储能变流器控制方案的研究

李博然 王勇 席翔宇

中国电器科学研究院股份有限公司 广东广州 510860

摘要：储能变流器是用于连接直流系统和交流系统之间的能量变换的控制器件，它能将交流电压整流滤波后成为直流电压，给列车使用或者给蓄电池充电，同时它也能将直流能量通过逆变转换为交流电压继续给负载或者电网供电，储能变流器的控制方法包括了逆变控制与整流控制两个部分，本论文主要解决在大功率变流器如何使能量双向流动的问题，同时在逆变时能使用功率因数可调，获得更好的电能质量。通过MATLAB以及实验论证控制以及拓扑的可行性。

关键词：PID控制；DQ变换；MATLAB

0前言

对于目前的轨道交通设备而言在列车运行时需要从电网获取能量后经过整流给电机使用，地铁再生制动能量的吸收方式主要有电阻

消耗、逆变回馈、飞轮储能等。其中，以逆变方式作为能量回馈变流器节能效果显著，但是对于电力电子设备而言，其需要在整流以及逆变过程中来回切换控制策略，对控制策略以及设备的反应要求较高，因此本文提出一种储能变流器的控制策略，使电力电子设备能在整流以及逆变中均能可靠运行。通常情况下，变流器包括功率器件，控制电路，驱动电路，以及连接功率器件与交流系统的滤波器等若干单元组成；逆变器控制策略中，在此应用的是PID控制算法，其控制效果良好，同时易于编程与控制。

1储能变流器控制原理

1.1逆变部分控制原理

如图1所示，在逆变控制中首先对交流侧电压进行采样，将采样的电压进行PLL锁相得到参考相角，同时对其进行DQ变换；之后对交流电流进行采样，对交流电流进行DQ变换，之后将电流变换后的数值与参考数值进行比较得到偏差，根据偏差由PID控制器对调节点反馈DQ值与参考DQ值进行闭环的PID调节，输出其电流DQ参考值，将电流DQ参考值与电压DQ计算值比较运算，得出输出DQ分量的参考值。

图2 逆变器控制逻辑图

Figure 2 Inverter control logic diagram

DQ变换计算公式在此不再赘述，其表达式如下

_（2-1）

DQ反变换计算公式如下：若需要将旋转坐标系转化到静止坐标系上，只需相应的将d-q向 投影即可，可以得到：

_（2-2）

由上述对DQ变换的公式可知，其D轴分量相当于有功分量，Q轴分量相当于无功分量，DQ两轴的给定数值是通过输入功率因数计算得到的。将ABC三相电流的参考值输入到SPWM控制器进行调制或者输入到SVPWM控制器进行调制，便可获得PWM波将调制得到的PWM波输入到驱动电路中得到足以驱动IGBT的信号，从而驱动IGBT导通。

其 逆变电流与逆变电压如图3所示，其给定输入功率因数为0.6，输出亦为0.6左右，可见其控制满足功率因数可控的控制目的。同时其电流无太大波动，电压也没太大波动，满足稳定运行条件。

图3 电压波形以及功率因数

Figure 3 Voltage waveform and power factor

1.2整流部分控制策略

整流控制的策略是首先对交流侧电流进行采样，同时将采样的电流进行DQ变换，根据偏差由传统PID调节获得相关数据，再对直流电压采样，根据直流电压与给定直流电压的偏差输入到PID调节器，在控制策略中，交流电流的偏差作为PID控制的内环，直流电压作为PID控制的外环，从而通过控制运算获得DQ两轴调节分量，得出DQ的参考值

在控制模块中主要通过对直流电压的外环PID控制，对电流的内环PID控制而达到输出可控直流电压的效果，下面就对此控制逻辑进行说明。首先将直流电压采样值与给定值进行比较，得到其偏差，将偏差量输入到PID模块得到电流的D轴给定量id-ref，将采样并计算得到的ID与电流的D轴给定量id-ref进行比较，并输入到PID控制器中；同理，将采样并计算得到的IQ与电流的Q轴给定量iq-ref进行比较，并输入到PID控制器中，经过PID计算后输出ID控制量和IQ控制量。将采集到的并通过计算得到的ID，IQ乘上滤波电感数值，得到电压量即(2*pi*50)*0.0035*ID和(2*pi*50)*0.0035*IQ，将这两个量分别记为wL_iq和wL_id。控制模块如图4所示。

图4 整流控制策略

Figure4 Rectification control strategy

将上文通过PID控制输出的Id控制量，wL_id以及交流电压通过变换得到的UD经过比较加减得到Ud；同理将上文通过PID控制输出的IQ控制量，wL_iq以及UQ通过经过比较加减得到Uq将其输出。

将输出的Ud和Uq进行DQ---ABC反变换得到ABC的三角函数表达式，此时输出的分量为三相交流分量。 对三相交流分量进行SPWM调制，输出SPWM波，用此PWM波去驱动IGBT导通与关断，根据上述说明，将得到整流波形，其电压如图5所示，可以看到，其电压为640V DC与给定640V相差无几，同时其超调较少，稳定后波形平滑，满足控制的要求。对于整流器而言其THD（总谐波失真）是衡量整流器整流波形质量的重要指标，其THD为0.03805左右。

图5直流侧波形图

Figure5 Rectification control strategy

2实验与结语

将上述分析运用在实验逆变与整流如图6所示，综上所述，本文主要解决在大功率变流器如何使能量双向流动的问题，同时在逆变时能使用功率因数可调，获得更好的电能质量。其整流控制下反应迅速，电压稳定。其构造相对容易，使用DSP或者FPGA等来构造PID控制系统，其结构与一般数字系统无异，PID算法用软件来实现，其设计变得容易PID控制对线性或者非线性的变量都可以有效的控制，具有良好的鲁棒性与控制性。保证了系统的优良的静态和动态稳定性。通过上述计算，仿真，实验，利用了PID控制以及相应的控制策略解决了储能变流器的控制问题。

图9 逆变、整流波形

Figure 9 Inverter、Rectified waveform

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