技术领域本发明涉及一种不平衡电网电压下电压型PWM整流器的控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域，特别是一种不平衡电网电压下PWM整流器无差拍控制方法。
背景技术：
电压型PWM整流器具有功率因数可控、输入电流谐波少、输出直流电压稳定和能量能够双向流动等优点，在交流电气传动、有源电力滤波、无功功率补偿、高压直流输电及新能源并网发电等领域得到了广泛的应用。无差拍控制在每一个开关周期都实现下一周期开始时给定值的预测，从而来控制系统，具有算法简单、控制精确、动态响应快等优点。基于无差拍的直接功率控制方法无需锁相环，无需旋转坐标变换，且实现了恒频控制。目前对三相电压型PWM整流器控制方法的研究主要是针对电网电压平衡下的，实际中当电网发生不对称故障或三相负载不平衡时会导致电网电压不平衡。在电网电压不平衡下，电网电压和电流将产生正、负序分量，导致有功、无功功率波动以及交流侧电流畸变不平衡，严重影响系统性能。针对电网电压不平衡下三相PWM整流器的控制，有学者提出了基于静止坐标系下的无差拍控制方法，该方法无需旋转坐标变换，但是其功率补偿计算仍需要正、负序分量提取。因此，有必要设计一种不平衡电网电压下PWM整流器无差拍控制方法，使得控制系统运行时，不需要正、负序分离就可以对PWM整流器的功率波动进行补偿，从而实现网侧电流对称正弦、消除有功功率波动、消除无功功率波动三个不同控制目标，提高了系统性能，简化了系统结构。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供了一种不平衡电网电压下PWM整流器无差拍控制方法，使得控制系统运行时，不需要正、负序分离就可以对PWM整流器的功率波动进行补偿，从而实现网侧电流对称正弦、消除有功功率波动、消除无功功率波动三个不同控制目标，提高了系统性能，简化了系统结构。本发明的技术方案为：一种不平衡电网电压下PWM整流器无差拍控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测三相电网相电压、三相PWM整流器输入相电流和直流母线电压；(2)、将步骤(1)检测到的三相电网相电压和三相PWM整流器输入相电流经Clarke变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流；(3)、根据步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压和输入电流计算系统瞬时有功功率和无功功率；(4)、将直流母线电压给定值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差，经过PI控制器得到电网电压平衡下的有功功率给定值，令电网平衡下的无功功率给定值为0；(5)、将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压经90°延迟后和步骤(2)得到的电网电压平衡下的有功功率给定值经过补偿功率计算得到电网电压不平衡下的有功功率和无功功率补偿值；(6)将步骤(4)得到的电网电压平衡下的有功功率、无功功率给定值和电网电压不平衡下的有功功率、无功功率补偿值经过给定功率计算模块得到电网电压不平衡下的有功功率、无功功率给定值；(7)将步骤(3)得到的电网瞬时有功功率、无功功率和步骤(6)得到的电网电压不平衡下的有功功率、无功功率给定值经过无差拍控制器计算得到两相禁止坐标系下的输入电压参考值，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。附图说明图1为三相电压型PWM整流器主电路结构图；图2为本发明控制系统的结构原理图；图3为未采用本发明控制方法的波形图；图4为采用本发明控制目标1的波形图；图5为采用本发明控制目标2的波形图；图6为采用本发明控制目标3的波形图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步说明。三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示，ea、eb、ec为三相电网相电压，ia、ib、ic为三相PWM整流器输入相电流，va、vb、vc为三相PWM整流器交流侧相电压，L、R为三相交流电抗器的电感和等效电阻，C为直流滤波电容，RL为直流侧负载等效电阻。电网电压不平衡下，对于三相无中线系统，电网电压矢量、电网电流矢量和整流器交流侧电压矢量可以分别表示为(1)(2)式中，上标p、n分别代表正、负序分量；下标、分别代表静止坐标系、轴分量；下标d、q分别代表旋转坐标系d、q轴分量，为电网电压角频率。根据瞬时功率理论，电网侧复功率S可表示为(3)(4)根据式(1)-(4)可得(5)(6)式中，p0、q0分别为有功功率、无功功率的直流分量；pc2、qc2分别为有功功率、无功功率2倍频余弦分量幅值；ps2、qs2分别为有功功率、无功功率2倍频正弦分量幅值。对于三相无中线系统，电网电压不平衡时，三相电网电压可以表示为(7)式中，、、分别为三相电网电压正序分量；、、分别为三相电网电压负序分量。根据Clarke变换可得(8)根据式(1)和式(2)可得(9)根据式(7)-(9)可得(10)(11)根据对称分量法，三相电网电压的正、负序分量可以表示为(12)(13)式中，a=ej2π/3。由式（8）可得(14)根据式(10)-(14)可得(15)(16)由式(1)和式(2)可得(17)根据式(15)-(17)可得(18)(19)由式(18)和式(19)可知，dq坐标轴上的正、负序电压分量可以用坐标轴上的电压分量与滞后其90°的电压分量表示。同理可得(20)(21)将式(18)、(20)代入到式(6)中，可得(22)设电网电压平衡时有功、无功功率的参考值分别为pref-bal、qref-bal，则电网电压不平衡时，有功、无功功率补偿值pcomp、qcomp与其参考值pref、qref之间的关系可以表示为(23)由于算法自身缺陷，并不能在保证网侧电流对称正弦的同时消除有功功率和无功功率波动，所以本发明提出以下3个控制目标：目标1：消除网侧负序电流，降低网侧电流谐波含量，获得对称、正弦的电网电流，使PWM整流器运行在平均单位功率因数状态下，即(24)根据式(6)、(18)、(20)、(24)可得(25)式中，，且D1≠0。根据式(4)、式(23)和式(25)，整理可得电网电压不平衡下有功、无功功率补偿值(26)目标2：消除有功功率2倍频波动，降低网侧电流谐波含量，获得正弦的电网电流，使PWM整流器运行在平均单位功率因数状态下，即(27)根据式(22)和式(27)可得(28)式中，D2=2eαeβ⊥-2eβeα⊥，且D2≠0。根据式(4)、式(23)和式(28)，整理可得电网电压不平衡下有功、无功功率补偿值(29)目标3：消除无功功率2倍频振荡，降低网侧电流谐波含量，获得正弦的电网电流，使PWM整流器运行在平均单位功率因数状态下，即(30)根据式(22)和式(30)可得(31)式中，,且D3≠0。根据式(4)、式(23)和式(31)，整理可得电网电压不平衡下有功、无功功率补偿值(32)根据式(23)、(26)、(29)、(31)，可以得到电网电压不平衡下本发明三种控制目标下的有功功率给定值pref和无功功率给定值qref。无差拍控制器可以表示为(33)式中，pref(k+1)、qref(k+1)分别为(k+1)Ts时刻电网瞬时有功功率、无功功率给定值；p(k)、q(k)分别为kTs时刻电网瞬时有功功率、无功功率；e(k)、v(k)分别为kTs时刻电网电压、和整流器输入电压参考值，TS为PWM整流器开关周期。将计算得到的(k+1)Ts时刻的有功功率给定值pref(k+1)、无功功率给定值qref(k+1)和计算得到的kTs时刻的瞬时有功功率p(k)、瞬时无功功率q(k)经过式(33)计算得到两相静止坐标系下的输入电压参考值，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。图2为本发明控制系统的结构原理图，其控制方法具体包括如下步骤：(1)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网相电压ea(k)、eb(k)、ec(k)，三相PWM整流器输入相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)和直流母线电压vdc(k)；(2)、将步骤(1)检测到的三相电网相电压ea(k)、eb(k)、ec(k)，三相PWM整流器输入相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)经Clarke变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压、和输入电流、；(3)、根据步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压和输入电流计算系统瞬时有功功率p(k)和无功功率q(k)；(4)、将直流母线电压给定值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值vdc(k)做差，经过比例积分控制器得到电网电压平衡下的有功功率给定值pref-bal(k)，令电网平衡下的无功功率给定值qref-bal(k)为0；(5)、将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压、经90°延迟后和步骤(2)得到的电网电压平衡下的有功功率给定值pref-bal(k)经过补偿功率计算得到电网电压不平衡下的有功功率补偿值pcomp(k)和无功功率补偿值qcomp(k)；(6)将步骤(4)得到的电网电压平衡下的有功功率给定值pref-bal(k)、无功功率给定值qref-bal(k)和电网电压不平衡下的有功功率补偿值pcomp(k)、无功功率补偿值qcomp(k)经过给定功率计算模块得到电网电压不平衡下的有功功率给定值pref(k)和无功功率给定值qref(k)；(7)将步骤(3)得到的kTs时刻电网瞬时有功功率p(k)、无功功率q(k)和步骤(6)得到的(k+1)Ts时刻电网有功功率给定值pref(k+1)、无功功率给定值qref(k+1)经过无差拍控制器计算得到kTs时刻两相静止坐标系下的输入电压参考值、，该电压信号经过空间矢量脉宽调制后，产生控制功率器件的开关信号。图3为未采用本发明控制方法的波形图，当电网电压不平衡时，虽然可以获得较为平稳的有功功率和无功功率，但是电流发生了畸变不平衡。图4为采用本发明控制目标1的波形图，虽然有功和无功2倍频波动较为明显，但是消除了网侧负序电流，获得了对称、正弦的电网电流。图5为采用本发明控制目标2的波形图，虽然网侧电流对称性不是很好，但消除了有功功率2倍频波动，获得了正弦的电网电流。图6为采用本发明控制目标3的波形图，虽然网侧电流对称性不是很好，但消除了无功功率2倍频波动，获得了正弦的电网电流。综上所述，电网电压不平衡时本发明的控制方法在不需要正、负序分离就可以对PWM整流器的功率波动进行补偿，从而实现网侧电流对称正弦、消除有功功率波动、消除无功功率波动三个不同控制目标，提高了系统性能，简化了系统结构。