基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究

1、󰀁第3期󰀁2011年3月工礦自動化IndustryandMineAutomationNo.3󰀁Mar.2011󰀁文章編號:1671-251X(2011)03-0039-05󰀁󰀁󰀁DOI:CNKI:32-1627/TP.20110226.1626.016基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究黃秋燕,󰀁張閣(中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院,江蘇徐州󰀁221008)󰀁󰀁摘要:針對電壓型PWM整流器開關(guān)頻率附近的高次諧波污染電網(wǎng),傳統(tǒng)

2、的電壓型PWM整流器的控制策略都是基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,存在電流交叉耦合項、計算量大的問題,提出了一種兩相靜止坐標(biāo)系下基于LCL濾波器的PWM整流器的控制算法。該算法利用Clark變換系將三相靜止坐標(biāo)系下的電壓型PWM整流器系統(tǒng)變換到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓型PWM整流器系統(tǒng),避免了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流交叉耦合項;采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器控制電壓型PWM整流器的電流,實現(xiàn)了電流的跟蹤控制。Matlab仿真結(jié)果驗證了該算法的正確性和可行性。關(guān)鍵詞:電壓型PWM整流器;LCL濾波器;兩相靜止坐標(biāo)系;諧波;準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器;VSR󰀁󰀁中圖分類號:TD608󰀁b

3、3041;󰀁文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A󰀁󰀁󰀁網(wǎng)絡(luò)出版時間:2011-02-2616:26󰀁󰀁網(wǎng)絡(luò)出版地址:ResearchofVoltageSourcePWMRectifierBasedonLCLFilterHUANGQiu󰀁yan,󰀁ZHANGGe(SchoolofInformationandElectricalEngineeringofCUMT.,Xuzhou221008,China)󰀁󰀁Abstract:Inviewofproblemstha

4、thighharmonicsofswitchingfrequencyofvoltagesourcePWM收稿日期:2010-12-31作者簡介:黃秋燕(1986-),女,江蘇徐州人,碩士研究生,研究方向為嵌入式系統(tǒng)。E󰀁mail:huangqiuyanzdb響,在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的全波傅里葉算法。該算法計算簡單、數(shù)據(jù)窗短(只用到1個基頻周期的N個采樣點(diǎn)),不需要增加額外的采樣點(diǎn),只需對采樣序列進(jìn)行奇偶分列并分別進(jìn)行傅里葉計算就能有效地消除衰減直流分量的影響。仿真結(jié)果表明,該算法具有較高的精度,符合微機(jī)繼電保護(hù)的要求。參考文獻(xiàn):1󰀁張明君.電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)M

5、.北京:冶金工業(yè)出版社,2002.2󰀁羅鈺玲.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)M.北京:人民郵電出版社,2005.3󰀁董連河.電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)新算法的研究D.大慶:大慶石油學(xué)院,2008.4󰀁陳潔,何志勤,葉青.微機(jī)保護(hù)中濾除衰減直流分量的全周波傅氏算法的仿真比較分析J.繼電器,2007,35(6):16󰀁20,29.5󰀁侯有韜,張舉.一種濾除衰減直流分量的快速算法J.繼電器,2004,32(6):6󰀁9.6󰀁馬磊,王曾平,徐巖.微機(jī)繼電保護(hù)中濾除衰減直流分量的算法研究J.繼電器,2005,33

6、(17):11󰀁13,34.7󰀁李孟秋,王耀南,王輝.基于全周波傅氏算法濾除衰減直流分量新方法J.湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001,28(1):59󰀁63.8󰀁GUOYong,KEZUNOVICM,CHENDeshu.SimplifiedAlgorithmsforRemovaloftheEffectofExponentiallyDecayingDC󰀁offsetontheFourierAlgorithmJ.IEEETransactionsonPowerDelivery,2003,18(3):711󰀁

7、;717.9󰀁齊先軍,丁明,溫陽東.一種完全濾除衰減直流分量的短數(shù)據(jù)窗改進(jìn)全波傅氏算法J.繼電器,2005,33(17):14󰀁16,44.10󰀁鐘麟,王峰.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用教程M.北京:國防工業(yè)出版社,2003.11󰀁何志勤,樊江濤.基于MATLAB的全波傅氏算法仿真J.華東交通大學(xué)學(xué)報,2006,23(1):113󰀁114.40工礦自動化2011年3月rectifierpollutepowergridandtraditionalcontrolstrategiesofvoltagesourcePWMre

8、ctifierareallbasedontwo phaserotatingcoordinatewhichhascrosscouplingmemberofcurrentandlargecalculation,thepaperproposedacontrolalgorithmofvoltagesourcePWMrectifierbasedonLCLfilterundertwo phasestaticcoordinate.ThealgorithmmakesvoltagesourcePWMrectifiersystemunderthree phasestaticcoordinatetransformv

9、oltagesourcePWMrectifiersystemundertwo phasestaticcoordinatebyuseofClarktransformsystem,whichavoidscrosscouplingmemberofcurrentundertwo phaserotatingcoordinate;thealgorithmusesquasi resonantregulatortocontrolcurrentoftherectifier,whichrealizestrackingcontrolforcurrent.TheMatlabsimulationresultproved

10、correctnessandfeasibilityofthealgorithm.Keywords:voltagesourcePWMrectifier,LCLfilter,two phasestaticcoordinate,harmonic,quasi resonantregulator,VSR0 引言電壓型PWM整流器(VoltageSourcePWMRectifier,VSR)具有四象限運(yùn)行、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)、網(wǎng)側(cè)電流接近正弦等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電氣行業(yè)的各個領(lǐng)域中。實際應(yīng)用中,VSR會產(chǎn)生開關(guān)頻率及其整數(shù)倍的諧波,該諧波污染電網(wǎng),影響其它設(shè)備的性能并增加線路損耗1。采用傳統(tǒng)的基于L型濾波器

11、的VSR通過增加電感量的方法可提高濾波能力,但是該方法影響整流器系統(tǒng)的動態(tài)性能。采用基于LCL濾波器的VSR可有效地解決上述諧波問題2。三相VSR控制策略有多種,國內(nèi)現(xiàn)行的控制策略主要有直接電流控制策略、直接功率控制策略及非線性控制策略,這些控制策略的研究都是基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系1 5Ucf=e-(Rg+Lgs)igUcf=(R+L)i+U(1)i=ig-icf式中:ig為Lg中流過的電流;s為S域中微分因子;U為變流器側(cè)的相電壓。圖1 基于LCL濾波器的三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用Clark變換系可以將三相靜止坐標(biāo)系(a,b,c)下的三相系統(tǒng)變換到兩相靜止坐標(biāo)系( , )下的兩相系統(tǒng):i i pig

12、 ig Ucf Ucf其中:-L 0- 0L 0 0 0-Cf- 0 0gLg 0Cf 00 0 0g-Lg 0Cf- L 0Lg 0 0 00L 0-Lg 0 0;=Ai i ig ig Ucf Ucf+BU U e e(2)。兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中VSR模型含有電流交叉耦合項,需要前饋解耦控制,另外還需要Park變換,計算量較大,整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。采用基于兩相靜止坐標(biāo)系下的VSR控制策略可避免上述缺點(diǎn)?；贚CL濾波器的VSR控制策略采用具有簡單離散迭代算法的準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器跟蹤控制三相交流電流,避免了傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的遲滯現(xiàn)象。Matlab仿真結(jié)果驗證了該算法的正確性和可行性。1 基于LCL

13、濾波器的VSR數(shù)學(xué)模型基于LCL濾波器的VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,其中ea、eb、ec為三相電源電壓;Lg、L、Cf組成LCL濾波器;Rg、R分別為濾波電感Lg和L的內(nèi)阻;C為直流側(cè)濾波電容。根據(jù)圖1,利用基爾霍夫電壓電流定律建立基于三相靜止坐標(biāo)系(a,b,c)的一相回路方程:- 0A=0Cf 02011年第3期-L 0B=0 0 0 0-黃秋燕等:基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究 0L 0 0 0 000Lg000000(a)幅頻特性曲線41Lg00(b)相頻特性曲線式中:p為時域中的微分算子;i 、i 為兩相靜止坐標(biāo)系下VSR側(cè)的輸入電流;U 、U 為兩相靜止坐標(biāo)系下VSR側(cè)的輸

14、入電壓;e 、e 為兩相靜止坐標(biāo)系下電網(wǎng)側(cè)輸入電壓;Ucf 、Ucf 為兩相靜止坐標(biāo)系下電容電壓;ig 、ig 為兩相靜止坐標(biāo)系下電容電流。根據(jù)式(2)可得到兩相靜止坐標(biāo)系下基于LCL濾波器的VSR的數(shù)學(xué)模型,如圖2所示。從圖2可看出,電流沒有出現(xiàn)交叉耦合,整個結(jié)構(gòu)清晰、簡潔。圖4 G(S)的波特圖LCL濾波器的阻抗接近零會產(chǎn)生諧振,破壞VSR系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了抑制諧振通常在已有的控制策略的基礎(chǔ)上添加阻尼抑制諧振。添加阻尼分為無源阻尼法4、有源阻尼法。無源阻尼法通過在電容上串聯(lián)或并聯(lián)電阻增加LCL濾波器的阻尼,使得VSR系統(tǒng)穩(wěn)定,該方法適合于任何成熟的控制策略5 6。但該方法會因為增加電阻而產(chǎn)

15、生損耗,不適合在大功率場合應(yīng)用。有源阻尼法通過修正算法消除共振,使VSR系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。該方法通過增加控制的復(fù)雜性,避免了無源阻尼法產(chǎn)生損耗的缺點(diǎn)。常見的有源阻尼法有虛擬電阻法法8 107圖2 兩相靜止坐標(biāo)系下基于LCL濾波器的VSR的數(shù)學(xué)模型、超前網(wǎng)絡(luò)。超前網(wǎng)絡(luò)、基于遺傳算法的有源阻尼法112 單相濾波器的研究考慮單相LCL濾波器情況時,將電網(wǎng)側(cè)以及整流器側(cè)看作電壓源,得到的等效電路如圖3所示。法需要選擇的參數(shù)較多,而且參數(shù)不容易確定?；谶z傳算法的有源阻尼法的運(yùn)算速度慢,往往出現(xiàn)早熟收斂和收斂性能差等缺點(diǎn)。本文采用基于準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的有源阻尼法,可防止在某些頻率點(diǎn)阻抗為零的情況,使VSR系統(tǒng)穩(wěn)

16、定。該方法簡化了VSR控制系統(tǒng),可以將基于L型濾波器的VSR控制策略應(yīng)用到基于LCL濾波器的VSR中。3 準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器圖3 LCL濾波器單相等效電路根據(jù)圖3,忽略電阻R、Rg的影響,可以寫出單相LCL濾波電路的傳遞函數(shù):g G(S)=-(3)3U(s)LLgCfS+(L+Lg)S根據(jù)式(3),使用Matlab可畫出如圖4所示的波特圖。從圖4可看出,LCL濾波器在低頻段以-20dB/十倍頻衰減,在高頻段以-60dB/十倍頻衰減,由此可知該濾波器能夠有效濾除高次諧波。但該濾波器存在諧振,諧振頻率為w=gLgCf3.1 準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)帶通式準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為G(S)=Kp+28,11

17、12RcS+2wcS+w20(4)式中:Kp為比例放大系數(shù);KR為增益;wc為角頻率;w0為諧振頻率,w0=314r/s。由式(4)可知該調(diào)節(jié)器有Kp、KR、wc三個可變參數(shù)。為了便于分析,通常設(shè)其中2個參數(shù)不變,觀察剩下的一個參數(shù)變化對準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器性能的影響。當(dāng)Kp、KR保持不變時,改變wc的大小不僅會影響準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的增益,還會影響準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器42工礦自動化2011年3月的帶寬。而且由于wc與相位裕量是一對相斥量,如果增大相位裕量,則wc減小,準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性變差。同理,KR的大小影響準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的增益,但不影響準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的帶寬,增大KR,準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的超調(diào)量增大,時間響應(yīng)增加11。

18、Kp影響準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器響應(yīng)的快速性,增大Kp,準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度變快,反之,則變慢。采用Matlab仿真得到的準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的波特圖如圖5所示。4 基于LCL濾波器的VSR系統(tǒng)的控制策略4.1 控制原理基于LCL濾波器的VSR控制框圖如圖7所示,其中ea、eb、ec,ia、ib、ic,udc分別為檢測的三相電壓、三相電流和母線電壓; 為相位角;電壓外環(huán)采用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器,電流內(nèi)環(huán)采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器;id、iq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流的d、q分量;Sa、Sb、Sc為三相開關(guān)函數(shù)。(a)幅頻特性曲線圖7 基于LCL濾波器的VSR控制框圖4.2 基于瞬時無功功率的鎖相技術(shù)相位角的檢測采用基于瞬時無功功率理

19、論的方(b)相頻特性曲線法。該方法結(jié)構(gòu)簡單,能夠準(zhǔn)確鎖定電壓相位,提高魯棒性,對三相輸入電壓諧波具有較強(qiáng)的抑制作用?；谒矔r無功功率理論的鎖相環(huán)控制框圖如圖8所示(其中314為電網(wǎng)電壓的基頻,用于保證掉電瞬間相位的準(zhǔn)確跟蹤)。圖5 準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器的波特圖3.2 電流環(huán)節(jié)設(shè)計傳統(tǒng)的VSR系統(tǒng)控制策略的電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器控制。對于基于LCL濾波器的VSR系統(tǒng),如果在沒有增加阻尼的情況下,采用PI調(diào)節(jié)器控制電流環(huán)時,LCL濾波器易產(chǎn)生諧振,使整個VSR系統(tǒng)無法穩(wěn)定。而采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器,在兩相靜止坐標(biāo)系下能夠避免諧振,達(dá)到良好的控制效果。因此,基于LCL濾波器的VSR的電流內(nèi)環(huán)采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器控制,

20、可實現(xiàn)電流的準(zhǔn)確跟蹤控制。采用Matlab仿真得到的基于LCL濾波器的VSR電流內(nèi)環(huán)的波特圖如圖6所示。圖8 基于瞬時無功功率理論的鎖相環(huán)控制框圖5 仿真實驗及分析基于Matlab環(huán)境對兩相靜止坐標(biāo)系下基于LCL濾波器的三相VSR進(jìn)行建模仿真。仿真參數(shù)如表1所示,仿真波形如圖9所示。從圖9(a)可看出,該VSR實現(xiàn)了單位功率因數(shù);從圖9(b)可看出,電流給定值與電流跟蹤值相互重合,電流跟蹤給定,控制效果較好;從圖9(c)可看出,母線電壓穩(wěn)定較快,說明該VSR具有良好的動態(tài)性能;從圖9(d)可看出,LCL濾波器有效抑制了諧波電流。6 結(jié)語(a)幅頻特性曲線(b)相頻特性曲線圖6 基于LCL濾波器

21、的VSR電流內(nèi)環(huán)的波特圖介紹了兩相靜止坐標(biāo)系下基于LCL濾波器的2011年第3期黃秋燕等:基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究表1 仿真參數(shù)43電網(wǎng)電壓ea/V150L/mH5LCL濾波器參數(shù)R/ 0.05Lg/mH5Rg/ 0.05Cf/ F3電容C/ F3300PI調(diào)節(jié)器參數(shù)K0.2KI100準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器參數(shù)Kp120KR600電網(wǎng)頻率f/Hz50(a)電網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形(b)電流跟蹤波形(c)母線電壓波形(d)A相電流諧波分析圖9 仿真波形VSR的控制算法。該算法避免了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電流交叉耦合項,不需要前饋解耦,使整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單;采用準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器控制基于LCL濾波

22、器的VSR的電流,實現(xiàn)了電流的跟蹤控制。仿真結(jié)果驗證了該算法的正確性和可行性。參考文獻(xiàn):1 LISERREM,BLAABJERGF,HANSENS.DesignandControlofanLCL filterBasedThree phaseActiveRectifierJ.IEEETransactionsonIndustryApplications,2005,41(5):1281 1291.2 孫蔚,伍小杰,戴鵬.基于LCL濾波器的電壓源型PWM整流器控制策略綜述J.電工技術(shù)學(xué)報,2008,23(1):91 96.3 王久和,尹虹仁,張金龍,等.采用功率內(nèi)環(huán)和電壓平方外環(huán)的電壓型PWM整流器J.北京科技大學(xué)學(xué)報,2008,30(1):40 95.4 張憲平,李亞西,潘磊.三相電壓型整流器的LCL型濾波器分析與設(shè)計J.電氣應(yīng)用,2005,26(5):65 68.5 DAHONOPA.AControlMethodtoDampOscillationintheInputLCFilterC/IEEE33rdAnnualPowerElectronicsSpecialistsConference,2