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一种改进的单相整流器控制策略研究

更新时间：2019-12-30 09:11:03 大小：2M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：单相整流器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对传统的基于低通滤波器的单相锁相环带来的网侧电压幅值衰减和相位滞后问题,提出了一种带通滤波器锁相环控制策略,基于带通滤波器对输入信号幅值无衰减和相位保持的特性,在所设定条件下该方法能够无延迟地提取出网侧电压的基波,并保持基波电压的幅值不变.针对电流环比例谐振控制器因带宽小,在电网频率偏移时带来功率因数下降的问题,采用了一种改进的比例谐振控制器.该控制器增加了带宽,具备零稳态误差和消除电网电压扰动影响的能力,能够减小电网频率偏移对系统的影响.最后,仿真和实验验证了所提出的基于带通滤波器锁相环控制策略和经过改进的比例谐振控制器方法的有效性和正确性.

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第 ２１卷 第 １１期  
２０１７年 １１月  
Ｖｏｌ.２１ Ｎｏ.１１  
Ｎｏｖ．２０１７  
电
机
与
控
制
学
报
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ  
一 种改 进的 单相 整流 器 控 制 策 略 研 究  
武琳１， 杨林２， 姜远１， 赵守忠２， 赵泓博２  
（１．国网电力科学研究院北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 １０００９２；  
２．国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 １２１００）  
摘
要：针对传统的基于低通滤波器的单相锁相环带来的网侧电压幅值衰减和相位滞后问题，提出  
了一种带通滤波器锁相环控制策略，基于带通滤波器对输入信号幅值无衰减和相位保持的特性，在  
所设定条件下该方法能够无延迟地提取出网侧电压的基波，并保持基波电压的幅值不变。针对电  
流环比例谐振控制器因带宽小，在电网频率偏移时带来功率因数下降的问题，采用了一种改进的比  
例谐振控制器。该控制器增加了带宽，具备零稳态误差和消除电网电压扰动影响的能力，能够减小  
电网频率偏移对系统的影响。最后，仿真和实验验证了所提出的基于带通滤波器锁相环控制策略  
和经过改进的比例谐振控制器方法的有效性和正确性。  
关键词：单相整流器；锁相环；比例谐振控制器；带通滤波器；传递函数  
DOＩ：１０．１５９３８／ｊ．ｅｍｃ．２０１７．１１．０１３  
中图分类号：ＴＭ 4６4  
文献标志码：Ａ  
文章编号：１００７-44９Ｘ（２０１７）１１-００９７-０６  
Ｉmprｏved cｏnｔrｏｌ sｔraｔegy ｏf sｉngｌe pｈase recｔｉfｉer  
１
２
１
２
２
ＷＵ Ｌｉｎ ， ＹＡＮＧ Ｌｉｎ ， ＪＩＡＮＧ Ｙｕａｎ ， ＺHＡＯ Ｓｈｏｕꢀｚｈｏｎｇ ， ＺHＡＯ Hｏｎｇꢀｂｏ  
（１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏ ．，Ｌｔｄ．，  
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｋｉｌｌｓ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１０００，Ｃｈｉｎａ）  
Absｔracｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｉｎｇｌｅ ꢀＰＬＬ ａｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｌａｇ  
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｓｉｄｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ＰＬＬ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ꢀ  
ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｎｏꢀａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｎｏꢀｌａｇ ｆｏｒ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ．Ｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｖｏｌｔａｇｅ  
ｗａｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｋｅｐｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｍｅｔｈｏｄ ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ  
ｏｆ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌꢀｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｏｐ ｉｓ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｄｅｃｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ  
ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ．Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｚｅｒｏ ｓｔｅａｄｙ ꢀｓｔａｔｅ ｅｒｒｏｒ ａｎｄ ｅｌｉｍꢀ  
ｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｅｘｐａｎｄ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍ ꢀ  
ｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ．Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ  
ｓｃｈｅｍｅ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ．  
Keywｏrds：ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ；ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌꢀｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｂａｎｄꢀｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ；  
ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ  
收稿日期：２０１６-１１-２２  
基金项目：国家电网公司总部科技项目（ＪＳ７１-１６-００６）：全球能源互联网实验研究平台  
作者简介：武 琳（１９８２—），男，博士，研究方向为电能变换技术、电网智能化技术；  
杨
姜
林（１９８３—），男，硕士，讲师，研究方向为电网运行技术；  
远（１９８１—），男，工程师，研究方向为电网数字物理混合仿真技术；  
赵守忠（１９６３—），男，高级讲师，研究方向电网运行技术；  
赵泓博（１９９4—），男，助理讲师，研究方向电网输电技术。  
万方数据  
通信作者：武  
琳
９８  
电
机
与
控
制
学
报
第 ２１卷  
Ｓ4是开关器件；uｓ 、iｓ 、uｄ 分别是网侧电压、网侧电流  
和直流输出电压；L、C、Rｏ 分别是网侧电感、直流滤  
波电容和阻性负载。  
0 引 言  
目前电网同步方法大致可以归为过零锁相、基  
于瞬时无功理论的锁相、基于滤波器锁相 ３类。在  
单相电网同步方法中，过零检测锁相法在一个工频  
周期内只能检测到电网电压两个过零点，因而限制  
了锁相环的锁相速度；而且在电网电压发生波动和  
畸变时不能准确确定基波电压正序的过零点，从而  
影响了锁相精度，过零锁相法因为本身的缺陷逐渐  
被取代［１］。基于瞬时无功理论的单相锁相技术通  
过迭代的方法消除锁相相位与输入相位的电压差来  
实现锁相；但由于未考虑有功分量带来的影响，在实  
际运行中带来延迟［２］。针对无功分量锁相技术带  
来的滞后问题，文献［３-4］提出了改进瞬时无功理  
论锁相环的控制策略，取得了较好的效果。基于滤  
波器的单相整流锁相技术由鉴相器、环路滤波器和  
压控振荡器 ３部分构成，其中环路滤波模块用来滤  
除鉴相器输出的高频分量，保留低频相位差信号，往  
往带有低通滤波的特点。这种低通滤波器会引入一  
个天然的幅值衰减和相位延迟现象，影响锁相的  
精度。  
图 1 单相 PWＭ 整流器电路结构  
Fｉg．1 Sｔrucｔure ｏf sｉngｌeꢀpｈase PWＭ recｔｉfｉer  
为了使整流器既能保证直流侧电压稳定在允许  
偏差范围内，又能实现单位功率因数控制，整流器采  
用双闭环控制，其控制原理框图如图 ２所示。  
图 2 单相 PWＭ 整流器的控制框图  
Fｉg．2 Cｏnｔrｏｌ bｌｏck dｉagram ｏf recｔｉfｉer  
在整流器的电流内环控制方法上，ＰＩ 控制易于  
实现，可靠性高；但其对正弦电流参考信号无法消除  
稳态误差［５］。为了解决该问题，文献［６］提出了比  
例谐振（ＰＲ）控制方法，实现了正弦电流控制的零稳  
态误差。进一步研究发现：ＰＲ 控制器的缺陷在于在  
其非基波频率处，增益减小，相位偏移。在电网频率  
发生偏移时，会导致整流器功率因数下降［７］。  
本文以一种单相整流器作为研究对象，针对基  
于低通滤波器的单相锁相环技术带来的网侧电压幅  
值衰减和相位滞后问题进行了分析，提出了一种基  
于带通滤波器锁相环控制策略，在电网频率和基波  
频率一致时，该方法能够无延迟的提取出网侧电压  
的基波，并保持基波电压的幅值不变。针对电流环  
ＰＲ 控制器因带宽小，在电网频率偏移时带来功率因  
数下降的问题，采用了一种改进的 ＰＲ 控制器，通过  
增大带宽，减小因电网频率偏移带来网侧电流和电  
压相位不同步的问题，提高了整流器的功率因数。  
仿真和实验验证了所提出的理论的正确性和可  
行性。  
1．2 单相整流器锁相方式分析  
传统单相 ＰＷＭ 整流器锁相环中的低通环路滤  
波单元将鉴相单元输出的 uｉ 和 uｏ 乘积表达式中的  
和频部分滤除，只通过二者的差频部分。这种低通  
滤波器引入了一个天然的幅值衰减和相位延迟现  
象，影响锁相的精度。  
基于以上分析，本文提出了一种基于带通滤波  
器的单相整流锁相控制策略。该方法能够在电网频  
率和基波频率一致时，无延迟的提取出网侧电压的  
基波，并保持基波电压的幅值不变。如图 ３所示。  
图 3 基于带通滤波器锁相环  
Fｉg．3 PＬＬ based ｏn bandꢀpass fｉｌｔer  
图 ３中，输出 uｏ 对 uｉ 的传递函数为  
1 单相整流器的锁相方式分析  
uｏ （s）  
uｉ （s）  
ks  
=
。
（１）  
２
２
ｏ
1．1 单相整流器原理分析  
s ＋ks ＋ω  
万方数据  
图 １所示为单相整流器的电路结构，图中：Ｓ１—  
式中 k =ω／Ｑ，其中：ω为中心角频率；Q 为品质因  
ｏ
ｏ

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