三相电压型PWM整流器不平衡控制策略的研究

郑征，张子伟，张朋

（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 454000）

三相电压型PWM整流器不平衡控制策略的研究

郑征，张子伟，张朋

（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 454000）

分析电网不平衡状态时三相电压型PWM整流器特性基础上，提出了预测电流控制算法。它与传统的双电流独立内环控制算法相比，无需进行网侧电流正、负序分量计算，并省去4个内环调节器，很大程度上简化了算法和提高了系统计算速度。通过RT-LAB半实物实时仿真实验结果表明，该控制方法具有结构、算法简单，动态响应快，输出电压稳定性好，功率因数高的特性。

电压型PWM整流器；电网不平衡；预测电流；RT-LAB半实物实时仿真

1 引言

常规的三相电压型PWM整流器（VSR）控制策略是在假定电网对称的条件下开展研究工作的，然而电网不平衡现象时常发生，致使以电网平衡为约束条件所设计的PWM整流器失去其功率因数高，谐波含量小的特性，严重时可能损坏整流器。

目前，电网不平衡时三相VSR常用的控制策略为正、负序双电流内环独立控制，该算法基于（d，q）同步旋转坐标系中对正、负序电流独立控制的方法，包括网侧电压和电流实时的正、负序分量检测，电流控制指令算法和正、负序电流内环前馈解耦控制［1-2］，该控制策略的结构和算法均较复杂，具有动态响应慢等缺点。以提高系统的动态响应和降低谐波分量为目标，近年来国内外出现了一些电压型PWM整流器不平衡控制方法，如内模控制［3-4］，这种方法能较好地跟踪指令电流，但是，这种方法建模、计算参数等比较复杂。

本文提出了预测电流控制（PCC）的三相电压型PWM整流器不平衡的算法，该方法在（α，β）静止坐标系中构成不平衡的控制系统，在进行电流跟踪控制时不需要独立检测正、负序电流分量，从而简化控制算法，该策略大大消除了整流器直流侧电压的纹波分量，实现了对正、负序电流无静差跟踪，从而提高了系统的稳定性，进一步提高系统的性能。

2 电网不平衡时三相VSR数学模型

对于图1所示的三相无中线Y型系统，由于不存在零序电流回路，在分析三相PWM整流器不平衡控制策略时只研究正、负序分量的影响。为分析方便，只考虑三相PWM整流器基波分量，在两相静止（α，β）坐标系中三相PWM整流器的矢量模型方程为［5-7］

图1 三相电压型整流器拓扑结构图Fig.1 Block diagram of three-phase voltage source PWM rectifier

当电网不平衡时，矢量eαβ，uαβ，iαβ均含有正、负序分量，以电流矢量iαβ为例，其表达式为

同样，电网电动势复矢量和整流器输入端电压矢量可分别表示为

根据图1和式（1）～式（3）可知，在（α，β）坐标系下，通过控制矢量uαβ就可以控制三相VSR交流电流矢量Iαβ，也就控制了三相VSR交流电流ia，ib，ic。

3 三相VSR不平衡电流控制算法

在三相电网不平衡条件下，三相VSR网侧有功功率P(t)、无功功率Q(t)均含有2次谐波分量［7-11］，可表示为

则式（4）将转化为

式中：kup，kui分别为电压调节器比例、积分增益。

将控制关系式代入式（4）并求出逆变换，就可以获取抑制三相VSR直流侧电压波动控制时的电流指令：

4 基于预测电流控制的不平衡控制系统

从式（7）、式（8）可以明显看出，该系统含有负序电流；本文采用的基于抑制三相VSR直流侧电压2次谐波的不平衡控制策略，因此，交流侧电流含有负序电流，交流侧电流波形稍差。

图2 基于预测电流控制的三相VSR不平衡控制系统框图Fig.2 Block diagram of three-phase VSR based on predictive current control

在（α，β）静止坐标系中应用预测电流的控制算法实现电流的无静差跟踪，可以把固定开关频率的电流调节看作是以开关周期Ts为时间常数的一阶惯性环节，并使交流电流ik跟踪指令，则当开关频率足够大时，可用差分环节代替微分。

将式（9）式带入式（1）可得出下式：

将式（11）中的uα，uβ进行SVPWM调制，输出PWM脉冲，最终实现对整流器的控制。

5 仿真研究

本文在Matlab/Simulink环境下建立了系统仿真模型，以检验基于预测电流控制的三相电压型PWM整流器不平衡控制正确性。仿真参数为：a相、c相电网电压为311 V，b相电压为340 V；不平衡度为3.02%；电网电压频率为50 Hz；整流器输入电阻为1.35Ω，电感为6 mH；为了验证本文所提出的预测电流控制方法有效特性，对预测电流控制算法和传统双电流独立内环控制算法进行仿真和实验比较，其仿真参数如表1所示。

表1 两种控制策略仿真参数设置Tab.1 Parameters settings of two control strategy

图3和图4分别为双电流独立内环控制和预测电流控制的直流侧电压波形、交流侧电流波形和a相电压和电流波形。对比图3和图4可知，两种方法直流输出电压都能快速达到预定值（600 V），交流侧电流在稳定之后，都有比较好的正弦化。双电流独立内环控制策略直流电压响应时间为0.25 s，而预测电流控制策略直流电压响应时间为0.14 s，比传统的双电流内环控制提高了44%，大大降低了响应时间；从交流侧电流波形傅里叶分析来看，传统的双电流内环控制和预测电流控制的THD（总的谐波畸变率）分别为3.02%和3.26%，图3c交流侧电流傅里叶分析3次谐波含量高达2.3%，而图4c的3次谐波为1%左右，可以得出，预测电流控制方法比双电流内环控制更有效地滤除3次谐波。但是，从图4d上看，电压和电流还有相位差，功率因数基本为1，而图3d的电压和电流同相位，即实现了高功率因数整流。

图3 采用双电流内环控制仿真波形Fig.3 Waveforms of simulation with doublethe current inner loop control

图4 采用预测电流控制仿真波形Fig.4 Waveforms of simulation with predictive current control

6 实验及结果分析

本文使用RT-LAB半实物实时仿真和目标机连接相应的硬件对两种控制策略进行验证。RT-LAB是加拿大Opal—RT公司开发的一套基于模型的仿真系统平台软件包，主要用于分布式仿真、快速控制系统原型、半实物仿真的软件和系统测试等。RT-LAB支持种类非常多的I/O硬件板卡，它将I/O设备接口制成Simulink模块，供Simulink模型设置和调用，无需开发者自行设计。本文用的是OP5142板卡；由于RT-LAB目标机（QNX节点）上板卡在任何系统里输出模拟量范围为-16 V～+16 V，硬件上有过压保护，软件里可以用增益来调整，也可用限幅模块限幅；本文采用相应的增益模块对其限幅。

图5、图6分别为采用正、负序双电流内环控制和预测电流控制实验波形。

图5 采用双电流内环控制实验波形Fig.5 Waveforms of experiment with double the current inner loop control

图6 采用预测电流控制实验波形Fig.6 Waveforms of experiment with predictive current control

由以上实验波形比较可以看出，在传统双电流内环控制下，直流输出电压有明显的波动，交流侧电流的正弦波稍差，从图5b图形计算出：

式中：Ij(1)为交流电流基波有效值；Ij(n)为交流电流n次谐波电流有效值。

谐波含量较大，与仿真图3c差别较大，主要是仿真时采用的是可变步长，而实验采用的是定步长；然而，当使用预测电流控制时，直流输出电压更为平滑，稳定性好，交流侧电流的正弦波较好，从图6b图形计算交流侧总的谐波畸变率（THD）为

大大降低了谐波畸变率；电压和电流相位基本同相，且具有固定的开关频率和交流侧电流谐波含量更少。说明预测电流控制方法能很好地降低交流侧电流谐波畸变率，动态响应快，输出直流电压稳定性好。试验结果论证了理论分析的正确性。

7 结论

针对电网不平衡所造成的三相PWM整流电路控制性能差的问题，本文提出了预测电流控制算法，该方法是一种可靠、优良的控制算法。母线电压稳定，交流侧电流谐波含量少，而且具有固定的开关频率、响应速度快的优点。该方法相比双电流内环独立控制具有运算量少，结构简单，尤其是省去了4个PI调节器和电网侧电流的正、负序分离和检测，大大提高了响应速度和简化了控制器的设计。运用RT-LAB半实物实时仿真实验，验证了该方法的结构、算法简单，动态响应快，输出电压稳定性好，功率因数高的特性。

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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

国家自然科学基金（61340015）；国家自然科学基金（51077125）；河南理工大学博士基金（B2012-108）

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

2013-06-28