CN101373897B - 同步旋转坐标系下的双闭环串级控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的一种同步旋转坐标系下的双闭环串级控制方法，采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略，并经锁相及旋转坐标变换，外环电压调节、电网电压前馈、指令提取、内环电流调节和三维空间矢量发生器汇集处理等步骤组成。该方法不仅能十分有效地解决电力电子技术综合应用中普遍存在的谐波问题，而且也克服了现有三相四线式有源电力滤波器系统存在的直流测电压利用率低的问题，因而也为功率器件的选型面的拓展以及整个运行网络系统所有设备的安全创造技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种无功补偿与谐波电流的解决方法，特别是一种同步旋转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制方法，属于有源电力滤波技术领域。
背景技术
随着电力电子技术与工业技术的发展，各种电力电子装置：如变流装置、变压器、电动机、发电机变速传动设备、电弧炉、焊接设备等非线性负载，已被广泛的应用于电力、冶金、矿山、钢铁、化工等领域。这些电力电子技术及有关设备的应用，一方面产生了巨大的经济效益，另一方面随之而产生的谐波问题，也严重污染着电网。大量由器械和电路产生的谐波电流，使供电电网的电容器和系统产生并联谐振，使谐波电流放大，导致电容器过载或损坏。此外，谐波电流还会使电力变压器、电缆、电动机的运行温度上升，导致机件损耗增加、并加速绝缘老化、最终使设备使用寿命缩短。同时，谐波也会使控制装置如程控制器、微机综合保护装置、数控设备等产生误动或拒动，严重影响整个机电设备的正常运行。
因此，如何有效地降低甚至消除谐波对供电网络系统和相关用电设备的不利影响，保证电力网络和设备安全运行已经成为电力行业和用户迫切期望解决的课题。
有源电力滤波器是解决谐波问题极为有效的方式，近年来国内外研究颇多。国外已有成熟产品应用，然而国内目前多处于研究阶段。现有有源电力滤波装置一般采用ABC三相坐标系下的控制策略，较易采用纯硬件实现。然而该种方式一般采用SPWM（正弦三角波PWM），直流侧电压利用率低，这对功率器件选型提出了较高要求。
发明内容
本发明的目的：旨在提出一种同步旋转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制方法，既能提高直流侧电压利用率，降低了功率器件选择压力，同时又利于实现数字控制。
这种同步旋转坐标系下的电压外环和电流内环的双闭环串级控制方法，采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略，由锁相及旋转坐标变换，外环电压调节、电网电压前馈、指令提取、内环电流调节和三维空间矢量发生器汇集处理诸步骤组成。
所述的锁相及旋转坐标变换，是分别对电网三相电压Usa、Usb、Usc、有源电力滤波装置输出的三相电流ifa、ifb、ifc以及负载电流ila、ilb和ilc进行旋转坐标变换，并且同时还应将电网三相电压经锁相处理；获得dq0坐标系下的电网电压分量Usd、Usq和Us0，获得有源电力滤波装置输出的三相电流分量ifd、ifq、if0，获得负载电流分量ild、ilq、il0。
所述的电网电压前馈处理是指对经旋转变换后获得的电网电压分量Usd、Usq和Us0进行前馈处理，获得对应的电网电压前馈量Usdf、Usqf和Us0f。
所述的指令提取，是指对经旋转变换后获得的负载电流分量中提取对应的指令电流ildh、ilqh、il0h。
所述的外环电压调节，是指在对电网三相电压、装置输出三相电流和负载电流进行坐标旋转变换的同时，用外环电压调节器对直流电压Udc-1和直流电压Udc-2的和与总电压给定Udc-r进行比较，经过电压外环调节器，产生控制直流侧总电压的d轴指令电流idcd；对电容C1两端的直流电压Udc-1和电容C2两端的直流电压Udc-2之间的电压差与平衡电压给定idc0进行比较，经过电压外环调节器产生控制直流侧电压平衡的0轴指令电流idc0。
所述的内环电流调节，是指将经电网电压前馈处理获得的电网电压前馈量Usdf、Usqf和Us0f、经旋转坐标变换的有源电力滤波装置输出的三相电流分量ifd、ifq和fi0、经指令提取后得到的指令电流ildh、ilqh和il0h、以及经外环电压调节器调节处理获得的指令电流idcd、idc0一起进行内环电流调节处理获得dq0坐标系下的指令ido、iqo和i0o。
最终由三维空间矢量发生器汇集dq0坐标系下的指令ido、iqo和i0o，并由其驱动整个系统中的开关器件。
根据以上技术方案提出的这种同步旋转坐标系下的电压、外环和电流内环的双闭环串接控制方法，不仅能十分有效地解决电力电子技术综合应用中普遍存在的谐波问题，而且也克服了现有三相四线式有源电力滤波器系统存在的直流测电压利用率低的问题；因而也为功率器件的选型面拓展以及整个运行网络系统所有设备的安全运行创造技术支持。
附图说明
图1为本发发明的控制策略框图
图2本发明控制策略应用电路
图中1-锁相 2-旋转坐标变换 3-外环电压调节 4-指令提取5-电网电压前馈 6-内环电流调节 7-三维空间矢量发生器 8-电压电流调理电路 9-载波滤波电路 9-1C型滤波器 10-数字信号处理器 11-人机接口 12-驱动电路 13-逆变桥 14-储能电路Usa、Usb、Usc为电网A相、B相、C相电压，ifa、ifb、ifc为装置输出的A相、B相、C相电流；ila、ilb、ilc为负载电流；Usd、Usq、Us0为d-q-0坐标系下的d轴、q轴和0轴上的电压分量；ifd、ifq、if0为d-q-0坐标系下的d轴、q轴和0轴上的负载电流分量；Udc-r为直流侧参考电压，Udc-1为直流侧电压一，Udc-2为直流侧电压二。
具体实施方式
以下结合附图1进一步阐述本发明并给出本发明的实施例。
这种同步旋转坐标系下的电压、外环和电流内环的双闭环串接控制方法，采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略，并经锁相及旋转坐标变换，外环电压调节、电网电压前馈、指令提取、内环电流调节和三维空间矢量发生器汇集处理等步骤组成。
（1）外环电压环调节的实现
对Udc-1和Udc-2电压的和与总电压给定Udc-r进行比较，经过电压外环调节器3，产生控制直流侧总参考电压的d轴指令电流idcd；对Udc-1和Udc-2电压的差与平衡电压给定0进行比较，经过电压外环调节器产生控制直流侧电压平衡的0轴指令电流idc0。
（2）内环电流环调节的实现
负载电流ila、ilb和ilc经旋转坐标变换2后得到dq0坐标系下的量ild、ilq和il0。Ild、ilq和il0经指令提取4后得到指令电流ildh、ilqh和il0h。
装置输出电流ifa、ifb和ifc经旋转坐标变换2后得到dq0坐标系下的量ifd、ifq和if0。
电网电压Usa、Usb和Usc经旋转坐标变换2后得到dp0坐标系下的量Usd、Usq和Us0，Usd、Usq和Us0经电网电压前馈5后得到电网电压前馈量Usdf、Usqf和Us0f。
ild、ilq、il0、ildh、ildqh、il0、Usdf、Usqf和Us0f经内环电流调节6后得到dq0坐标系下的指令ido、iqo和i0o。ido、iqo和i0o经三维空间矢量发生器7后得到最终的控制信号，用来驱动开关器件。
（3）电网电压前馈处理的实现
电网电压Usa、Usb和Usc经旋转坐标变换2后得到dq0坐标系下的量Usd、Usq和Us0，Usd、Usq和Us0经电网电压前馈5后得到电网电压前馈量Usdf、Usqf和Us0f。
电网电压前馈处理实际上是把同步旋转坐标系下的电网电压量进行一定的处理，得到的两加入到控制量中，这种方法即称为前馈。
附图2为本实用新型控制对象系统构成，包括整流逆变电路和控制电路，整流逆变电路由逆变桥13、储能电路14、滤波电路9构成，其特征是：控制电路包括电压电流检测电路8、单个数字信号处理器10、人机接口11和驱动电路12，其中，数字信号处理器10分别与电压电流检测电路8、人机接口11和驱动电路12相连，驱动电路12与逆变桥13臂上大功率开关管（S1S2S3S4S5S6）相连。
Claims (1)
1.一种同步旋转坐标系下的双闭环串级控制方法，其特征在于：采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制策略，由锁相及旋转坐标变换，外环电压调节、电网电压前馈、指令提取、内环电流调节和三维空间矢量发生器汇集处理诸步骤组成；
其中，所述的锁相及旋转坐标变换是分别对电网三相电压Usa、Usb、Usc、有源电力滤波装置输出的三相电流ifa、ifb、ifc以及负载电流ila、ilb和ilc进行旋转坐标变换，并且同时还应将电网三相电压经锁相处理；获得dq0坐标系下的电网电压分量Usd、Usq和Us0，有源电力滤波装置输出的三相电流分量ifd、ifq、if0，负载电流分量ild、ilq、il0；
所述的电网电压前馈处理是指对经旋转变换后获得的电网电压分量Usd、Usq和Us0进行前馈处理，获得对应的电网电压前馈量Usdf、Usqf和Us0f；
所述的指令提取，是指对经旋转变换后获得的负载电流分量中提取对应的指令电流ildh、ilqh、il0h；
所述的外环电压调节，是指在对电网三相电压、有源电力滤波装置输出三相电流和负载电流进行坐标旋转变换的同时，用外环电压调节器对储能电路（14）中电容C1两端的直流电压Udc-1和储能电路（14）中电容C2两端的直流电压Udc-2的和与总电压给定Udc-r进行比较，经过外环电压调节器，产生控制直流侧总电压的d轴指令电流idcd；对电容C1两端的直流电压Udc-1和电容C2两端的直流电压Udc-2之间的电压差与平衡电压给定进行比较，经过外环电压调节器产生控制直流侧电压平衡的0轴指令电流idc0；所述的内环电流调节，是指将经电网电压前馈处理获得的电网电压前馈量Usdf、Usqf和Us0f、经旋转坐标变换的有源电力滤波装置输出的三相电流分量ifd、ifq和if0、经指令提取后得到的指令电流ildh、ilqh和il0h、以及经外环电压调节器调节处理获得的指令电流idcd、idc0一起进行内环电流调节处理获得dq0坐标系下的指令ido、iqo和i0o；最终由三维空间矢量发生器汇集dq0坐标系下的指令ido、iqo和i0o，并由三维空间矢量发生器驱动整个系统中的开关器件。
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