基于LCL滤波的PWM整流器控制策略研究

【摘 要】 介绍了准PR调制器的原理，在此基础上，详细分析了PWM整流器在α-β静止坐标系下电流内环和电压外环的设计方法，并基于Matlab/Simulink仿真平台搭建两电平PWM整流器仿真模型，对本文分析的设计方法进行了仿真研究，仿真结果验证了本文分析的基于PR控制器设计的电流环和电压环的正确性和有效性。

【关键词】 PWM整流器 LCL滤波器 准PR控制器 控制策略

1 引言

随着电力电子技术的发展，GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT等全控型开关器件制造技术不断进步，使得变流器主电路结构更加简单，而且还具有控制与驱动灵活可靠，有效改善电路中的谐波，大幅提高变流器功率因数，提高系统的动态响应速度，有效控制环境噪声污染等优点[1]。全控型器件的进步有力的推动了变流技术的发展。20世纪80年代提出了PWM整流技术，随后PWM技术飞速发展，PWM整流技术得到了广泛应用。PWM整流器具有输入电流正弦化、功率因数可控、电能双向传输、直流母线电压可调等优点[2]。由于PWM整流器真正实现了“绿色电能变换”、其网侧呈现出受控电流源特性，这一特性使得PWM整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽。

在基于LCL滤波器的电压源型PWM整流器系统中，控制策略无疑是一个很重要的环节，所采取的控制策略直接关系到整流器的运行性能。LCL滤波器的电压型PWM整流器是从单L滤波的整流器发展而来的，因而控制策略延续了单L的控制思想。2001年MarcoLiserre和FredeBlaabjerg分析了LCL滤波器的设计方法，并证明了在低频的数学模型下，电容的作用可以忽略。这样对于LCL滤波器的PWM整流器控制系统设计可以继续沿用单L的PWM整流器控制系统的设计方法。

鉴于在三相静止坐标系（a-b-c）中系统模型复杂，控制难以实现，因而当前均是在两相静止坐标系（α-β）或两相旋转坐标系（d-q）下对LCL的PWM整流器加以控制。目前在两相坐标系下控制多采用电压外环，电流内环的双闭环结构。本文详细分析了PWM整流器在α-β静止坐标系下电流内环和电压外环的设计方法，并基于Matlab/Simulink仿真平台搭建两电平PWM整流器仿真模型，对本文分析的设计方法进行了仿真研究，仿真结果验证了本文分析的基于PR控制器设计的电流环和电压环的正确性和有效性。

2 电流内环调节器设计

目前常用的d-q两相旋转坐标系下的电流控制方法由PI调节以实现无静差控制，但在控制过程中，该方法需要复杂的旋转坐标变换和反坐标变换。另外，对于单相PWM整流器，被控量只能是正弦量，PI调节无法实现电流的零稳态误差控制。因而在α-β坐标系下实现控制逐渐受到重视。

2.1 准PR控制器设计

PR控制器可以实现正弦电流控制，在两相静止坐标系下，此方法不需要附加预测量，也不需要特别高的开关频率，即可实现对正弦电流进行控制，并且可以实现与同步旋转坐标下PI控制相媲美的稳态及动态性能。并且在两相在相静止坐标系下，不存在交叉藕合项，整个控制系统结构简单。

PR控制器传递函数为：

由式（1）可知，PR调节器在非基频处增益很小，电网频率有波动时，将难以实现无静差跟踪。另外，在实际控制系统中，由于模拟器件制造水平有限，数字实现也存在精度问题，针对以上问题，引入准PR调节器：

显然，在基频处，准PR调节器带宽更宽，尽管在基频处增益有所减小，但其实现过程比PR容易得多。

在设计准PR控制器参数前，需要对准PR控制器中各参数对系统性能影响进行研究。准PR控制器与PR调节器道理相同，要求在谐振点有无限大增益来消除在该谐振点的稳态误差。从图2（a）中可以看出，Kp变化时系统增益发生变化，Kp越大，系统的比例增益越大。但其过大会导致系统在高频段增益太大，使系统不稳定；从图2（b）中可以看出，Kr变化时，Kr控制器的增益和基频处带宽发生变化，越大基频处增益越大，带宽越宽，抗电网频率波动干扰能力增强；从图2（c）中可以看出，ωc变化时，对系统的影响Kr与相似。

在明确了准PR调节器中各个参数对系统的影响之后，要根据系统电流内环设计准PR调节器参数。

2.2 电流内环设计

电流环比较注重响应的快速性，在不考虑控制精度的条件下，电流环的响应速度只与前向通道的增益有关，因而在仿真过程中，可以要根据快速应要求进行选取。轴电流内环结构框图如图3所示。

由图3可知，电流环开环传递函数为：

根据式（3）做出电流环开环传递函数伯德图如图4所示。由上述分析可知，KP对系统整体增益影响明显，因而先根据截至频率设计要求确定KP，保证系统响应的快速性；低频段系统增益高，系统的稳态精度高；考虑到基频处增益和频带宽度要求，再选取Kr及。

3 电压外环调节器设计

得到准PR调节器参数后，便可以在两相静止坐标系（α-β）下对整个系统进行分析设计，利用准PR控制器进行控制时，由系统在α-β坐标系下的数学模型得到α-β坐标系下控制方程如下：

准PR控制器可以直接跟随交流量，而且从式（4）中看出α轴电流内环与β轴电流内环是对称的，准PR调节器参数相同，并且α、β轴上电流间不存在耦合现象。三相PWM整流器准PR控制框图如图5所示。电压外环的指令要经过反坐标变换变换为正弦交流量，然后与检测到的三相电流α、β轴分量在准PR控制器作用下共同实现电流环控制。电压外环控制方式与在d-q两相旋转坐标系下控制方式相同，采用PI调节器进行控制，其参数配置方法与系统在d-q坐标系下参数选择方法相同。

4 仿真结果和分析

为验证采用PR控制器进行α-β坐标系下PWM整流器电流内环和电压外环设计的正确性和有效性，本文借助Matlab/Simulink搭建两电平整流器仿真模型，进行仿真分析，系统仿真波形如图6所示。

由图6可知，直流侧电压有较快的响应速度，超调量以及上升时间等参数符合设计要求，最终电压值稳定在给定值700V。

由图7可知，电压电流同相位运行，系统接近单位功率因数运行。

5 结语

介绍了准PR调制器的原理，在此基础上，详细分析了PWM整流器在α-β静止坐标系下电流内环和电压外环的设计方法，并基于Matlab/Simulink仿真平台搭建两电平PWM整流器仿真模型，对本文分析的设计方法进行了仿真研究，仿真结果验证了本文分析的基于PR控制器设计的电流环和电压环的正确性和有效性。

参考文献：

[1]孙树朴，李明，王旭光等.电力电子技术.徐州：中国矿业大学出版社，1999，253.

[2]张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版社，2003，1-2.

[3]刘芳.LCL-VSR的控制与设计[硕士学位论文].合肥：合肥工业大学，2008.

[4]钱志俊，仇志凌，陈国柱.有源电能质量控制器的LCL滤波器设计与研究.电力电子技术.2007，41（3）：6-9.

[5]武健，徐殿国，何娜.并联有源滤波器输出LCL滤波器研究.电力自动化设备.2007，27（1）：17-20.

[6]张宪平，李亚西，潘磊等.三相电压型整流器的LCL型滤波器分析与设计.电器应用.2007，26（5）：65-68.