本发明涉及一种Vienna整流器控制方法，特别涉及一种适用于电网电压出现谐波或塌陷情况下有效改善网侧电流波形质量的控制方法，属于电网并网控制领域。
背景技术：
：电网中普遍存在电压三相不平衡，电压塌陷，电压谐波等电能质量问题，此类问题直接影响着用电负荷的可靠运行。目前直流电网和混合直流电网快速发展，若交流电网中存在谐波，则会部分注入直流微网中，其中的谐波电流会引起直流侧电压的波动，进而影响直流电网的供电可靠性，同时直流电网也会反作用于交流电网，产生更大的危害。因此整流器对于电能质量问题的应对显得尤为重要。传统控制方法仅仅基于理想电压条件，直接采用电压采样信号作为参考，容易受电网波动的影响，稳定性和可靠性不高。尤其是针对电网背景谐波以及电力电子器件运行引起的电压塌陷问题，传统控制方法在处理电能质量问题和提高电流跟踪精度两方面应对不足。技术实现要素：本发明适用于电网电压出现扰动情况下的Vienna整流器控制方法公开了新的方案，采用锁相环提取电压采样信号的基波分量作为电流跟踪参考信号，解决了现有控制方案电流跟踪精度不足的问题。本发明适用于电网电压出现扰动情况下的Vienna整流器控制方法，控制系统包括输入电压US采样模块、输入电感电流iL采样模块、输出滤波电容电压UC采样模块、PI控制器、PWM模块，输入电压US采样模块通过abs整流桥采样输入电压US信号与输出滤波电容电压UC采样模块通过PIC控制器处理后的采样电压环输出相乘得到电流环参考信号iref，电流环参考信号iref与输入电感电流iL采样模块采样得到的电流信号相减得到电流误差信号ierr，电流误差信号ierr通过PI控制器处理后减小至稳定工作点，信号通过PWM模块处理后驱动开关器件S动作，采用锁相环提取输入电压Us信号基频分量的相位信号作为电流信号的参考信号，屏蔽采样电压中的谐波分量，使得电流跟踪正弦无畸变。进一步，本方案采用重复控制模块与PI控制器并联形成复合控制电流环，在一个工频周期后，通过重复控制内模对误差进行累加，改善电流环跟踪效果，复合控制电流环包括周期延时环节z-N、辅助补偿器Q(z)、受控对象补偿器S(z)、超前环节zk、比例积分控制环节PI，将锁相环信号与电压环输出相乘得到电流环的参考信号iref，iref与电流采样信号相减得到电流误差信号ierr，负载产生突变或扰动，实际电流偏离参考值，PI控制器调整电流偏差，一个周期后重复控制检测到跟踪误差ierr，重复控制内模对电流误差进行逐周期累加直至ierr趋近0，通过PI控制器的快速响应与重复控制模块的精准跟踪改善电流波形质量。本发明适用于电网电压出现扰动情况下的Vienna整流器控制方法采用锁相环提取电压采样信号的基波分量作为电流跟踪参考信号，屏蔽采样电压中的谐波分量，使得电流跟踪正弦无畸变，具有电流跟踪精度高的特点。附图说明图1为三相四线制Vienna整流器拓扑结构示意图。图2为电压塌陷FFT分析图。图3为三相四线制Vienna整流器的单相传统控制示意图。图4为本方案的基于重复控制的改进型电流跟踪控制示意图。图5为本方案的复合控制电流环原理示意图。图6为复合控制中函数特性曲线图。图7、8为谐波情况下传统控制电流波形图。图9、10为谐波情况下复合控制电流波形图。图11为传统控制下直流侧电压波形图。图12为复合控制下直流侧电压波形图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步说明。本发明适用于电网电压出现扰动情况下的Vienna整流器控制方法公开了一种基于重复控制的改进型电流跟踪方法，首先对电网电压谐波与周期性塌陷的本质进行了分析，然后提出了在电网电压扰动的情况下提高电流跟踪精度，改善网侧电流波形质量的控制过程。具体包括以下内容。⑴电网电压谐波与周期性塌陷。通过对电压塌陷的波形进行傅里叶分析，可以得到其中的高频谐波分量，因此可认为其与谐波问题对Vienna整流器造成的影响相同，故归为同一问题进行解决。如图1所示，三相四线制Vienna整流器拓扑结构示意图。其中，交流侧的电感L起到传递能量，抑制高次谐波，平衡桥臂终端电压和电网电压的作用，输出滤波电容C1、C2为高次谐波电流提供低阻抗通路，减少直流电压纹波，平衡中点电位的作用，三相中的每相都由一个全控开关器件S、四个二极管组成双向开关。当电网中接入由晶闸管桥构成的整流性负载时，电网电压会在晶闸管开断瞬间出现周期性凹陷，由此可以模拟出电压塌陷波形。如图2所示，对塌陷波形进行FFT分析，可以看出其除了基波分量外，还含有较多的高次谐波分量,其中以5,11,17次谐波为主。因此电压塌陷问题也可以看作是理想基频电压中，混入了高次谐波。⑵电流跟踪。利用锁相环，提取电压采样信号的基波分量作为电流跟踪参考信号。这样可以屏蔽采样电压中的谐波分量，使得电流跟踪正弦无畸变。如图3所示，三相四线制Vienna整流器的单相传统控制示意图。控制系统包括输入电压US采样模块、输入电感电流iL采样模块、输出滤波电容电压UC采样模块、PI控制器、PWM模块，输入电压US采样模块通过abs整流桥采样输入电压US信号与输出滤波电容电压UC采样模块通过PIC控制器处理后的采样电压环输出相乘得到电流环参考信号iref，电流环参考信号iref与输入电感电流iL采样模块采样得到的电流信号相减得到电流误差信号ierr，电流误差信号ierr通过PI控制器处理后减小至稳定工作点，信号通过PWM模块处理后驱动开关器件S动作。如图2所示，采用锁相环提取电压信号Us基频分量的相位信号，作为电流信号的参考信号，当Us含有高次谐波时，其基频信号为理想正弦信号。理想情况下，电网电流可以有效跟踪该信号，实现正弦无畸变。⑶复合控制。传统PI控制跟踪精度有限，引入重复控制与PI控制并联，改善电流环跟踪效果，提高电流波形质量。如图2、3所示，锁相环信号与电压环输出相乘，得到电流环的参考信号，其与电流采样信号相减，得到电流误差信号。该误差信号通过PI控制迅速减小，到稳定工作点附近。一个工频周期后，通过重复控制内模对误差进行累加，实现更好的控制效果。具体是，采用重复控制模块与PI控制器并联形成复合控制电流环，在一个工频周期后，通过重复控制内模对误差进行累加，改善电流环跟踪效果，复合控制电流环包括周期延时环节z-N、辅助补偿器Q(z)、受控对象补偿器S(z)、超前环节zk、比例积分控制环节PI，将锁相环信号与电压环输出相乘得到电流环的参考信号iref，iref与电流采样信号相减得到电流误差信号ierr，负载产生突变或扰动，实际电流偏离参考值，PI控制器调整电流偏差，一个周期后重复控制检测到跟踪误差ierr，重复控制内模对电流误差进行逐周期累加直至ierr趋近0，通过PI控制器的快速响应与重复控制模块的精准跟踪改善电流波形质量。建立Vienna整流器的数学模型，根据伏秒特性，可得一个控制周期内，电感电流动态方程：diLdt=us-Uo/2L,KT≤t<KT+td2usL,KT+td2≤t<KT+T-td2us-Uo/2L,KT+T-td2≤t<KT+T]]>由此可以得到如图3所示传统控制方法结构图。通过对比图3与图4可以发现改进的电流跟踪方法在以下两方面做出改进：①电流跟踪：采用锁相环提取电压信号Us基频分量的相位信号，作为电流信号的参考信号。当Us含有高次谐波时，其基频信号为理想正弦信号。理想情况下，电网电流可以有效跟踪该信号，实现正弦无畸变。②复合控制：传统PI控制跟踪精度有限，引入重复控制与PI控制并联，改善电流环跟踪效果，提高电流波形质量。如图5所示，可以得到复合控制电流结构。iref为电流参考信号；iL为实际电感电流，ierr为偏差电流；z-N为周期延时环节，Q(z)为辅助补偿器，S(z)为受控对象补偿器，zk为超前环节，PI为比例积分控制环节，K为占空比到电压比例系数，其值为Uo/2。具体控制方法为将锁相环信号与电压环输出相乘得到电流环的参考信号，其与电流采样信号相减，得到电流误差信号ierr。稳态情况下，误差信号较小，跟踪效果良好。当出现负载突变或者较大扰动时，实际电流偏离参考值，此时PI迅速做出反应，改善跟踪效果。一个周期后，重复控制检测到跟踪误差ierr，内模对于误差进行逐周期累加，直到最终ierr趋向于0。通过PI控制的快速响应与重复控制的精准跟踪，可以实现更好的控制效果，改善电流波形质量。计算图5中闭环脉冲传递函数为：iL(z)iref(z)={GPI(z)-z-N[QGPI(z)-C(z)]}KG(z)1+GPI(z)G(z)1-z-N[Q-C(z)KG(z)1+GPI(z)G(z)]]]>其中，C(z)＝zkS(z)，令由上式可得到系统特征方程：1-z-N[Q-C(z)P(z)]＝0对于离散控制系统，当且仅当特征方程的所有根都位于单位圆内，系统才能稳定。但本方案中基频fs＝50Hz，采样频率fc＝20kHz，N＝400，属于高阶方程，因此采用另一种方法判断稳定性。可以将以上方程转变为：zN＝Q-C(z)P(z)设Zi(i＝1,2...,N)为特征方程的根,若∣Zi∣＜1，则∣Zi∣N＜1。则定义H(z)＝∣Q－C(z)P(z)∣，这样可知当H(z)＜1时，系统必然稳定。Q按照工程经验取0.95，P(z)可以看成系统的等效控制对象，因此需要设计合理的补偿函数S(z)对被控对象进行补偿，以实现控制目标。由P(z)幅频特性可知，在中低频处存在-40dB的增益，相位不存在滞后,所设计的二阶滤波器S(z)应满足补偿后低频相互抵消，高频衰减的原则。可以看出S(z)P(z)在低频段增益为零，高频段快速衰减，但是S(z)P(z)在中频段存在一定相位滞后，因此引入超前环节zk对相位进行补偿，该环节对幅频特性曲线无影响，k的大小取决于S(z)和P(z)总的相位偏移。如图6所示，为复合控制函数特性曲线。可以看出补偿后的zkS(z)P(z)在幅频曲线上，在低频处零增益，在中高频处迅速衰减。在相频曲线方面，在中低频处无相位偏移。最终保证系统对于工频信号无衰减，对于工频的谐波信号具有明显的抑制效果。基于以上分析，在采样频率为20kHz时，针对P(z)，本文设计的补偿函数为：C(z)=2.769z+1.569z2-1.19z+0.2336·z5]]>与传统方法相比，本方案可有效应对电压谐波与塌陷等电能质量问题。可以有效减小网侧电流谐波含量，改善电流波形质量，减小输出电压纹波，维持良好的可靠性和稳定性。以下对本发明提供的一种Vienna整流器的基于重复控制的改进型电流跟踪方法进行具体验证。为了验证本方案的正确性及有效性，搭建了三相四线制Vienna整流器的样机模型，具体样机参数如下表所示：实验装置主控制器采用DSP+FPGA的方式，实现全数字化控制。采用TMS320、F28335DSP芯片作为系统的主控芯片实现数据处理和核心控制算法，FPGA完成数据的快速收发。通过图7、8可以发现传统方法电流波形存在明显的畸变，而图9、10中采用本方案后，电流波形畸变明显减小，波形质量更好，有效提高了跟踪精度。通过对比图11与图12可以发现，本方案的直流侧电压纹波更小，输出特性更好。因此，本方案拥有更好的谐波抑制特性，有效地降低了电网电流的畸变程度，电流跟踪效果更好，波形质量有了明显的提高，同时也能减小直流侧电压波动，使得直流输出更稳定。上述方案中涉及的电器、电路、模块以及电子元器件除特别说明之外，根据其实现的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案，也可以根据实际需要选择其他设计和方案。本方案针对三相四线制Vienna整流器公开了一种基于重复控制的改进型电流跟踪方法，弥补了传统控制在应对电能质量问题和电流跟踪效果两方面的不足，主要涉及以下几个方面：⑴针对电网背景谐波以及周期性塌陷，取锁相环输出信号作为电流跟踪信号，屏蔽电压谐波信息；⑵引入重复控制与传统PI控制并联，合理设计重复控制器参数，改进电流跟踪效果。本方案的适用于电网电压出现扰动情况下的Vienna整流器控制方法具有以下优点：⑴本方案主要抑制电网电压谐波对于网侧电流的影响，有效解决电能质量问题，具有较好的可靠性和稳定性，同时控制简单灵活，易于实现。⑵本发明电流跟踪精度高，网侧电流波形质量好。⑶本发明保留了PI控制的通道，维持良好的动态性能。⑷本发明中网侧电流谐波含量的降低，也减小了直流侧电压的波动，保证良好的输出性能。因此，本方案与现有技术相比能够有效改善网侧电流质量，维持直流侧电压稳定，具有突出的实质性特点和显著的进步。本方案的适用于电网电压出现扰动情况下的Vienna整流器控制方法并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。当前第1页1 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