基于中点电位平衡的三相Vienna整流器控制策略研究

基于中点电位平衡的三相Vienna整流器控制策略研究
鄢圣阳;马辉
【摘要】针对传统控制策略中存在的问题,分析了Vienna整流器数学模型,提出了一种电压外环比例积分电流内环比例积分谐振(PIR)控制策略来改善系统性能,并介绍了中点电位平衡控制策略.将PI控制器与PR控制器组合成PIR控制器,该控制器同时具有PI控制器稳态性能良好以及PR控制器抑制交流谐波分量的特点.所提比例积分PIR控制具有无静差跟随交流信号、抑制输入侧电流谐波、直流侧电压稳定快且上下电容电压近乎相等等优点.最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略优越性.
【期刊名称】《电力学报》
【年(卷),期】2019(034)003
【总页数】6页(P274-279)
【关键词】Vienna整流器;PI控制;PIR控制;中点电位平衡
【作者】鄢圣阳;马辉
【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002
【正文语种】中文
【中图分类】TM461
0 引言
为使三相Vienna整流器运行于单位功率因数下，且具有较好电能质量，电流内环控制策略直接影响交流侧以及直流负载侧电压性能，受到了国内外学者广泛关注[1-5]。

目前主要研究有滞环控制、PI控制、重复控制等控制策略，文献[1,2]提出
了滞环控制策略，虽然控制简单，且鲁棒性、动态性和稳态性都较好，但开关频率可变，主电路和滤波器参数设计比较困难；文献[3]提出了PI控制策略，虽然参数设计简单，但系统动态和稳态性能较差；文献[4,5]提出了重复控制策略，虽然在
稳态时能无静差跟踪交流信号，但频率波动时稳态跟随性会变差，且动态性能较差。

为克服上述控制策略中所存在问题，基于Vienna整流器的比例积分PIR控制策略被提出。

图1 三相Vienna整流器拓扑结构Fig.1 The topology of Three-phase Vienna rectifier
传统PI控制器参数设计简单，但不能滤除特定次谐波，为减小网侧电流谐波分量，将PI控制器与PR控制器组合成PIR控制器，不仅能实现工频交流信号无静差跟踪，还能减小网侧电流谐波分量。

本文将PI控制器用于电压外环，PIR控制器用
于电流内环，推导并介绍该控制策略，给出数学模型及控制原理框图。

最后通过搭建Matlab/Simulink仿真模型来验证所提控制策略优越性，结果表明比例积分
PIR控制的设计和实现简单，能无静差跟随交流信号且能有效减小交流侧电流谐波分量[6-8]。

1 Vienna整流器拓扑结构及数学模型
三相Vienna整流器主电路拓扑结构如图1所示，电路由六个二极管D(x)p和
D(x)n组成不控整流电路，Ux和ix分别为交流电压和电流，Lx为大小相等的升压电感，Rx为交流电阻，C1和C2为直流输出电容，x = a,b,c。

在两相同步旋转坐标系下Vienna整流器数学模型为：
(1)
其中ud=SdpUc1-SdnUc2，uq=SqpUc1-SqnUc2。

Sdp，Sdn，Sqp和Sqn分别为dq坐标系下整流器的开关函数。

由于同步旋转坐标系下dq分量相互耦合，为简化计算，需要对电路进行解耦处理。

电流内环解耦PIR控制如图2所示。

2 Vienna整流器比例积分PIR控制策略实现
三相Vienna整流器控制原理框图如图2所示。

图2 Vienna整流器比例积分PIR控制框图Fig.2 Block diagram of the proportional integral PIRcontrol for Vienna rectifier
图2中Vienna整流器中电压外环主要作用是稳定直流电压，并提供电流内环有功电流给定值，一般还需要考虑抗干扰能力。

电流内环采用前馈解耦控制来消除有功电流与无功电流之间的相互耦合影响，为使系统单位功率因数运行，有功电流采用电压外环参考给定值，无功电流直接给定为零。

2.1 电压外环比例积分控制
电压外环控制目的是使负载电压值跟随给定电压，其设计主要考虑抗干扰能力和稳定性。

电压外环PI控制传递函数：
(2)
其中Kvp，Kvi为比例和积分系数，idref为电压外环输出有功电流值，同时也是
电流内环输入，为提高系统功率因数，使系统运行在单位功率因数下，通常会给定无功电流输入iqref=0。

2.2 电流内环PIR控制
传统PI控制器可对交流电流进行无静差跟踪，但对电流中存在的特定(5次、7次、
11次、13次等)谐波难以滤除，会使电流谐波含量偏高，影响系统性能。

为了减
小交流电流谐波分量，本文将PI控制器与PR控制器组合成PIR控制器，不仅具
有PI控制器无静差跟随的优点，还具有PR控制器能滤除交流信号中特定谐波分
量的优点，优化系统性能[9-16]。

理想PR控制器[6-8]：
(3)
式中，kp，kr分别为电流内环比例和谐振系数，ωn为谐振频率，工频下取100π。

理想比例谐振控制器在谐振频率处增益为无穷，其他频率处增益为零，在电网频率波动时控制器增益会迅速下降，影响系统性能。

为增加谐振频率点附近增益，实际应用中一般加入衰减因子2ωcs来增加系统带宽。

图3 PIR控制器波特图Fig.3 Bode diagram of PIR controller
加入衰减因子后PR控制器变为：
(4)
传统的电流内环PI控制器：
(5)
将PI控制器和PR控制器组合成PIR控制器：
GPIR=GPR+GPI.
(6)
PIR控制器中有功和无功电流前馈解耦控制：
(7)
PIR控制器波特图如图3所示。

由图3可知，PIR控制器在基频附近增益不为零，且带宽增加。

因此电网频率在基频附近波动时，控制器仍具有较大增益。

由于PI控制器只能对直流信号进行无静差跟随，对交流信号不能进行无静差跟随，本文为优化系统性能，滤除交流电流中特定次数谐波分量，在PI控制器中加入特定谐振环节。

2.3 中点电位平衡控制策略
与传统PWM整流器相比，三相Vienna整流器直流侧有上下两电容，能降低整流器的器件应力，实现三电平输出，但也存在一定缺点：当直流侧上下电容电压不相等时，若不加控制，随着时间累计，电荷量的累计会降低电容器使用寿命，严重时甚至会毁坏电容器，危及整流器安全，减少其使用寿命。

为延长Vienna整流器使用寿命，保护电容器，需对其上下电容电压进行中点电位平衡控制。

两电容电压差ΔU=Uc1-Uc2，一般通过PI控制器来控制ΔU，平衡因子f为[7]：
(8)
式中，kp1和ki1分别为中点电位平衡比例和积分系数。

平衡因子f的工作原理：当ΔU>0时，即上电容电压大于下电容电压，此时f>0，控制上电容充电时间减少，下电容充电时间增多，ΔU逐渐减小，最后趋于零；当ΔU<0时，充电过程相反。

3 仿真验证
为验证文中所提比例积分PIR控制算法有效性和优越性，在Matlab/Simulink仿真系统中搭建模型。

仿真参数具体设计如表1所示。

其中电压外环kvp=0.1，kvi=30，电流内环kip=60，kii=10，kir=10。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters参数取值参数取值网侧相电压/V60交流侧滤波电感/mH4直流侧电压/V250交流侧电阻/Ω0.1负载电阻/Ω50直流侧
电容/μF470
图4 直流负载和上下电容电压仿真波形Fig.4 Simulation of DC load and upper and lower capacitor voltage
图4为直流负载以及上下电容电压仿真波形。

由图可知，系统启动时，直流电压上升波形平滑且仅需0.02 s就达到稳定，电压超调量较小，约为10 V，稳定后直流侧电压上下波动极小；0.1 s时直流负载侧并联80 Ω电阻，电压能在0.12 s左右重新达到稳定，且稳定后波动也极小。

负载启动和突变后上下电容电压跟随情况良好。

图5 交流侧电流和电压仿真波形Fig.5 Simulation of AC side current and voltage
图5为交流侧电流和电压仿真波形。

由图可知，系统稳定后，电压、电流接近同相位运行，即Vienna整流器近似工作于单位功率因数下。

在0.1 s时负载突变，电压电流仍能接近单位功率因数运行。

图6 交流侧电流谐波分量图Fig.6 The current harmonic component diagram of AC side
图6(a)和图6(b)分别为双PI控制和比例积分PIR控制下网侧电流谐波含量。

由图可知，双PI控制下电流谐波含量为0.98%，比例积分PIR控制下电流总谐波含量为0.81%，均满足国际标准所规定THD技术指标3%的要求，但比例积分PIR控制下谐波分量约比双PI控制下减少20%，且低次谐波下降更为明显，进而说明了该控制策略能有效降低交流电流谐波分量。

图7 上下电容电压之差的仿真波形Fig.7 The simulation waveform of the difference between up and down capacitor voltage
图7为上下电容电压之差仿真波形。

由图可知，上下电容电压近乎相等，说明中点电位平衡控制策略效果显著，能有效调节上下电容电压差值。

4 结论
本文针对三相Vienna整流器设计了一种比例积分PIR控制策略，并简单介绍中点电位平衡控制策略，通过搭建仿真来对文中所提控制策略进行理论验证。

仿真结果证明，比例积分PIR控制策略能有效减小网侧电流谐波含量，提高电流正弦化程度，使系统单位功率因数运行，且上下电容电压几乎相等，中点电位平衡控制策略效果明显，控制参数整定也比较简单。

该控制策略对实际应用具有一定参考价值。

参考文献：
【相关文献】
[1] ICHIKAWA R,FUNATO H,NEMOTO K.Experimental Verification of Single Phase Utility Interface Inverter Based on Digital Hysteresis Current Controller[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems,Beijing:IEEE,2011:351-321.
[2] DAHONO P A.New Hysteresis Current Controller for Single-Phase Full-Bridge Inverters[J].IET Power Electronics,2009,02(05):585-594.
[3] 马辉,谢运祥,施泽宇,等.Vienna 整流器滑模直接功率及中点电位平衡控制策略[J].电机与控制学报,2016,20(08):10-16.
MA Hui,XIE Yun-xiang,SHI Ze-yu,et al.Sliding -mode Based Direct Power Control and Neutral Point Potential Balance Control for Vienna Rectifier[J].Electric Machines and Control,2016,20(08):10-16.
[4] 陈东.并网逆变器系统中的重复控制技术及其应用研究[D].杭州:浙江大学,2013.
CHEN Dong.Research on Repetitive Control Technique and Application in Grid-Connected Inverter Systems[D].Hangzhou:Zhejiang University,2013.
[5] 王斯然,吕征宇.LCL型并网逆变器中重复控制方法研究[J].中国电机工程学报,2010,30(27):69-75. WANG Si-ran，LYU Zheng-yu.Research on Repetitive Control Method Applied to Grid-Connected Inverter with LCL Filter[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(27):69-75.
[6] 郭旭刚,高增伟,尹靖元,等.不平衡电网电压下的PWM整流器功率预测[J].电网技
术,2013,37(08):2362-2367.
GUO Xu-gang,GAO Zeng-wei,YIN Jing-yuan,et al.Predictive Direct Power Control for PWM Rectifier under Unbalanced Grid Voltage Conditions[J].Power System
Technology,2013,37(08):2362-2367.
[7] 秦汉.三相三线制VIENNA整流器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.
QIN Han.Three-Phase Three-Wire System Research of Vienna Rectifier[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2016.
[8] 陈思哲,章云,吴捷,等.不平衡电网电压下双馈风力发电系统的比例-积分-谐振并网控制[J].电网技术,2012,36(08):62-68.
CHEN Si-zhe,ZHANG Yun,WU Jie,et al.Proportional-Integral-Resonant Grid-Connection Control for Doubly-Fed Wind Power Generation System under Unbalanced Grid
Voltage[J].Power System Technology,2012,36(08):62-68.
[9] SUN H Y,SUN Y K,ZHANG L,et al.Three Single-Phase Control of NPC Three-Level Photovoltaic Grid-Connected Inverter Based on Quasi-PR Control[C]//2013 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS).Busan:IEEE,2013:1603-1608. [10] 韩莹,陈维荣,李奇,等.分布式电源并网逆变器谐波抑制方法[J].电力系统及其自动化学
报,2014,26(09):1-6.
HAN Ying,CHEN Wei-rong,LI Qi,et al.Harmonic Suppression Methods for Grid-Connected Inverter of Distributed Generation[J].Proceedings of the CSU-EPSA,2014,26(09):1-6. [11] LIU B,YANG X,ZHANG Y,et al.A New Control Strategy Combing PI and quasi-PR Control under Rotate Frame for Three Phase Grid-Connected Photovoltaic Inverter[C]//8th International Conference on Power Electronics-ECCE Asia.Jeju，South
Korea:IEEE,2011:882-888.
[12] 何国军,王旭峰[J].CRH2动车组三电平PWM整流器仿真及谐波分析[J].电力学
报,2010,25(06):455-457.
HE Guo-jun，WANG Xu-feng.Three-Level PWM Rectifier Simulation and Harmonic Analysis of CRH2 Electric Multiple Units[J].Journal of Electric Power,2010,25(06):455-457.
[13] 王万宝,张犁,胡海兵,等.PR控制器对三电平半桥逆变器的均压研究[J].电力电子技
术,2013,47(06):10-11+14.
WANG Wan-bao,ZHANG Li,HU Hai-bing,et al.PR Controller Influence on Voltage Balance Control for Three-Level Inverter[J].Power Electronics,2013,47(06):10-11+14.
[14] YANG H C,LIN H,LYU Y C,et al.A Multi-Resonant PR Inner Current Controller Design for Reversible PWM Rectifier[C]//2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC),Long Beach，CA，USA,2013:316-320. [15] 黄如海,谢少军.基于比例谐振调节器的逆变器双环控制策略研究[J].电工技术学
报,2012,27(02):77-81.
HUANG Ru-hai,XIE Shao-jun.Double-Loop Digital Control Strategy Based on Proportional-Resonant Controller[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(02): 77-81.
[16] 马琳,金新民,唐芬,等.小功率单相并网逆变器并网电流的比例谐振控制[J].北京交通大学学
报,2010,34(02):128-132.
MA Lin,JIN Xin-min,TANG Fen,et al.Proportional-Resonant Gird-Connected Current
Control of Low Power Single Phase Inverter[J].Journal of Beijing Jiaotong University,2010,34(02):128-132.。