鄭征，張子偉，張朋

（河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000）

三相電壓型PWM整流器不平衡控制策略的研究

鄭征，張子偉，張朋

（河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000）

分析電網(wǎng)不平衡狀態(tài)時三相電壓型PWM整流器特性基礎上，提出了預測電流控制算法。它與傳統(tǒng)的雙電流獨立內環(huán)控制算法相比，無需進行網(wǎng)側電流正、負序分量計算，并省去4個內環(huán)調節(jié)器，很大程度上簡化了算法和提高了系統(tǒng)計算速度。通過RT-LAB半實物實時仿真實驗結果表明，該控制方法具有結構、算法簡單，動態(tài)響應快，輸出電壓穩(wěn)定性好，功率因數(shù)高的特性。

電壓型PWM整流器；電網(wǎng)不平衡；預測電流；RT-LAB半實物實時仿真

1 引言

常規(guī)的三相電壓型PWM整流器（VSR）控制策略是在假定電網(wǎng)對稱的條件下開展研究工作的，然而電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象時常發(fā)生，致使以電網(wǎng)平衡為約束條件所設計的PWM整流器失去其功率因數(shù)高，諧波含量小的特性，嚴重時可能損壞整流器。

目前，電網(wǎng)不平衡時三相VSR常用的控制策略為正、負序雙電流內環(huán)獨立控制，該算法基于（d，q）同步旋轉坐標系中對正、負序電流獨立控制的方法，包括網(wǎng)側電壓和電流實時的正、負序分量檢測，電流控制指令算法和正、負序電流內環(huán)前饋解耦控制［1-2］，該控制策略的結構和算法均較復雜，具有動態(tài)響應慢等缺點。以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應和降低諧波分量為目標，近年來國內外出現(xiàn)了一些電壓型PWM整流器不平衡控制方法，如內模控制［3-4］，這種方法能較好地跟蹤指令電流，但是，這種方法建模、計算參數(shù)等比較復雜。

本文提出了預測電流控制（PCC）的三相電壓型PWM整流器不平衡的算法，該方法在（α，β）靜止坐標系中構成不平衡的控制系統(tǒng)，在進行電流跟蹤控制時不需要獨立檢測正、負序電流分量，從而簡化控制算法，該策略大大消除了整流器直流側電壓的紋波分量，實現(xiàn)了對正、負序電流無靜差跟蹤，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進一步提高系統(tǒng)的性能。

2 電網(wǎng)不平衡時三相VSR數(shù)學模型

對于圖1所示的三相無中線Y型系統(tǒng)，由于不存在零序電流回路，在分析三相PWM整流器不平衡控制策略時只研究正、負序分量的影響。為分析方便，只考慮三相PWM整流器基波分量，在兩相靜止（α，β）坐標系中三相PWM整流器的矢量模型方程為［5-7］

圖1 三相電壓型整流器拓撲結構圖Fig.1 Block diagram of three-phase voltage source PWM rectifier

當電網(wǎng)不平衡時，矢量eαβ，uαβ，iαβ均含有正、負序分量，以電流矢量iαβ為例，其表達式為

同樣，電網(wǎng)電動勢復矢量和整流器輸入端電壓矢量可分別表示為

根據(jù)圖1和式（1）～式（3）可知，在（α，β）坐標系下，通過控制矢量uαβ就可以控制三相VSR交流電流矢量Iαβ，也就控制了三相VSR交流電流ia，ib，ic。

3 三相VSR不平衡電流控制算法

在三相電網(wǎng)不平衡條件下，三相VSR網(wǎng)側有功功率P(t)、無功功率Q(t)均含有2次諧波分量［7-11］，可表示為

則式（4）將轉化為

式中：kup，kui分別為電壓調節(jié)器比例、積分增益。

將控制關系式代入式（4）并求出逆變換，就可以獲取抑制三相VSR直流側電壓波動控制時的電流指令：

4 基于預測電流控制的不平衡控制系統(tǒng)

從式（7）、式（8）可以明顯看出，該系統(tǒng)含有負序電流；本文采用的基于抑制三相VSR直流側電壓2次諧波的不平衡控制策略，因此，交流側電流含有負序電流，交流側電流波形稍差。

圖2 基于預測電流控制的三相VSR不平衡控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of three-phase VSR based on predictive current control

在（α，β）靜止坐標系中應用預測電流的控制算法實現(xiàn)電流的無靜差跟蹤，可以把固定開關頻率的電流調節(jié)看作是以開關周期Ts為時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，并使交流電流ik跟蹤指令，則當開關頻率足夠大時，可用差分環(huán)節(jié)代替微分。

將式（9）式帶入式（1）可得出下式：

將式（11）中的uα，uβ進行SVPWM調制，輸出PWM脈沖，最終實現(xiàn)對整流器的控制。

5 仿真研究

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)仿真模型，以檢驗基于預測電流控制的三相電壓型PWM整流器不平衡控制正確性。仿真參數(shù)為：a相、c相電網(wǎng)電壓為311 V，b相電壓為340 V；不平衡度為3.02%；電網(wǎng)電壓頻率為50 Hz；整流器輸入電阻為1.35Ω，電感為6 mH；為了驗證本文所提出的預測電流控制方法有效特性，對預測電流控制算法和傳統(tǒng)雙電流獨立內環(huán)控制算法進行仿真和實驗比較，其仿真參數(shù)如表1所示。

表1 兩種控制策略仿真參數(shù)設置Tab.1 Parameters settings of two control strategy

圖3和圖4分別為雙電流獨立內環(huán)控制和預測電流控制的直流側電壓波形、交流側電流波形和a相電壓和電流波形。對比圖3和圖4可知，兩種方法直流輸出電壓都能快速達到預定值（600 V），交流側電流在穩(wěn)定之后，都有比較好的正弦化。雙電流獨立內環(huán)控制策略直流電壓響應時間為0.25 s，而預測電流控制策略直流電壓響應時間為0.14 s，比傳統(tǒng)的雙電流內環(huán)控制提高了44%，大大降低了響應時間；從交流側電流波形傅里葉分析來看，傳統(tǒng)的雙電流內環(huán)控制和預測電流控制的THD（總的諧波畸變率）分別為3.02%和3.26%，圖3c交流側電流傅里葉分析3次諧波含量高達2.3%，而圖4c的3次諧波為1%左右，可以得出，預測電流控制方法比雙電流內環(huán)控制更有效地濾除3次諧波。但是，從圖4d上看，電壓和電流還有相位差，功率因數(shù)基本為1，而圖3d的電壓和電流同相位，即實現(xiàn)了高功率因數(shù)整流。

圖3 采用雙電流內環(huán)控制仿真波形Fig.3 Waveforms of simulation with doublethe current inner loop control

圖4 采用預測電流控制仿真波形Fig.4 Waveforms of simulation with predictive current control

6 實驗及結果分析

本文使用RT-LAB半實物實時仿真和目標機連接相應的硬件對兩種控制策略進行驗證。RT-LAB是加拿大Opal—RT公司開發(fā)的一套基于模型的仿真系統(tǒng)平臺軟件包，主要用于分布式仿真、快速控制系統(tǒng)原型、半實物仿真的軟件和系統(tǒng)測試等。RT-LAB支持種類非常多的I/O硬件板卡，它將I/O設備接口制成Simulink模塊，供Simulink模型設置和調用，無需開發(fā)者自行設計。本文用的是OP5142板卡；由于RT-LAB目標機（QNX節(jié)點）上板卡在任何系統(tǒng)里輸出模擬量范圍為-16 V～+16 V，硬件上有過壓保護，軟件里可以用增益來調整，也可用限幅模塊限幅；本文采用相應的增益模塊對其限幅。

圖5、圖6分別為采用正、負序雙電流內環(huán)控制和預測電流控制實驗波形。

圖5 采用雙電流內環(huán)控制實驗波形Fig.5 Waveforms of experiment with double the current inner loop control

圖6 采用預測電流控制實驗波形Fig.6 Waveforms of experiment with predictive current control

由以上實驗波形比較可以看出，在傳統(tǒng)雙電流內環(huán)控制下，直流輸出電壓有明顯的波動，交流側電流的正弦波稍差，從圖5b圖形計算出：

式中：Ij(1)為交流電流基波有效值；Ij(n)為交流電流n次諧波電流有效值。

諧波含量較大，與仿真圖3c差別較大，主要是仿真時采用的是可變步長，而實驗采用的是定步長；然而，當使用預測電流控制時，直流輸出電壓更為平滑，穩(wěn)定性好，交流側電流的正弦波較好，從圖6b圖形計算交流側總的諧波畸變率（THD）為

大大降低了諧波畸變率；電壓和電流相位基本同相，且具有固定的開關頻率和交流側電流諧波含量更少。說明預測電流控制方法能很好地降低交流側電流諧波畸變率，動態(tài)響應快，輸出直流電壓穩(wěn)定性好。試驗結果論證了理論分析的正確性。

7 結論

針對電網(wǎng)不平衡所造成的三相PWM整流電路控制性能差的問題，本文提出了預測電流控制算法，該方法是一種可靠、優(yōu)良的控制算法。母線電壓穩(wěn)定，交流側電流諧波含量少，而且具有固定的開關頻率、響應速度快的優(yōu)點。該方法相比雙電流內環(huán)獨立控制具有運算量少，結構簡單，尤其是省去了4個PI調節(jié)器和電網(wǎng)側電流的正、負序分離和檢測，大大提高了響應速度和簡化了控制器的設計。運用RT-LAB半實物實時仿真實驗，驗證了該方法的結構、算法簡單，動態(tài)響應快，輸出電壓穩(wěn)定性好，功率因數(shù)高的特性。

［1］ 張興，張崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［2］ 鄭征.雙PWM變頻器及其協(xié)調控制技術研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學，2011.

［3］ 宋文祥，尹赟.一種基于內?？刂频娜嚯妷盒蚉WM整流器控制方法［J］.電工技術學報，2012，27（12）：94-101.

［4］ 張興，季建強，張崇巍，等.基于內?？刂频娜嚯妷盒蚉WM整流器不平衡控制策略的研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（13）：51-56.

［5］ Prasad N.Enjeti，Shamin A Choudhury.A New Control Strategy to Improve the Performance of a PWM AC-to-DC Converter under Unbalanced Operating Conditions［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1993，8（4）：493-500.

［6］ Wijekoon T，Klumpner C，Zanchetta P，et al.Predictive Current Control Strategy for a Hybrid AC/AC Direct Power Converter［C］//IET International Conference on Power Electronics，Machines and Drives，2006：1-6.

［7］ 林資旭，趙斌，李亞西，等.變速恒頻風電機組網(wǎng)側變換器在電網(wǎng)電壓不平衡時控制策略的研究［J］.太陽能學報，2007，28（4）：441-445.

［8］ Rioual P，Pouliquen H.Regulation or a PWM Rectifier in the Unbalanced Network State［J］.IEEE，1993.23（5）：641-647.

［9］ Wu Rusong，Dewan Shashi B，Slenlon Gordon R.A PWM AC-to-DC Converter with Fixed Switching Frequency［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1990，26（5）：880-885.

［10］Joo In-won，Song Hong-seok，Kwanghee Nam.Source Voltage-sensor less Scheme for PWM Rectifier under Voltage Unbalance Condition［C］//IEEE 2001，Trans.on PE，2001，13（2）：33-38.

［11］段曉麗，羅耀華，游江，等.基于阻抗分析的三相逆變器負載不平衡控制［J］.電工技術學報，2012，27（12）：56-62.

［12］ Nishida K，Konishi Y，Nakaoka M.Novel Current Control Scheme with Deadbeat Algorithm And Adaptive Line Enhancer for Three-phase Current-source Active Power Filter［C］//IEEE；2001：194-201.

修改稿日期：2014-04-28

Unbalanced Control Strategy of Three-phase Voltage Source PWM Rectifier

ZHENG Zheng，ZHANG Zi-wei，ZHANG Peng
（School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，Henan，China）

The main circuit topology of three-phase PWM rectifier under unbalanced input voltage condition was analyzed.Based on the analysis of characteristics of PWM rectifier，the predictive current control was proposed.The proposed predictive current controller is significantly simplified in algorithm to improve the calculation speed.Compared with the double current independent inner loop control，this novel control method requires no extraction of positive and negative sequence components of net side current and get rid of four PI controllers.The experiment results of RT-LAB hardware-in-the-loop simulation show that predictive current control has advantages such as fast dynamic response，good performance of output voltage stability and high power factor.

voltage source PWM rectifier；unbalanced grid；predictive current；RT-LAB hardware-in-the-loop simulation

TM464

A

國家自然科學基金（61340015）；國家自然科學基金（51077125）；河南理工大學博士基金（B2012-108）

鄭征（1965-），女，博士，教授，Email：zhengzh@hpu.edu.cn

2013-06-28