三相可逆PWM整流器电流内环的多谐振PR控制技术

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1、2012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集三相可逆PWM整流器电流内环的多谐振PR控制技术杨化承，林桦，罗咏，吕永灿，王兴伟(华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），湖北省武汉市430074)摘要：介绍和分析了基于LCL滤波器的可逆PWM变换器的控制策略。针对两相旋转坐标系下LCL滤波器模型的复杂耦合性，电流内环在两相静止坐标系下进行控制，同时为了能够无差跟踪正弦变化的信号并且消除电网电压对电流内环的干扰，控制器选用的是多谐振的PR控制器。由于滤波器和控制器均

2、具有很高的阶数，给控制器的设计带来了困难。为此，本文给出了一种基于相位域度的简单控制器设计方法。在保证了系统稳定的前提下，使其具有较好的动态性能。最终搭建了一台1.5KW的可逆PWM整流器样机，验证了多PR控制器的无差跟踪以及消除电网电压的影响的能力；同时也证明了基于相位裕度设计控制器的准确性和可行性。关键词：PWM整流器；静止坐标系；电流内环；多谐振控制器；相位裕度；1引言[1]近年来，随着环境污染的加重和能源危机的到来，可再生能源（风能、太阳[2]能、潮汐能）的开发和利用正越来越受到人们的重视。可逆

3、PWM整流器是新能源发电并网的关键接口技术。PWM整流器能够实现输入单位功率因素、输入电流正弦化以及能量的双向流动。但是会在其开关频率及开关频率的整倍数处产生幅值较大的谐波。通常情况下是通过单L电感滤除高次谐波。但是对于大容量系统所需的电感较大，造价高。[3-5]LCL滤波器能够实现用很小的滤波电感有效的衰减系统中的高频谐波，因此被广泛应用。[6-7]PI控制技术比较成熟，常应用到PWM整流器的电流内环控制中。LCL滤波器在旋转坐标系下具有复杂的耦合关系，给控制上带来了困难。两相静止坐标系下的电流内环是

4、独立的，因此选择在该坐标系下对电流内环进行控制，同时由于被控对象是正弦变化的量，常规的PI控制无法实现无差跟踪。一些文献提出了比例谐振控制器，其能够在谐振处提供无穷大的增益，从而实现了对正弦量的无差跟踪。[8]此外电网电压中的谐波会影响到电流环输出的电流波形的质量，最终电流内环采[9-11]用了多谐振PR控制器。由于被控对象和控制器都是高阶系统，控制环节的设计[12]较为复杂。文章给出了一种基于根轨迹的多谐振PR控制器设计方法，这种方法很好的给出了个PR控制器参数变化时根轨迹的变化曲线，并且根据此选择P

5、R参数[13]保证系统稳定。但是它并没有考虑到系统的动态性能。文章给出了一种基于主导极点的多谐振控制器设计方法，这种方法通过保证主导极点满足给定条件来确定各个PR控制器的参数，保证了系统具有很好的动态性能。但是该法过于复杂，造成设计过程过于繁琐。首先分析可逆PWM变换器电压外环和电流内环的双环控制策略，并解释了电流内环输出受电网电压影响的机理。最终选择在两相静止坐标系下对电流内环进行2752012年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集控制，同时为了实现了对指令的无差跟踪和抑制电网电压对

6、电流的影响，控制器选用了多谐振PR控制器。针对被控对象和控制系统复杂性，本文提出了一种基于相位裕度的简单控制器设计方法。在保证系统稳定的前提下，使设计的系统具有较好的动态性能。最后通过仿真和实验验证了这种方法的可行性。2基于LCL可逆PWM整流器系统工作原理（1）主电路拓扑图1是本文研究的是基于LCL的三相可逆PWM整流器的拓扑。ea、eb、ec分别为三相电网电压；i1a、i1b、i1c为网侧电流；i2a、i2b、i2c为变换器侧电流；变换器侧电感L1、网侧电感L2以及电容Cf构成了LCL滤波器；ua、

7、ub、uc分别表示变换器输出电压；开关管SS16~构成三相桥式PWM电路；Cdc是直流侧电容；Vdc和idc分别表示直流侧电压和直流侧电流。三相PWM整流器经过滤波电感连接到电网。AC/DCS1S3S5ieaL2i2ai1aL1Cuadcebi2bi1bubeci2ci1cVdcicaicbiccucCfS4S6S2图1基于LCL三相可逆PWM整流器拓扑（2）系统控制策略可逆PWM整流器控制框图如图2所示。本文采用的是电压外环、电流内环的双环控制结构，电流内环是在静止坐标系下进行控制。直流母线电压V和指

8、令电压dcV进行比较，误差量送入PI调节器调节，输出量作为有功电流的指令值i。同dcrefdref时电压外环PI调节器的输出也决定了系统的工作模态：当输出值为正时，变换器工作在整流模态；当输出为负时，变换器工作在逆变模态。i和无功电流指令值i通drefqref过反PARK变换得到坐标系下电流指令值i和i，它们分别与实际的坐标refref系下电流值i和i相比较，误差信号作为PR调节器的输入量，输出量与电容电流反馈值叠加，然后经