不平衡电网下基于功率解耦的PWM整流器控制策略研究.pdf

0引言三相三电平PWM整流器具有控制电路简单，开关管与二极管承受的电压应力较低，功率密度高，系统可靠性高等诸多优点1，因而广泛应用于中高压大功率变换场合。三相三电平PWM整流器在高压大功率场合使用时，普遍存在信号采样时间长以及PWM发波延时增大，且会在旋转的dq坐标系下产生有功及无功功率交叉耦合等问题，降低了控制速率，增加了控制复杂性，且影响了系统的控制性能。目前，在dq坐标系下实现的电流控制器在三相三电平PWM整流器中应用较为广泛2，但其存在的交叉耦合，使电流调节器的性能不太理想。文献3利用静止坐标系下比例谐振PR控制器实施系统控制，规避了耦合问题，但美中不足的是系统的动态响应性能无法和dq旋转坐标系下的比例积分PI控制器作用效果相媲美4。在电网电压输入不平衡时一般采用双dq坐标系控制，此时采用电流状态反馈解耦，使正负序解耦项呈现相互抵消的状态5，使得电流环丧失解耦功能。文献6比较了PI控制器和复矢量控制器在双dq坐标系下的解耦效果，发现复矢量控制器可以获得更好的解耦效果。本文针对PWM整流器在输入电压不平衡时静止坐标系下功率耦合问题，采用一种改进的基于功率解耦的比例谐振控制方法。该方法所采用的闭环控制思路为：电压二次方外环和电流内环的双闭环控制，电压二次方外环的控制目标重在提升直流侧电压动态响应的速度。基于各约束条件合理选择合适的控制器相关参数，并通过仿真验证了本文提出的控制策略的有效性和准确性。1不平衡电网下PWM整流器数学模型三电平NPC型PWM整流器电路图如图1所示，图1中，电源ea、eb、ec为三相输入电压，ia、ib、ic为三相输入电流，La、Lb、Lc为三相滤波电感，Ra、Rb、Rc为La、Lb、Lc的等效电阻，直流侧的C1、C2分别为上、下滤波电容。静止坐标系下系统电压方程为：e琢茁p=Ldi琢茁pdt+Ri琢茁p+u琢茁p，e琢茁n=Ldi琢茁ndt+Ri琢茁n+u琢茁n扇墒设设设设设设缮设设设设设设（1）式中：e琢茁p、e琢茁n为三相电网电压的正序、负序分量；i琢茁p、i琢茁n为网侧电流中的正序、负序分量；u琢茁p、u琢茁n为三相桥臂电压的正序、负序分量；L为滤波电感；R为滤波电阻。直流侧的数学模型为：C=dudcdt=23（i琢S琢+i茁S茁）-iL（2）不平衡电网下基于功率解耦的PWM整流器控制策略研究吴馥云1陆朱卫1陈海霞1刘蕊2吕建国2（1.三江学院，江苏 南京 210012；2.南京理工大学，江苏 南京 210094）摘要：当三相输入电压不平衡时，在静止坐标系下进行分析，一般都忽略了电流的解耦，应用传统比例谐振控制器时存在一个问题，即有功功率与无功功率的耦合严重。针对不平衡电网工况下PWM整流器有功及无功功率严重耦合的问题，研究了一种能实现功率解耦的电流控制器，在该控制器基础上采用电压二次方外环来提升直流侧电压响应的速度。在满足电流稳态误差，系统相位裕度和幅值裕度等各约束条件下，设计该控制器的参数，并选择合适的闭环控制参数，建立了一套较系统完整的控制器参数设计流程。最后，基于仿真软件Matlab/Simulink设计了一套能实现功率解耦的PWM整流器的仿真模型，仿真结果验证了所设计的功率解耦控制器控制效果的有效性。关键词：PWM整流器；功率耦合；两相静止坐标系；不平衡电网中图分类号：TM461文献标志码：A文章编号：1671-0797（2023）16-0017-04DOI：10.19514/32-1628/tm.2023.16.005基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目（20KJB-470029）Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化17式中：udc为直流侧电压；i琢、i茁为两相坐标系下输入电流；iL为电感电流；S琢、S茁为两相坐标系下的开关函数；C为直流侧电容。2控制策略与参数设计分析2.1PWM整流器双闭环控制策略PWM整流器控制框图如图2所示。电压二次方外环的控制目标为控制直流侧输出电压udc，电流内环的给定值取决于实时计算瞬时有功功率得到的参考电流，电流内环能实现对参考电流的快速跟踪，同时降低PWM整流器的有功及无功功率耦合程度，提高PWM整流器动态控制性能。2.2电流内环参数设计从图2可得实现功率解耦的电流控制器为：Gc（s）=G+琢茁（s）+G-琢茁（s）=kps+krs-j棕0+kps+krs+j棕0（3）式中：Gc（s）为功率解耦的电流控制器传递函数；G+琢茁（s）、G-琢茁（s）为解耦得到的正序、负序控制器传递函数；kp、kr为比例积分控制器的参数；棕0为基波角频率。在琢、茁轴坐标系下进行解耦处理后，电流控制环路中琢轴的控制结构如图3所示。在系统稳定运行的前提条件下，截止频率棕c处的图1三电平NPC型PWM整流器电路图图2增加电压二次方外环的PWM整流器控制框图电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua18图3功率解耦控制器的电流内环中琢轴的控制框图相位裕度应维持在30毅60毅，穿越频率棕h处的幅值裕度应大于等于3 dB，基频增益应取得足够大。根据以上条件，以相位裕度45毅、幅值裕度3 dB、基频增益75 dB为临界条件，采样频率取20 kHz，滤波器参数L=3 mH，R=0.02赘。可取kp=0.212，kr=275。该控制器的开环传递函数特性如图4所示。由图4可知，系统频率为50 Hz处增益为344 dB，开环增益较大，幅值裕度7.74 dB和相位裕度45.6毅都满足设计要求，能够有效跟踪给定参考电流。2.3电压外环参数设计若电感、电阻消耗的有功功率很小，可以忽略不计，根据功率守恒定律则有：12Cdudc2dt+udc2R=i琢S琢+i茁S茁=pe（4）式中：pe为瞬时功率。因此，电压外环的控制框图如图5所示。根据文献8中的经验公式选取本文中电压外环的带宽约为电流内环带宽的1/10，在截止频率fcv处，选取kpv、kiv分别为0.924、10.15，电压开环传递函数的Bode图如图6所示。从图中可以看出，在频率为50 Hz处有较好的开环增益，所以所选参数能有效跟踪电流参考值，本文的控制策略是可行且有效的。3仿真验证为了验证本文提出的控制策略的有效性和准确性，建立了包含有电压二次方外环控制的功率解耦的PWM整流器试验平台，参数选择如表1所示。电网三相电压有效值分别为64、72、80 V，图7为基于功率解耦的控制方法在本文给出的电网条件下的稳态实验波形。由图可知，本文控制方法能够保证在不平衡电网电压工况下PWM整流器也可稳定运行。注：Gd（s）为在数字控制中的总延时；Kpwm=udc/2；GL（s）为桥臂输入电压到网侧输出电流的传递函数。图4基于功率解耦的控制器开环传递函数Bode图图5电压二次方外环的控制框图注：Gdv（s）为直流侧数字控制中的延时环节；Gcp（s）为功率解耦控制器的电流闭环环节；Gpe（s）为瞬时功率与直流电压之间的传递函数7。图6增加电压二次方外环的系统开环传递函数Bode图参数数值负载电阻 RL/赘45直流侧电压给定 udc_ref/V260直流侧电容 C1、C2/滋F1 000输入侧滤波电感 L/mH3电源频率 f0/Hz50开关频率 fs/kHz20表1PWM整流器系统参数Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化19图8给出了基于功率解耦的电流控制器在负载发生突变时的仿真波形，可知该控制方法能够快速有效地解决功率耦合问题。4结论三相电压输入不平衡时，采用基于功率解耦控制器和电压二次方外环的控制策略能有效减少功率耦合问题，并改善系统的动态性能。参考文献1 贺诗明，熊健，代大一，等.三相电压型PWM整流器建模、控制及稳定性分析J.电网技术，2019，43（6）：2049-2057.2 YEPES A G,VIDAL A,MALVAR J,et al.Tuning MethodAimed at Optimized Settling Time and OvershootforSynchronousProportional-IntegralCurrentControl in Electric MachinesJ.IEEE Transactionson Power Electronics,2014,29(6):3041-3054.3 ANIRBAN G,VINOD J.Active Damping of LCL FilteratLowSwitchingtoResonanceFrequencyRatioJ.IET Power Electronics,2015,8(4):574-582.4 HWANG J G,LEHN P W,WINKELNKEMPER M.A GeneralizedClass of Stationary Frame-Current Controllers forGrid-Connected AC-DC ConvertersJ.IEEE Transac-tions on Power Delivery,2010,25(4):2742-2751.5 YEPES A G,VIDAL A,LOPEZ O,et al.Evaluation ofTechniques for Cross-Coupling Decoupling BetweenOrthogonal Axes in Double Synchronous ReferenceFrame Current Control J.IEEE TransactionsonIndustrial Electronics,2014,61(7):3527-3531.6 YEPES A G,FREIJEDO F D,LOPEZ 譫,et al.Analysisand Design of Resonant Current Controllers forVoltage-SourceConvertersbyMeansofNyquistDiagramsandSensitivityFunctionJ.IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2011,58(11):5231-5250.7 李子欣，李耀华，王平，等.PWM整流器在静止坐标系下的准直接功率控制J.中国电机工程学报，2010，30（9）：47-54.8 瞿博，吕征宇.三相电压型PWM整流器小信号建模及其控制器设计J.电工技术学报，2010，25（5）：103-108.收稿日期：2023-04-19作者简介：吴馥云（1988），女，江苏淮安人，硕士，讲师，研究方向：电力电子变换技术。图7基于功率解耦的控制方法稳态波形图8负载突变工况下基于功率解耦的控制动态波形电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua20