改进下垂控制在三相三电平PWM整流器中的应用

王聪聪，肖伸平

(湖南工业大学电气与信息工程学院，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

改进下垂控制在三相三电平PWM整流器中的应用

王聪聪，肖伸平

(湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

针对三相三电平脉宽调制(pulse-width modulation，PWM)整流器的中点平衡问题，提出一种改进的下垂控制策略。首先，基于空间矢量控制，分析三相三电平PWM整流器的主电路拓扑结构，并建立数学模型；其次，对反馈电压电流进行dq解耦，并引入一个下垂系数对反馈电压进行修正，从而提高输出电压的跟踪性能，并实现快速单位功率因数控制及快速瞬间响应。最后，通过Matlab/Simulink仿真分析，验证了该控制策略具有较好的动态性能及静态性能。

三相三电平PWM整流器；空间矢量PWM下垂控制；改进下垂控制；直流电压

0 引言

脉宽调制(pulse-width modulation，PWM)整流器作为电力电子变流装置的里程碑，实现了电能“绿色”变换，网侧电压电流保持正弦波运行，功率因数保持单位运行[1-2]。PWM整流器既具有AC/DC特性，又具有DC/AC特性，实现了交流侧与直流侧能量相互转换，使其应用变得尤为广泛。其中，主要有功率因数校正、静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制器、超导储能、高压直流输电、可再生能源并网发电及四象限交流电动机拖动系统等[3-4]。

近年来随着科学技术的发展，多电平器件更好地展现出优越性，其中三电平以其极小的开关损耗及高效率，当开关频率相同时较两电平变换器的输出电压更接近正弦波，且无需隔离变压等优点得到了广泛重视[5-6]。

文献[7]提出了一种三相三开关Buck型PWM整流器，其主要是减少二极管数量，使桥臂得到简化，降低拓扑结构的复杂性，但未能实现能量的双向流动，且其开关损耗较大。为实现功率双向流动，文献[8]提出了一种基于单级式隔离型的三相双向AC/DC变换器及其改进空间矢量PWM调制策略(space vector PWM， SVPWM)，该调制策略取消了工频电压器环节，提高了功率密度，降低了成本等；虽然实现了能量双向流动，但在该调制策略中需要斟酌变压器磁复位问题，影响电压矢量的合成，导致电压方向不定，且其SVPWM控制策略改进后较复杂，难以操作实现。为简化SVPWM操作复杂性，文献[9]提出了一种以电容储能作为反馈变量的双闭环多电平整流器控制策略，其将电压电流双闭环控制改为能量电流双闭环控制；虽然其提高了动态性能，但其采用的基于零序电压注入分量的SPWM策略不能快速跟踪中点电位，易引起中点电位失衡。

本文将三相三电平PWM整流器作为研究对象，基于文献[8]中的SVPWM控制，详述电路拓扑结构，建立开关函数的数学模型；根据文献[9]中能量电流闭环控制的系统特点，提出在不平衡直流电压采样后插入改进下垂控制，借以消除整流器输出中点电位的波动。该控制策略可较好地协调电压电流，减少电流总畸变率，直流侧电压保持稳定在一定范围内。最后通过在Matlab/Simulink中建立仿真模型，验证该控制策略的有效性。

1 三相三电平PWM整流器

1.1主电路及数学模型

图1 三相三电平PWM整流器主电路拓扑结构Fig.1 Main circuit topology of three-phase three-level PWM rectifier

三相三电平PWM整流器的主电路结构拓扑如图1所示。图中：Ua、Ub、Uc分别为交流侧三相交流源对称相电压；Lg分别为交流侧的三相滤波电感；Rg分别为交流侧的三相等效电阻；C1、C2分别为直流母线侧的滤波电容(其中C1=C2)；UDC为直流母线侧的电压有效值；ia、ib、ic为交流侧三相输入电流；iDC为直流母线侧输出电流；ea、eb、ec为三相三电平PWM整流器三相交流侧电源中点电压。

由图1可得三相三电平PWM整流器在三相abc坐标系下的交流侧数学模型：

式中k=a，b，c。

其中三相三电平PWM整流器的单投开关等效拓扑如图2所示,图中iZ为负载电流。由此，开关函数Skp、Sko、Skn与Sk的对应关系为

(5)

图2 三相三电平PWM器单投开关等效拓扑Fig.2 Single-throw switch equivalent topology of three-phase three-level PWM device

由式(1)，根据矢量变换，可得三相三电平PWM整流器在两相同步旋转dq坐标系下的交流侧数学模型：

(6)

三相三电平PWM整流器直流侧数学模型为

(7)

1.2双闭环控制

在三相三电平PWM整流器中，双闭环控制采用直流母线侧电压控制外环、三相对称交流侧相电流控制内环的方式，控制框图如图3所示。

图3 双闭环控制框图Fig.3 Double closed-loop control block diagram

2 三相三电平PWM整流器改进闭环控制

2.1逆变器并网下垂特性

整流器内部的电源输出及负荷消耗功率决定了系统内电压功率平衡状态，变换器作为枢纽，应根据两侧供求关系决定功率传输方向。传统的下垂特性[10-15]是频率分散控制，根据发电机的有功功率与频率(P-f)和无功功率与基波的电压幅值(Q-U)特性模拟，在一个实际系统中，采用频率/电压下垂控制法，可使分布式发电机(distributed generation, DG)具有发电机转子的特性，使各DG实现在公共耦合点上微电网的同步接收信号，实现各DG均衡的功率共享及自主控制。

下垂特性为

(8)

式中:m和n为系统中频率下垂系数和电压下垂系数；P、Q分别为变换器的有功功率和额定无功功率；f、fs分别为变换器的输出频率和同步频率；U、U*分别为变换器输出电压大小和基波的电压幅值。因此，频率/电压下垂系数可由系统最大有功输出、最大无功输出及最大频率偏差、最大电压幅值偏差求出：

(9)

式中：PN、QN分别为变换器的额定有功功率和额定无功功率；fN、UN分别为变换器的输出频率和变换器电压幅值的参考量。

2.2改进下垂控制

三相三电平PWM整流器在运行时，其传输特性与直流侧电压的关系可结合上述下垂特性来描述，将上述下垂控制策略进行改进得

U_DC=UDC-aPt

(10)

式中：Pt为三相交流侧传输的有功功率；a可近似等效为m，即变换器的下垂系数。

根据式(10)，改进下垂控制策略控制三相三电平PWM整流器控制框图如图4所示。

图4 改进下垂应用于三相三电平PWM整流器Fig.4 Improved sagging for three-phase three-level PWM rectifiers

2.3电流内环设计

电流分d、q两轴分量，分别对其进行控制，电流环控制框图如图5所示。kpwm和Tpwm分别为三相三电平PWM整流器增益与延时，L为滤波电感，r为滤波电感上附加电阻，Ts为采样时间常数。

图5 电流环PI控制框图Fig.5 Current loop PI control block diagram

由图5可得电流环开环传递函数为

(11)

(12)

由式(12)，通过转换计算可得

(13)

2.4电压外环设计

图6 电压环PI控制框图Fig.6 Voltage loop PI control block diagram

由图6可得电压环开环传递函数为

(14)

将式(14)简化得

(15)

(16)

3 仿真结果

为验证改进控制的三相三电平PWM整流器输出的优越性能，在Matlab/Simulink环境下，分别搭建了双闭环控制及改进闭环控制三相三电平PWM整流器的仿真模型，两者参数一致，交流侧线电压有效值为600 V，交流侧滤波电感、滤波电容分别为30 mH、1 μF，直流侧电压为600 V，变压器变比为600/240 V，开关频率为5 kHz。两者的仿真结果如图7—10所示。

图7 不同控制器下交流侧相电压相电流的输出Fig.7 Output of side-phase voltage phase current of AC side under different controllers

图8 不同控制器下交流侧线电压ua b的输出Fig.8 Output of AC side line voltage ua b under different controllers

图9 不同控制器下直流侧电压UDC的输出Fig.9 Output of DC side voltage uDC under different controllers

图10 不同控制器下瞬时有功功率P、无功功率Q的输出Fig.10 Output of instantaneous active power P and reactive power Q under different controllers

图7(a)中改进下垂控制的相电压相电流先趋于相位同步，实现单位功率因数运行;且在同一时间点下，改进下垂控制的电流脉冲峰值小于双闭环控制的电流脉冲峰值。图8在初始时，线电压Uab波动较为混乱，0.02 s起，图8(a)中的Uab畸变脉动迅速减少，保持三电平输出特性输出波形。图9中Udc在趋于平稳时虽未超调，但其在0.08 s才到达系统期望值，而采用改进下垂控制仅需0.04 s就达到了系统目标值。图10在闭环控制下P、Q的初始输出冲击虽然比较小，但趋于期望计算值时波动较大，改进下垂控制更迅速地实现功率因数为1。因此，在频率/电压下垂控制的基础上改进下垂控制可快速实现三相三电平PWM整流器系统稳定。

4 结论

在本文中，将两种不同控制策略用于三相三电平PWM整流器系统。对于两种控制策略，改进下垂控制策略在传统闭环控制的基础上进行优化，根据两者相似的系统结构确定两者相同的控制参数，应用Matlab/Simulink进行了闭环仿真，实现了单位功率因数控制的快速性，使瞬间响应速度提高以及输出电压有一个良好的渐进跟踪。对于三相三电平PWM整流器，改进下垂控制是相对有效的控制策略。

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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

国家自然科学基金项目(61672225)；国家科技部火炬计划项目(2015GH712901)；湖南省教育厅重点项目(14A038)

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

王聪聪

2017-07-13

王聪聪(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向为交直流混合微电网下变换器控制策略的研究，408611380@qq.com；肖伸平(1965—)，男，教授，主要研究方向为时滞系统鲁棒控制、过程控制与智能控制， xsph_519@163.com。

(编辑 谷子)