号至直流量的变换，以及电压指令调制前所需的直流至交流量的反变换，数字 实现时需要大量的旋转坐标变换，占用一定的计算资源。
[0004] 为了克服以上两点不足，一种称作比例谐振（proportional resonant, PR)控 制器的线性控制器获得了广泛关注。PR控制器的优点是可在静止U β)参考坐标系 下实现控制，且能够同时对谐振频率的正序、负序交流信号提供理想增益，进而实现受控 信号的无静差调节。PR控制器的谐振部分也被称作广义交流积分器（generalized ac integrator, GI)，是控制器的核心，当采用多个不同谐振频率的谐振控制器并联时，可以实 现对多个谐波分量的集中、快速调节。
[0005] 尽管PR控制器在并网逆变器、动态电压恢复器、有源电力滤波器、双馈风电变流 器等中的试验应用已见初步应用，但如何从系统稳定性角度对该类控制器进行参数优化， 一直是业界关注的焦点和难点问题。特别地，当该类变流器并网端电压不平衡（或不对称 跌落）、谐波畸变时，PR控制器需要调节的信号中可能含有多个高次谐波分量，PR控制器的 实施步骤是否正确、参数设计方法是否便捷是该类方法能否得到有效执行的关键。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种计涉及参数优化的PWM变流器的 比例谐振控制方法，通过合理设计控制流程、优化PR控制器的参数，提高PWM变流器的故障 穿越运行能力。
[0007] 本发明的的目的是通过以下技术方案来实现的：一种涉及参数优化的PWM变流器 的比例谐振控制方法，包括以下步骤：
[0008] 1.利用一组（三个）电压霍尔传感器采集滤波电抗器进线端的三相电压uab。，利 用一组（三个）电流霍尔传感器采集滤波电抗器进线端的三相电流Iab。，利用一个电压霍尔 传感器采集直流母线电容器的端电压ud。；
[0009] 2.将步骤1得到的滤波电抗器进线端的三相电压Uab。经过CLARKE变换，得到静止 参考坐标系下滤波电抗器进线端的两相电压U a e ;将步骤1得到的滤波电抗器进线端的三 相电流Isab。经过CLARKE变换，得到静止参考坐标系下电流环的反馈电流I a e ;
[0010] 3.将步骤2得到的静止参考坐标系下滤波电抗器进线端的两相电压Ua e送入传 统的基于正转同步速旋转坐标系的锁相环（PLL)，得到电网电压的角速度ω i和电网电压的 位置角Θ ;
[0011] 4.将直流母线电容器的电压指令减去步骤1获得的直流母线电容器的端电压 ud。，得到直流母线电压误差AUd。，将AUd。送入电压环比例积分（PI)调节器，获得电流环的 有功电流指令
[0012] 5.将步骤4得到的电流环的有功电流指令< 和电流环的无功电流指令<进行矢 量求和，得到电流环的合成电流指令/1,;
[0013] 6.利用步骤3得到的电网电压的位置角Θ将步骤5得到的4进行PARK逆变换， 得到静止参考坐标系下电流环的参考电流
[0014] 7.将步骤6得到的电流环的参考电流减去步骤2获得的电流环的反馈电流 Ια0，得到电流环跟踪误差ΛΙα0，将ΛΙα0送入比例谐振（PR)控制器，得到比例谐振控制 器的输出电压Ea e ;
[0015] 所述比例谐振（PR)控制器包括：一个比例控制器和4个谐振频率分别为基频 (50Hz，k = 1)、5 倍频（250Hz，k = 5)、7 倍频（350Hz，k = 7)、11 倍频（550Hz，k = 11)的 谐振控制器，其传递函数为：
[0016]
【权利要求】
1. 一种涉及参数优化的PWM变流器的比例谐振控制方法，其特征在于，包括以下步骤： Al.利用一组（三个）电压霍尔传感器采集滤波电抗器进线端的三相电压Uab。，利用一 组（三个）电流霍尔传感器采集滤波电抗器进线端的三相电流Iab。，利用一个电压霍尔传感 器采集直流母线电容器的端电压Ud。； A2.将步骤Al得到的滤波电抗器进线端的三相电压Uab。经过CLARKE变换，得到静止参 考坐标系下滤波电抗器进线端的两相电压Uae ;将步骤Al得到的滤波电抗器进线端的三相 电流Isab。经过CLARKE变换，得到静止参考坐标系下电流环的反馈电流Iae ; A3.将步骤A2得到的静止参考坐标系下滤波电抗器进线端的两相电压Uae送入传统 的基于正转同步速旋转坐标系的锁相环，得到电网电压的角速度％和电网电压的位置角 Θ; A4.将直流母线电容器的电压指令C4减去步骤Al获得的直流母线电容器的端电压Ud。，得到直流母线电压误差AUd。，将AUd。送入电压环比例积分调节器，得到电流环的有功 电流指令心； A5.将步骤A4得到的电流环的有功电流指令/;和电流环的无功电流指令< 进行矢量 求和，得到电流环的合成电流指令4 ; A6.利用步骤A3得到的电网电压的位置角Θ将步骤5得到的进行PARK逆变换，得 到静止参考坐标系下电流环的参考电流; A7.将步骤A6得到的电流环的参考电流/<减去步骤A2获得的电流环的反馈电流 Iae，得到电流环跟踪误差ΛIae，将ΛIae送入比例谐振控制器，获得比例谐振控制器的 输出电压Eae ; Α8.将步骤Α2得到的滤波电抗器进线端的两相电压Uae减去步骤Α7获得的比例谐振 控制器的输出电压Eae，得到所需的空间矢量调制电压Vae ; A9.将步骤A8获得的Vae进行空间矢量调制，获得PWM变流器的开关信号，即可实现 对PWM变流器的有效控制。
2. 根据权利要求1所述的一种涉及参数优化的PWM变流器的比例谐振控制方法，其特 征在于，所述步骤A7中，所述比例谐振控制器包含一个比例控制器和4个谐振频率分别为 基频、5倍频、7倍频、11倍频的谐振控制器，其传递函数为：
式中，k为谐波次数，Kp为比例谐振控制器的比例系数，Krit为k倍频谐振控制器的谐振 系数。
3. 根据权利要求1或2所述的一种涉及参数优化的PWM变流器的比例谐振控制方法， 其特征在于，所述比例谐振控制器包含如下参数设计步骤： BI.利用根轨迹法获得比例谐振控制器的比例系数Kp和基频谐振控制器的谐振系数Krt ;具体为：通过电流环的开环传递函数得到电流环的闭环根轨迹，选取根轨迹上阻尼比 ξ= [0.4,0.8]的极点，得到此时电流环开环增益的取值区间，进而可得到&、1^的取值范围； B2.令多倍频谐振控制器带宽c〇bw取为（0.5?0.7)W1，利用频域分析法设计多倍频 谐振控制器的谐振系数IU，其计算方程为：
式中：ω。=kc〇1+c〇bw/2,为多倍频谐振控制器的截止频率；Lg、Rg分别为滤波电抗器的 电感和电阻。
【文档编号】H02J3/24GK104269869SQ201410510291
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】白恺, 宋鹏, 徐海亮, 刘少宇, 刘京波, 刘汉民, 马步云, 孙丹 申请人:国家电网公司, 华北电力科学研究院有限责任公司, 国网新源张家口风光储示范电站有限公司, 中国人民解放军装甲兵工程学院, 浙江大学