基于虚拟同步电动机的三相PWM整流器多环路控制电路及控制方法与流程
本发明涉及PWM整流器的控制技术，尤其是一种基于虚拟同步电动机的三相PWM整流器多环路控制电路及控制方法。
背景技术：
全球能源互联网战略构想的提出，加速推动了区域电网向高比例清洁能源时代迈进。在电源侧，新能源发电能够灵活接入大电网的需求，促进了微电网概念和虚拟同步发电机技术的产生和发展。VSG技术通过模拟同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器能够响应电网异常事件、参与电网调节。
同时，在负荷侧，越来越多的负荷通过整流装置和电网相连，类比于电源侧，如果能够通过控制并网整流器，使大量通过整流装置并网的典型负荷具备同步电动机的惯性、阻尼特性、有功调频、无功调压特性等运行外特性，无疑将对电网的稳定产生有益影响。
因此，关于典型可控负荷通过整流器灵活接入电网、主动参与电网调节等问题已经引起业界关注。
技术实现要素：
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种基于虚拟同步电动机的三相PWM整流器多环路控制电路及控制方法。
技术方案：本发明的一种基于虚拟同步电动机的三相PWM整流器多环路控制电路，包括：
功率和转矩计算模块，该模块接收整流器输入侧的三相电压和三相电流，输出无功功率计算值和电磁转矩。
锁相环模块，该模块接收整流器输入侧的三相电压，输出电压幅值及角频率值。
功率控制模块，该模块接收整流器直流侧输出电压与其参考值的比较值，无功功率计算值，电磁转矩，输出电压角频率，机械转矩以及给定的无功功率参考值，输出电压指令值和相角指令值。
电压电流双环模块，上述电压指令值和相角指令值经过三相电压参考生成整流器桥臂中点电势和整流器输入侧的三相电压以及三相电流值，一起作为该电压电流双环模块的输入信号，并输出调制波信号。以及
PWM调制模块，该模块接收上述调制波信号，输出PWM驱动信号，控制开关管的通断，控制整流器输出指定电压信号。
其中，所述功率控制环模块包括有功-频率控制环和无功-电压控制环。
进一步的，所述有功-频率控制环包括PI控制器；
整流器直流侧电压与其参考值比较后经过PI控制器，输出机械转矩；其与电磁转矩一起输入比例积分器，输出角频率指令值，再经积分器后输出相角指令值；另一路角度频率指令值与额定角频率值合成后乘以下垂系数并反馈到比例积分器的输入端与机械转矩和电磁转矩合成后作为积分器的输入。
进一步的，所述无功-电压控制环电路包括比例积分器，额定电压有效值与实际输入电压有效值合成后乘以下垂系数，然后与无功功率计算值以及无功功率给定值合成，输入到比例积分器，输出电压指令值。
再者，所述电压电流控制双环包括：
通过计算得到的参考电压eabc,ref经过Park变换转到dq坐标系下，电压d轴指令值ed与测量值进行比较，通过PI调节器后的输出作为电流环d轴分量的给定值，同样的电压q轴指令值eq与测量值进行比较，通过PI调节器后的输出作为电流环q轴分量的给定值；
电流内环经过PI调节器，并加入交叉解耦分量解除d、q轴间的耦合作用，输出最后的调制信号，经过调制器产生PWM驱动信号。
一种基于该控制电路的控制方法，包括以下步骤：
S1、计算功率和转矩；
S2、由锁向环计算电压幅值和角频率值；
S3、功率控制；
S4、电压电流双环控制；
S5、PWM调制。
其中，所述步骤S3包括：
测量整流器交流侧的三相电压和电流，根据瞬时功率理论计算有功功率和无功功率。
将直流侧输出电压值作为反馈量引入控制环节。
再通过有功-频率、无功-电压的下垂控制方程和同步电动机的机械运动方程、电磁暂态方程进行调节。
经过上述计算得到PWM整流器桥臂中点电势。
进一步的，结合P/f下垂控制方程和同步电动机的机械运动方程，得到有功环路的计算公式为：
其中，J为同步电动机的转动惯量；ω为机械角速度；ω0为额定角频率；Tm、Te分别为机械转矩和电磁转矩；Dp为有功-频率下垂系数；θ为发电机转子角位移；其中机械转矩Tm由整流器直流侧输出电压值和给定参考值比较后，经过比例积分控制器得到。
进一步的，结合Q/V下垂控制方程和同步电动机的励磁控制特性，得到无动环路的计算公式为：
其中，Qe为同步电动机实际输入的无功功率，Qset为设定的无功功率给定值，Dq为无功—电压下垂系数，Un为输入电压的额定有效值，U0为实际输入电压有效值，K等效为无功-电压控制环路的惯性系数，E为电压指令值。
再者，所述步骤S4包括如下步骤：
将功率环计算得到的PWM整流器桥臂中点电压值和整流器交流侧三相电压值作比较，经过比例积分环节得到电流环的参考值。
整流器交流侧三相电流和电流参考值作比较，再经过比例积分控制器输出调制波，和三角载波比较后，产生PWM开关信号，控制整流器输出指定直流电压值。
有益效果：与现有技术相比，本发明三相PWM整流器能够输出指定的参考电压值，当电网发生频率变化或者电压跌落时，能够主动参与电网调节，提供频率和电压支撑，稳定输出侧的电压，维持系统稳定。采用有自适应功能的二阶广义积分的锁相环作为同步环节，将得到的角频率作为额定角频率输入有功环；同时，锁相环的加入使得在电网发生频率异常时，能够迅速反馈到有功控制环节中，使系统迅速稳定。该控制方法能够很好地实现整流器直流侧输出电压稳定且灵活可控，使整流器能够积极响应电网异常事故、参与电网调节。当电网发生故障时，本发明控制方法可以使整流器具有同步电动机的惯性特性和阻尼特性，模拟同步电机和电网之间的同步机制，提供频率和电压支撑，是直流侧维持稳定输出并且能够带负荷继续运行。
附图说明
图1是电压型PWM整流器主电路拓扑结构图。
图2是总体控制结构框图。
图3是有功环的结构框图。
图4是无功环的结构框图。
图5是电压电流环的控制框图。
图6a是电网正常运行增加负荷情况下的直流输出电压波形图。
图6b是电网正常运行增加负荷情况下的系统有功功率波形图。
图6c是电网正常运行增加负荷情况下的系统无功功率波形图。
图6d是电网正常运行增加负荷情况下的系统角频率波形图。
图7a是电网频率下降后增加负荷情况下的直流输出电压波形图。
图7b是电网频率下降后增加负荷情况下的系统有功功率波形图。
图7c是电网频率下降后增加负荷情况下的系统无功功率波形图。
图7d是电网频率下降后增加负荷情况下的系统角频率波形图。
图8a是电网电压下降后增加负荷情况下的直流输出电压波形图。
图8b是电网电压下降后增加负荷情况下的系统有功功率波形图。
图8c是电网电压下降后增加负荷情况下的系统无功功率波形图。
图8d是电网电压下降后增加负荷情况下的系统角频率波形图。
具体实施方式
电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示。图中Ua，Ub，Uc为三相电源相电压，ia，ib，ic为三相线电流；Udc为直流电压，Rdc为直流侧电阻；R，L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧电容；ea，eb，ec为桥臂中点电压。
如图2所示的总体控制框图，其包括功率/转矩计算模块、锁相环模块、功率控制模块，电压电流双环模块和PWM调制模块。其中，功率控制模块包括有功-频率控制环和无功-电压控制环；由PI控制器和VSM算法模块来实现。
首先，由电压和电流传感器测量整流器输入侧三相电压ua,b,c和三相电流ia,b,c。该输入侧的电压和电流量作为功率/转矩计算模块和电压电流双闭环控制模块的输入信号。
其中，功率的计算采用瞬时功率理论进行，得到整流器输入的有功功率Pe和无功功率Qe，这两个功率等效为同步电动机中的电磁功率。由Te＝Pe/ωn计算得到电磁转矩Te，整流器直流侧输出电压值Udc和给定参考值Udc,ref比较后，经过比例积分控制器得到机械转矩Tm；Qset为无功功率的设定值，人为可变。
VSM算法模块根据前述有功环路和无功环路进行计算，得出电压的幅值和角频率两个指令值。电网电压通过基于二阶广义积分的锁相环可以得到电压幅值Eg及角频率ωg。
VSM算法利用电磁转矩、机械转矩、无功功率计算值和参考值以及电网电压角频率计算得出电压指令值E和相角指令值θ。两个指令值和整流器输入端的电压和电流值一起通过常用电压电流双环模块计算产生调制波信号，再通过PWM环节产生PWM驱动信号控制开关管的通断，控制整流器输出指定电压信号。
图3所示为有功功率控制环的调节控制框图。其中，将整流器的输出直流电压值Udc引入有功环，和设定的直流电压参考值Udc,ref比较后经过PI控制器得到机械功率Tm，有功环的其他输入量为电磁转矩Te和额定角频率值ωn。计算依据前述有功环计算公式，Dp为有功-频率下垂系数；J为转动惯量。通过计算得到角频率指令值ω，积分过后得到相角指令值θ。
图4所示为无功功率控制环的调节控制框图。无功环的输入为无功设定值Qset、计算的输入端无功Qe和额定电压有效值Un，此处额定电压取电网电压有效值Ug，计算依据前述无功环计算公式。Dq为无功-电压下垂系数；K为电磁特性系数，类比于转动惯量J。通过计算得到输出电压的指令值E。
图5为电压电流双环控制框图。通过计算得到的参考电压ea,b,c,ref经过Park变换转到dq坐标系下，电压d轴指令值ed与测量值进行比较，通过PI调节器后的输出作为电流环d轴分量的给定值，同样的电压q轴指令值eq与测量值进行比较，通过PI调节器后的输出作为电流环q轴分量的给定值。电流内环经过PI调节器输出最后的调制信号，经过调制器产生PWM驱动信号。在电流内环中加入交叉解耦分量，解除d、q轴间的耦合作用，便于独立控制。
一种基于该控制电路的控制方法，包括以下步骤：
S1、计算功率和转矩；
S2、由锁向环计算电压幅值和角频率值；
S3、功率控制
测量整流器交流侧的三相电压和电流，根据瞬时功率理论计算有功功率和无功功率；
将直流侧输出电压值作为反馈量引入控制环节；
再通过有功-频率、无功-电压的下垂控制方程和同步电动机的机械运动方程、电磁暂态方程进行调节：
结合P/f(即有功-频率)下垂控制方程和同步电动机的机械运动方程，得到有功环路的计算公式为：
其中，J为同步电动机的转动惯量；ω为机械角速度；ω0为额定角频率；Tm、Te分别为机械转矩和电磁转矩；Dp为有功-频率下垂系数；θ为发电机转子角位移；其中机械转矩Tm由整流器直流侧输出电压值和给定参考值比较后，经过比例积分控制器得到。
结合Q/V(即无功-电压)下垂控制方程和同步电动机的励磁控制特性，得到无动环路的计算公式为：
其中，Qe为同步电动机实际输入的无功功率，Qset为设定的无功功率给定值，Dq为无功—电压下垂系数，Un为输入电压的额定有效值，U0为实际输入电压有效值，K等效为无功-电压控制环路的惯性系数，E为电压指令值。
经过上述计算得到PWM整流器桥臂中点电势。
S4、电压电流双环控制
将功率环计算得到的PWM整流器桥臂中点电压值和整流器交流侧三相电压值作比较，经过比例积分环节得到电流环的参考值；
整流器交流侧三相电流和电流参考值作比较，再经过比例积分控制器输出调制波，和三角载波比较后，产生PWM开关信号，控制整流器输出指定直流电压值。
S5、PWM调制。
如图6a至图6d所示为增加负荷，在电网正常运行状态下，模拟投入负荷的情况。
图6a为直流输出电压波形图，由仿真波形可以看到，当接近4s时直流侧输出电压稳定在设定值700V，系统带10kW负荷；在6s时刻又加入10kW负荷，加入瞬间直流侧电压上下波动几十伏后，在8s时刻逐渐又稳定在700V。
图6b为系统有功功率波形图，由于整流器自身消耗有功很少，可近似地认为直流侧输出的有功功率与整流器输入的有功相等。由仿真波形可以看到，当接近3s时直流输出有功功率稳定在10KW，在6s时刻系统增加一倍的负荷时，直流输出有功功率提高，并上下波动几KW后，在8s时刻稳定在20KW。
图6c为系统无功功率波形图，有仿真波形图可以看到，当接近3s时，系统无功功率稳定在0Var，在6s时刻系统增加一倍的负荷时，系统无功功率上下波动1Var以内，在8s时刻又稳定在0Var。
图6d为系统角频率波形图，有仿真波形图可以看到，仿真过程中系统角频率稳定不变。
因此，由有功功率可以明显的看到有功的变换，同时通过无动的波形看到，负荷变化，无功最后仍被控制在零。
如图7a至图7d所示为电网频率骤降，该VSM控制方法，将下垂控制和电动机的惯性和电磁特性结合起来，具有一定的故障穿越能力，能在电网发生频率/电压骤降时，维持直流侧输出电压，并且能够带载运行。模拟极端情况下，当电网频率由50Hz，骤降为30Hz，同时在加负载的情况。
从图7a的直流输出电压波形可以看到，当电网频率骤降时，直流侧电压发生波动，但经过扰动后，迅速维持在700V，保持直流输出电压恒定；此时，再加入10kW的负荷，经过短暂扰动后，仍能维持电压稳定在700V。
由图7b波形可以看到，当电网频率骤降时，系统有功功率发生波动，但经过扰动后，逐渐稳定在10KW；再加入10KW负荷后，系统有功功率迅速提高并经过短暂扰动后，维持在20KW。由图7c的波形可以看到，当电网频率骤降时，系统无功功率发生较大的波动，后又稳定，加入负荷后出现小的扰动后，又被控制在0Var。
由图7d的波形可以看到，当电网频率骤降时，系统角频率迅速下降，并稳定在一个较低的值。
如图8a至图8d所示为电网电压下降后增加负荷的情况。
由图8a的仿真波形可以看到，当电网电压幅值在6s由311V突变为200V时，直流侧电压发生波动后仍稳定在700V，且在12s时继续加载10kW负荷，直流侧电压短暂波动后，仍能稳定在700V。
由图8b的仿真波形可以看到，当电网电压幅值在6s由311V突变为200V时，有功功率发生扰动后，又稳定在10KW；且在加载负荷时，有功功率迅速提高并在发生短暂扰动后稳定在20KW。
由图8c的仿真波形可以看到，当电网电压骤降时，无功功率扰动后，仍稳定在0Var；加载负荷时发生短时扰动，并又控制在0Var。
由图8d的仿真波形可以看到，在电网电压下降，后又增加负荷的情况下，系统角频率一直稳定在固定值。
总之，本发明由功率控制环和电压电流双环组成了基于虚拟同步电动机的三相PWM整流器多环路控制方法，可以模拟同步电动机的惯性和电磁暂态特性，和实际同步电动机的运行特性相近，可以参与电网的调节，给予电网一定的电压和频率支撑，能够实时响应电网频率和电压的变化，改善系统的动态调节特性。此外，本控制方法能够在电网发生电压跌落、频率骤降等故障时，能够不脱网并维持正常直流输出，维持系统的稳定。
功率环所输出的电压指令值和相角指令不是直接用于产生开关信号，而是经过电压电流双环进一步调制后生成开关信号，有助于改善电压电流波形，提高功率因数，提供较好的电能质量。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
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