王聰聰，肖伸平

(湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

TK 01;TM 76

A

2096-2185(2017)05-0024-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.05.004

改進下垂控制在三相三電平PWM整流器中的應用

王聰聰，肖伸平

(湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

針對三相三電平脈寬調制(pulse-width modulation，PWM)整流器的中點平衡問題，提出一種改進的下垂控制策略。首先，基于空間矢量控制，分析三相三電平PWM整流器的主電路拓撲結構，并建立數學模型；其次，對反饋電壓電流進行dq解耦，并引入一個下垂系數對反饋電壓進行修正，從而提高輸出電壓的跟蹤性能，并實現快速單位功率因數控制及快速瞬間響應。最后，通過Matlab/Simulink仿真分析，驗證了該控制策略具有較好的動態(tài)性能及靜態(tài)性能。

三相三電平PWM整流器；空間矢量PWM下垂控制；改進下垂控制；直流電壓

0 引言

脈寬調制(pulse-width modulation，PWM)整流器作為電力電子變流裝置的里程碑，實現了電能“綠色”變換，網側電壓電流保持正弦波運行，功率因數保持單位運行[1-2]。PWM整流器既具有AC/DC特性，又具有DC/AC特性，實現了交流側與直流側能量相互轉換，使其應用變得尤為廣泛。其中，主要有功率因數校正、靜止無功補償、有源電力濾波、統(tǒng)一潮流控制器、超導儲能、高壓直流輸電、可再生能源并網發(fā)電及四象限交流電動機拖動系統(tǒng)等[3-4]。

近年來隨著科學技術的發(fā)展，多電平器件更好地展現出優(yōu)越性，其中三電平以其極小的開關損耗及高效率，當開關頻率相同時較兩電平變換器的輸出電壓更接近正弦波，且無需隔離變壓等優(yōu)點得到了廣泛重視[5-6]。

文獻[7]提出了一種三相三開關Buck型PWM整流器，其主要是減少二極管數量，使橋臂得到簡化，降低拓撲結構的復雜性，但未能實現能量的雙向流動，且其開關損耗較大。為實現功率雙向流動，文獻[8]提出了一種基于單級式隔離型的三相雙向AC/DC變換器及其改進空間矢量PWM調制策略(space vector PWM， SVPWM)，該調制策略取消了工頻電壓器環(huán)節(jié)，提高了功率密度，降低了成本等；雖然實現了能量雙向流動，但在該調制策略中需要斟酌變壓器磁復位問題，影響電壓矢量的合成，導致電壓方向不定，且其SVPWM控制策略改進后較復雜，難以操作實現。為簡化SVPWM操作復雜性，文獻[9]提出了一種以電容儲能作為反饋變量的雙閉環(huán)多電平整流器控制策略，其將電壓電流雙閉環(huán)控制改為能量電流雙閉環(huán)控制；雖然其提高了動態(tài)性能，但其采用的基于零序電壓注入分量的SPWM策略不能快速跟蹤中點電位，易引起中點電位失衡。

本文將三相三電平PWM整流器作為研究對象，基于文獻[8]中的SVPWM控制，詳述電路拓撲結構，建立開關函數的數學模型；根據文獻[9]中能量電流閉環(huán)控制的系統(tǒng)特點，提出在不平衡直流電壓采樣后插入改進下垂控制，借以消除整流器輸出中點電位的波動。該控制策略可較好地協(xié)調電壓電流，減少電流總畸變率，直流側電壓保持穩(wěn)定在一定范圍內。最后通過在Matlab/Simulink中建立仿真模型，驗證該控制策略的有效性。

1 三相三電平PWM整流器

1.1主電路及數學模型

圖1 三相三電平PWM整流器主電路拓撲結構Fig.1 Main circuit topology of three-phase three-level PWM rectifier

三相三電平PWM整流器的主電路結構拓撲如圖1所示。圖中：Ua、Ub、Uc分別為交流側三相交流源對稱相電壓；Lg分別為交流側的三相濾波電感；Rg分別為交流側的三相等效電阻；C1、C2分別為直流母線側的濾波電容(其中C1=C2)；UDC為直流母線側的電壓有效值；ia、ib、ic為交流側三相輸入電流；iDC為直流母線側輸出電流；ea、eb、ec為三相三電平PWM整流器三相交流側電源中點電壓。

由圖1可得三相三電平PWM整流器在三相abc坐標系下的交流側數學模型：

式中k=a，b，c。

其中三相三電平PWM整流器的單投開關等效拓撲如圖2所示,圖中iZ為負載電流。由此，開關函數Skp、Sko、Skn與Sk的對應關系為

(5)

圖2 三相三電平PWM器單投開關等效拓撲Fig.2 Single-throw switch equivalent topology of three-phase three-level PWM device

由式(1)，根據矢量變換，可得三相三電平PWM整流器在兩相同步旋轉dq坐標系下的交流側數學模型：

(6)

三相三電平PWM整流器直流側數學模型為

(7)

1.2雙閉環(huán)控制

在三相三電平PWM整流器中，雙閉環(huán)控制采用直流母線側電壓控制外環(huán)、三相對稱交流側相電流控制內環(huán)的方式，控制框圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)控制框圖Fig.3 Double closed-loop control block diagram

2 三相三電平PWM整流器改進閉環(huán)控制

2.1逆變器并網下垂特性

整流器內部的電源輸出及負荷消耗功率決定了系統(tǒng)內電壓功率平衡狀態(tài)，變換器作為樞紐，應根據兩側供求關系決定功率傳輸方向。傳統(tǒng)的下垂特性[10-15]是頻率分散控制，根據發(fā)電機的有功功率與頻率(P-f)和無功功率與基波的電壓幅值(Q-U)特性模擬，在一個實際系統(tǒng)中，采用頻率/電壓下垂控制法，可使分布式發(fā)電機(distributed generation, DG)具有發(fā)電機轉子的特性，使各DG實現在公共耦合點上微電網的同步接收信號，實現各DG均衡的功率共享及自主控制。

下垂特性為

(8)

式中:m和n為系統(tǒng)中頻率下垂系數和電壓下垂系數；P、Q分別為變換器的有功功率和額定無功功率；f、fs分別為變換器的輸出頻率和同步頻率；U、U*分別為變換器輸出電壓大小和基波的電壓幅值。因此，頻率/電壓下垂系數可由系統(tǒng)最大有功輸出、最大無功輸出及最大頻率偏差、最大電壓幅值偏差求出：

(9)

式中：PN、QN分別為變換器的額定有功功率和額定無功功率；fN、UN分別為變換器的輸出頻率和變換器電壓幅值的參考量。

2.2改進下垂控制

三相三電平PWM整流器在運行時，其傳輸特性與直流側電壓的關系可結合上述下垂特性來描述，將上述下垂控制策略進行改進得

U_DC=UDC-aPt

(10)

式中：Pt為三相交流側傳輸的有功功率；a可近似等效為m，即變換器的下垂系數。

根據式(10)，改進下垂控制策略控制三相三電平PWM整流器控制框圖如圖4所示。

圖4 改進下垂應用于三相三電平PWM整流器Fig.4 Improved sagging for three-phase three-level PWM rectifiers

2.3電流內環(huán)設計

電流分d、q兩軸分量，分別對其進行控制，電流環(huán)控制框圖如圖5所示。kpwm和Tpwm分別為三相三電平PWM整流器增益與延時，L為濾波電感，r為濾波電感上附加電阻，Ts為采樣時間常數。

圖5 電流環(huán)PI控制框圖Fig.5 Current loop PI control block diagram

由圖5可得電流環(huán)開環(huán)傳遞函數為

(11)

(12)

由式(12)，通過轉換計算可得

(13)

2.4電壓外環(huán)設計

圖6 電壓環(huán)PI控制框圖Fig.6 Voltage loop PI control block diagram

由圖6可得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數為

(14)

將式(14)簡化得

(15)

(16)

3 仿真結果

為驗證改進控制的三相三電平PWM整流器輸出的優(yōu)越性能，在Matlab/Simulink環(huán)境下，分別搭建了雙閉環(huán)控制及改進閉環(huán)控制三相三電平PWM整流器的仿真模型，兩者參數一致，交流側線電壓有效值為600 V，交流側濾波電感、濾波電容分別為30 mH、1 μF，直流側電壓為600 V，變壓器變比為600/240 V，開關頻率為5 kHz。兩者的仿真結果如圖7—10所示。

圖7 不同控制器下交流側相電壓相電流的輸出Fig.7 Output of side-phase voltage phase current of AC side under different controllers

圖8 不同控制器下交流側線電壓ua b的輸出Fig.8 Output of AC side line voltage ua b under different controllers

圖9 不同控制器下直流側電壓UDC的輸出Fig.9 Output of DC side voltage uDC under different controllers

圖10 不同控制器下瞬時有功功率P、無功功率Q的輸出Fig.10 Output of instantaneous active power P and reactive power Q under different controllers

圖7(a)中改進下垂控制的相電壓相電流先趨于相位同步，實現單位功率因數運行;且在同一時間點下，改進下垂控制的電流脈沖峰值小于雙閉環(huán)控制的電流脈沖峰值。圖8在初始時，線電壓Uab波動較為混亂，0.02 s起，圖8(a)中的Uab畸變脈動迅速減少，保持三電平輸出特性輸出波形。圖9中Udc在趨于平穩(wěn)時雖未超調，但其在0.08 s才到達系統(tǒng)期望值，而采用改進下垂控制僅需0.04 s就達到了系統(tǒng)目標值。圖10在閉環(huán)控制下P、Q的初始輸出沖擊雖然比較小，但趨于期望計算值時波動較大，改進下垂控制更迅速地實現功率因數為1。因此，在頻率/電壓下垂控制的基礎上改進下垂控制可快速實現三相三電平PWM整流器系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結論

在本文中，將兩種不同控制策略用于三相三電平PWM整流器系統(tǒng)。對于兩種控制策略，改進下垂控制策略在傳統(tǒng)閉環(huán)控制的基礎上進行優(yōu)化，根據兩者相似的系統(tǒng)結構確定兩者相同的控制參數，應用Matlab/Simulink進行了閉環(huán)仿真，實現了單位功率因數控制的快速性，使瞬間響應速度提高以及輸出電壓有一個良好的漸進跟蹤。對于三相三電平PWM整流器，改進下垂控制是相對有效的控制策略。

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ApplicationofImprovedDroopControlinThree-PhaseThree-LevelPWMRectifier

WANG Congcong, XIAO Shenping

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, Hunan Province, China)

According to the neutral-point balance problem of three-phase three-level pulse-width modulation (PWM) rectifier, this paper proposes a improved droop control. Firstly, based on the space vector control, we analyze the main circuit topology of the three-phase three-level PWM rectifier and establish its mathematical model. Then, we realize thedqdecoupling of feedback voltage and current, and introduce a droop coefficient to correct the feedback voltage; so then, the tracking performance of the output voltage is improved, and fast unit power factor control and fast transient response are achieved. Finally, through Matlab/Simulink simulation, it is proved that the control strategy has good dynamic performance and static performance.

three-phase three-level pulse-width modulation (PWM) rectifier; droop control of space vector PWM; improving droop control; DC voltage

國家自然科學基金項目(61672225)；國家科技部火炬計劃項目(2015GH712901)；湖南省教育廳重點項目(14A038)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(61672225)； National Torch Program of Department of Science and Technology(2015GH712901)

王聰聰

2017-07-13

王聰聰(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向為交直流混合微電網下變換器控制策略的研究，408611380@qq.com；肖伸平(1965—)，男，教授，主要研究方向為時滯系統(tǒng)魯棒控制、過程控制與智能控制， xsph_519@163.com。

(編輯 谷子)