[发明专利]电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在不平衡电网电压下电压源型整流器的控制方法，属于功率变换器控制领域。

背景技术

电压源型脉宽调制整流器具有网侧电压正弦化、单位功率因素、能量双向流动及恒定直流电压控制的优点，能够实现电能“绿色变换”，因此在工业直流电源、变频调速系统、无功功率补偿、新能源（如太阳能、风力发电）等领域有着广泛的应用前景。上述整流器优点是在假设电网电压平衡的前提下，利用电流内环和电压外环的双闭环线性控制策略和非线性控制策略实现的。但在工程实际中，电压源型整流器工作于不平衡状态（如幅相不平衡、电压突降、参数不平衡等），交流负序电流以及负序电压的存在，导致直流电压中将出现2、4、…次谐波，交流电流中将出现3、5、…次谐波，对整流器的性能产生不良影响，严重时会引起整个系统的急剧恶化。

目前国内外电网电压不平衡时电压源型整流器的控制策略，主要是设法消除或者抑制网侧电流的基波负序分量和有限次谐波分量以及直流电压中的谐波分量。在忽略进线电抗器的功率交换的情况下，抑制网侧输出有功功率的波动可以保持直流侧电容电压恒定且无二倍频波动；当电压源型整流器应用在大功率场合时，由于电力电子器件自身损耗的限制，其开关频率一般较低，进线电抗器上的功率波动不能忽略，此时若采用抑制网侧有功功率波动的控制策略，则电抗器上的有功功率波动需要直流侧功率波动来抵消，造成直流侧电容电压波动无法消除，造成电容的频繁充放电，严重时甚至影响整个系统的稳定运行。目前传统的方法是通过控制电压源型整流器交流端功率，理论上可消除直流电压波动，但是却存在电流指令的求解复杂，更多的变量引入使控制系统不易实现等，因此有必要寻求一种简单有效的增强直流侧电压稳定控制的方法。

此外，目前不平衡控制策略中一般采用比例积分（PI）、比例谐振（PR）控制器或者一些非线性控制器的电流内环，上述方法存在以下问题：1）需要通过滤波器或延时算法独立检测正负序电流，存在稳态误差或者时间延迟；2）采用锁相环获取同步信号，存在相移偏差和时间延迟；3）PI或者PR控制器的参数设计比较复杂，很难实现较好的电流跟踪精度和响应速度；4）非线性控制器参数依赖性大，同时计算量大导致实时性差，限制了该策略的使用等。因此，当电网电压发生暂态不平衡时，为了能使电压源型整流器能稳定可靠运行，对控制系统的响应速度和精确跟踪等性能要求更高，电流内环控制应能够提供一个相对高的带宽，保证对电流的快速精确跟踪，尽可能地减少瞬态跟踪时间。模型预测控制由于具有很好的动态特性，可以实现对参考值的精确跟踪，具有计算量小，易于数字化实现等优点，因此可以设计一种模型预测控制方法，将其应用到电网电压不平衡控制中，从而简化系统控制算法，改善系统的控制性能。

发明内容

本发明目的在于解决电网电压不平衡时电压源型整流器控制的现有问题，提供一种简单易于实现的增强直流侧电压稳定控制的模型预测电流控制方法，可以在静止坐标下保证对电流快速精确跟踪的同时有效消除直流侧电压的波动，改善系统的电能质量；同时实现电压源型整流器在暂态电网电压不平衡时的可靠并网运行，提高整个系统的动态性和稳定性。为了实现上述目的，本发明提出的电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法，采用以下技术方案：

一种电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法，包括下列步骤：

(1)设三相电网电压分别为e_a、e_b、e_c，三相电网电流分别为i_a、i_b、i_c，直流侧电压为U_dc，分别将三相电网电压和电流经abc/αβ坐标变换为两相静止坐标系下的电网电压e_α、e_β和电流i_α、i_β；

(2)对两相静止坐标系下的电网电压e_α、e_β进行正负序分量分离得到电网正序电压和负序电压

(3)使用数字陷波器滤除实际直流电压U_dc中存在的二次谐波干扰，然后计算U_dc与参考值U_dc，ref之间的误差，将此误差经过PI调节器运算后转化为系统有功功率参考值P_av，ref；

(4)整流器参考电流计算：

令PWM整流器系统平均无功功率参考值Q_av，ref为0，由下列表达式计算两相静止坐标下的参考电流正、负序分量：