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三相四线电压型PWM整流器混合无源控制

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建立了三相四线电压型PWM整流器在两相同步旋转dq0坐标系下的EL (EulerLagrange,EL)数学模型.根据控制目标,基于PWM整流器的EL模型,结合PI控制器设计了混合无源控制器.为实现误差能量函数快速收敛到期望平衡点,采用了阻尼注入方法设计了无源控制器；进而确定出dq0坐标系下所需的开关函数.由于无源控制器是在保证PWM整流器稳定的前提下,由阻尼注入和PI控制器参数的大小调节PWM整流器的动态和静态性能,具有易于调试和工程实现的特点.电网平衡和不平衡情况下仿真表明了三相四线电压型PWM整流器混合无源控制器应用的可行性.

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V01．28 No．7

20 1 3

2013年7月

电工技术学报

ELECTROTECHNICAL SOCIETY

OFCHINA

Jul．

第28卷第7期TRANSACTIONS

／^：lz^日g．,^△口无源控制

三相四线电压型PWM整流器

王

王久和1 张巧杰1

勉2

100192

100084)

北京

北京中能清源科技有限公司

北京

(1．北京信息科技大学自动化学院

摘要建立了三相四线电压型PWM整流器在两相同步旋转dq0坐标系下的EL(Euler—

Lagrange，EL)数学模型。根据控制目标，基于PWM整流器的EL模型，结合PI控制器设计了混

合无源控制器。为实现误差能量函数快速收敛到期望平衡点，采用了阻尼注入方法设计了无源控

制器；进而确定出dqO坐标系下所需的开关函数。由于无源控制器是在保证PWM整流器稳定的

前提下，由阻尼注入和PI控制器参数的大小调节PWM整流器的动态和静态性能，具有易于调试

和工程实现的特点。电网平衡和不平衡情况下仿真表明了三相四线电压型PWM整流器混合无源

控制器应用的可行性。

关键词：电压型PWM整流器混合无源控制器存储函数注入阻尼 PI控制器

中图分类号：TM461

Based Controller ofThree--Phase Four· -Wire

Source PWMRectifier

Passivity

Voltage

Wang^JiuhelZhangQiaojiel Wang^Arian2

Information Science and

00192 China

Technology University Beoing

Technology Company Beoing

Intelligent Repower

(1．Beijing

00084 Chinaa)

Chinese

2．BeOing

Abstract

four—wire

source PWMrectifier is

voltage

EL(Euler—Lagrange)model

coordinates

three—phase

set

to control

of PWM

goal rectifier，hybrid

synchronous dq0

first．According

based controller

based onELmodel ofPWMrectifier and PI controller．In orderto

designed

passivity

used to

error

function to desired

function in

ecting

equilibrium point，damping inj

design passivity

based

by passivity

speed

based

storage

coordinates is educed

synchronous

controller．Switching

dqO

andstatic states of PWMrectifier is

and

controller．Dynamic

adjusted by damping injecting

parameters

and

easy debugging

controller is

of PI controller under

realizable in

based

stability．Hybrid passivity

ensuring

feasible

under

based controller is

engineering．Hybrid passivity

proved

by．simulation

balanced and imbalanced

c．onditions．

grid voltage

source PWM_{rectifier，hybrid}

based

controller，storage

function，

Keywords：Voltage

passivity

controller

damping ^{injecting，PI}

时，需用三相四线电压型PWM整流器(以下简称

PWM整流器)实现。由于PWM整流器不但要具有

三相三线电压型PWM整流器的性能外，还需中线

电流和直流均压控制。对此，在PWM整流器拓扑

结构一定的情况下，其控制策略成为研究热点。对

此，文献【1]提出了基于三相四线制电压定向控制算

法；文献[2】建立了均压数学模型，通过控制均压桥

臂电感电流控制直流电压平衡，获得了良好的均压

和中线电流控制效果；文献[3]提出了PWM整流器

在三相abe坐标系下独立控制方案，可以有效的补偿

引言

电压型PWM整流器具有网侧电流正弦化、位

功率因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优

点，能够实现电能“绿色变换”；在工业直流电源、

变频调速系统、无功功率补偿和新能源(如太阳能、

风力发电)等领域获得了广泛应用。当考虑电磁兼

容、后级需要正负对称的直流电压并提供中线输出

国家自然科学基金(51077005)和北京市人才强教深化计划“学术

创新团队”(PHR201007130)资助项目。

收稿日期2013-02—21

改稿日期2013-03．20

万方数据

第28卷第7期

王久和等三相四线电压型PWM整流器混合无源控制

213

输入电压的不对称和谐波，使输入电流保持与输入

式中， △“Dc=甜Dcl一UDc2。

电压同相且为正弦波；文献[4]在静止旋转坐标系下

建立了线性化的状态空间平均模型，分析了输入电

通过正交旋转变换，由式(1)可得PWM整流

器在同步旋转dqO坐标系下数学模型为

压谐波对其输入电流的影响，提出了基于静止旋转

坐标系dqO轴控制策略。文献[5，6】采用了双闭环、

三誓城一础”m砘

PI控制器。文献[1—6]控制策略均采用电流内环、电

压外环控制结构，采用PI调节器结构予以实现，具

三百diq+Rfq一础jd+“rq=甜d

有调试难度大、结构复杂的不足。另外，由于PI

调节器难于保证PWM整流器具有优秀的动态性能

以及大范围工作的稳定性[‘71。对此，本文采用无源

控制理论【8J研究PWM整流器无源控制器。混合无

源控制器可克服双闭环、PI控制方案的不足，使

PWM整流器有良好的动静性能，同时具有易于调

试和工程实现的优点。

三誓蛾+争一ro-‰

孚等一雩

了Cd百dUDE一品fd一&fd一蹴+fL=。

式中，id、iq、io，Ud、Uq、120和＆、S、So分别表示

各量在dq0坐标系下的d轴、q轴及零序分量；iorq=3io；

PWM整流器数学模型

，

；

t=“Dc／RL

s；=So一√j／2

“rd=&甜Dc

PWM整流器主电路如图1所示。为建立数学

模型，假设如下：①开关管为理想开关；②电源平

衡、三相滤波电感参数相同；③电容器无等效串联

“rq=sq甜Dc，“10=懿甜DC；缈为电源角频率。

将数学模型(2)写成EL模型形式

电阻，且Cdl=Cd2=Cd。图1中&、&、&为整流器

开关管的驱动开关函数，5i定义为单极性二值逻辑

^￡亡+I氏十冠x=脚

(3)

开关函数：sj(，=a、b、c)=l(上桥臂导通，下桥

臂关断)，S=0(下桥臂导通，上桥臂关断)。

式中，

￡

龟

三

恐

妇

0 0

圭Cd

AUDC

UDC

0 0 0

圭Cd

一国￡

coL

％

图1 PWM整流器主电路

z，q

拈。，

_60

Power circuit of PWMrectifier

Fig．1

“0

由图1可得PWM整流器在三相abc坐标系下

数学模型为

。括丁懿

一sd—sq

三百dia毡吨一咒“∞+警一争

0 0 o

O 0 o

三ddim，e=ub-R屯一&甜眦+等一等’

O o

(1)

；-，为反对称矩阵，满足

0 0 0 0

￡dQi，e=uc-Rfc一 “Ⅸ+等一字

Cd等=甜州

o』吼

j_-一J1。

Cd等=2是¨ &fb+2Scfc-2iL-f0N

万方数据

214

电工技术学报

2013年7月

PWM整流器混合无源控制器

3．1

PI控制器

若书厨蔫]

由式(5)可知，‘直接由直流侧电压及负载

现行的PWM整流器的PI控制基本结构如图2

甜k按／／D+c>√3u。确定，Um为电源相电压幅值。

所示。采用直流电压外环、电流内环控制结构。利

用电流交叉反馈和电压前馈实现解耦控制，利用线

性控制器设计方法设计PI调节器的参数。图2中电

计算得到，即随负载变化而变化，且无时延，则能

够提高整流器的负载响应。

即

压平衡控制环节是为实现UDCl=甜Dc2，

3．2．2无源控制器

△“Dc=“DcI--UDC2=0而设置的；继而进行中线电流ioN

控制，均压控制器由PI控制器实现。

无源控制器的作用是实现fd—fd+，iq--*iq*=0，

?dDc----r／dDc+。为此，

设

l。o----+l一0=0， AuDc--+AUDc‘=0，

x。=rx+，误差能量存储函数为

(6)

以=二x：Mx。

。

’

。

只要无源控制器在M变或不变的情况下使圪

收敛到0，即圪一0，则x。一0，就可达到控制目的。

误差能量存储函数对时间的导数为

(7)

吃=XTeMX。

图2 现行的PWM整流器控制结构

为加速圪收敛到零的速度，需进行阻尼注入

Current control structure ofPWMrectifier

Fig．2

R。【1 01。由式(3)可得

由于采用线性控制方法设计具有非线性特点的

PWM整流器控制器，只能是在期望点附近适用；

同时PI调节器参数依赖于PWM整流器的给定参数，

则对参数、负载变化的鲁棒性较差。

Mxe=口一胍+一S(xe+x+)一Rx++R。x。一Rdxe(8)

式中，Rd=R+足。。

正定对角阻尼矩阵R。(r。i>0为可设定的正

数)为

3．2

混合无源控制器设计

无源控制器的作用是实现整流器能量存储函数

快速收敛于期望的能量存储函数，期望的能量存储

函数由期望平衡点确定。基于无源控制理论设计的

无源控制器具有强的鲁棒性和大范围稳定的特点。

ral

ra2

ra3

Ra=

o上o

‰

3．2．1

期望平衡点

o上

ra5

设期望平衡点为x+=(X：X；X3+X4+《)1。。

为实现网侧单位功率因数、交流电流正弦化、中线

将式(8)代入式(7)可得

电流i0N=0和直流侧均压z／DCI=UDc2要求，则PWM

整流器期望平衡点为

吃=xj[口一^我+一J(x。+x+)一Rx++咒工。卜x。T民x。

(9)

i=‘

X2+=tq=0

为保证吃=一xTRdxe<0，可选取无源控制器

(4))

( 4 X 1

《：₇不₀：+：‘10N／／33：0

砖2

‘=血 =o

(10)

●

Ⅳ=Mk++取+Rx+Raxe

UDC

由于采用控制器(10)可使圪一0(x。一0)，圪

收敛到0的速度取决于凰，由于R。》足，K收敛到

式中，若p1为

万方数据

215

王久和等三相四线电压型PWM整流器混合无源控制

第28卷第7期

综上所述，可得到以无源控制器(10)和无源

0的速度取决于阻尼矩阵皿。，R影响很小。

由数学模型(2)可知，控制量为&、&、晶，

控制器(11)为主、PI控制器为辅的整流器混合无

源控制器，如图3所示。

被控量为id、i”io、AuDc、UDc，则整流器为欠驱

动系统。为保证整流器的稳定性，利用控制器(10)

展开后的前3个方程可得实现控制目标的开关函数

岛、&、晶为

．材d—L若+mLiq一尺坛+‘l(id一磊)

2‘。。。。。。。。。’。’。。。。。。。。。。。。。。。。。。1’———‘。。。。。’。。。。。。。。。。。。’—‘。。——

,3d

图3混合无源控制器

(11)

based controller

Fig．3 Hybrid

passivity

Sq：—Uq--coLi—d+raziq

PWM整流器仿真实验研究

(，，

2uo一√3△“Dc+2ra3io

2————i————一

4．1

仿真参数

3．2．3无源控制器分析

按照图3利用Simulink中电力电子元件库搭建

了PWM整流器混合无源控制系统仿真模型。仿真

参数：在电源相电压220V，A-_50Hz，电感L=16mH，

电阻R=0．3Q，Cd=1500pF，额定负载RL=50ff2，调

制频率为10kHz，UDC+=600V。

为分析&、&、％对整流器的控制性能作用，

将式(11)代入整流器模型(2)可得

击学+(id—iS)。

4．2

电网平衡情况下仿真

忐誓小。

直流电压PI控制器参数为民。=0．2、墨。=6，电

“2’

压平衡控制PI控制器参数为Kpb=O．1、Klb=5，阻尼

注入rai=80。为考察混合无源控制器控制整流器的

性能，在额定负载RI．=50f2情况下的仿真结果如图4

所示。

志訾忙。

cd等=佤

导譬鸭嘲 I‘dId+以T‰ f0噜=p

式中，p=udid+Uqiq+甜oi。；Pd=，．a：(fd+珀+)fd+如2id2+

400

100

专200

50毫

。

墨

季

ra31‘02。

墨瑚。

一50蓑

从式(12)的前3个方程可以看出，只要阻尼

一100

一400

)0．01

02 0．03 0．04 0．05 0．06 0．07 0．08 0．09 0

t／S

注入，。l、，-。2、r。，选择比较大，各轴电流快速收敛

到期望值，导致AuDc=0；同时式(12)第5个方

程变为

(a)交流电压，交流电流

400

怎200

常

)

导一200

-400

＼

yfq

0．0l 0．01

了Cd了du2+睾“ld搿ld

式(13)表明，控制器(10)对甜Dc进行了间

006 0．07

0．09 0．10

0．08

03 O．04

Ibl

t／s

dqO轴电流

接控制，稳态时UDc为UDc‘。

3．2．4

混合无源控制器

理论上讲，按着控制器(10)及(11)，就可实

现x。一0，亦有fo一0，AuDc_0。由于控制量为3个，

被控量为4个(fo和△z，Dc可视为1个)，为增强整

流器可控性，fd‘不由式(5)计算，而是利用直流电

压外环中PI调节器得到。即利用直流外环实现UDc

的控制，三个控制量控制id、fa及jo，具有这种全驱

动性能的控制器称为混合无源控制器。

f．S

(c}交流电压

图4

RL=50f2情况下混合无源控制器仿真

Simulation of

based controller

Fig．4

hybrid passivity

under

RL=50Q

万方数据

216

2013年7月

电工技术学报

400

100

由图4可知，稳态时THD=I．6％、AuDc=O．06V，

专20(}

50．兰

。

功率因数均为1，iq、fo均为零。UDC=“DC'=600V。

在过负载RL=30f2情况下稳态仿真结果如图5

善

蒌

蓑鼍m

珈委

一400

一100

006 007()．08 009

0 00l(J 02

04 0．05

n+s

所示。

(a1交流电压，交流电流

之

401)

出

羽

瓢

建二‘’‘’

蜷

揪

。

啪骨

霎

售一21)(t ＼川{／

-40(}

t／s

¨ 7

0(19

0．01 002 0．03 004 005 0．06 0．07 0．08

(a)交流电压，交流电流

l／s

枷

(b)dqO轴电流

幻

80()

ll[)‘

专600

趟

，，

III)【

枷。枷

-．．．，

／

《龟蜷雷暴。吾

哥400

蓑二()0

00M

气r、，I

伽

0．01 0．02 O．03 0．04 0．05 0．06 0．07 0．08 0．09 0．10

∥吣。二’i

0l 02

03 n04

08 0()‘)0

(b)dq0轴电流

，，

800

Ic J交流电压

“缸

、600

出

图6在RL=50f2电网不平衡时混合无源控制器仿真

。

-lfl 400

一

赢忽j

÷ l配色1j

Simulation of

based controller

Fig．6

hybrid passivity

：UDC2i

一

播200

under

and unbalanced

conditions

voltage

RE=50fl

grid

0．01 0．02 O．03 0．04 O．05 0．06 O．07 O．08 0．09 0．10

5日’o

，、嚣南医

()直流电压

5 结论 b

由于无源控制理论本质上是控制系统能量按着

期望的能量进行分布的理论，则本文以无源控制为

主、PI控制为辅的PWM整流器控制器，在电网平

衡和不平衡情况下均具有良好的控制效果，即能实

图5

RI．=30fl情况下混合无源控制器仿真

Simulation of

based controller

Fig．5

hybrid passivity

under

RE=30Q

由图5可知，THD=I．5％，AuDc=0．12V，功率

因数均为1，fa、fo均值为零，Z／DC=甜乞c=600V。

现网侧电流正弦化、单位功率因数、恒定直流电压

控制、直流电压均衡控制及中线电流控制的目的。

由于本文的PWM整流器控制器在保证稳定的情况

下，通过调节无源控制器的阻尼注入和PI调节器的

参数，调试动、静性能；则以无源控制为主、PI控

制为辅的PWM整流器控制器具有易于调试和工程

实现的特点。

4．3

电网不平衡情况下仿真

设不平衡电网电压为

旷3mm心+sosm

3140t+割

铲3min

314t-纠+50sin(3140t-詈)(14，

314t+引

尽管无源控制器可使PWM整流器具有良好的

控制效果，但阻尼大小对动、静指标的影响现只局

限于定性研究，还需定量研究，即要研究建立PWM

整流器动、静指标与阻尼的具体函数关系。

铲3min

仿真参数与电网平衡情况下相同。在额定负载

RI．=50Q的仿真结果如图6所示。由图6可知，

参考文献

THD=4．9％，AuDc=0．4V，功率因数均为1，i”fo

均值为零，”Dc=NDC‘=600V。

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【1]

从上述整流器仿真结果表明，以无源控制器为

主PI调节器为辅的控制器无论在电网平衡还是不

平衡情况下均可获得良好的控制效果。

Yibin．Control

Chen

Yao，Jin Xinmin，Tong

strategy

source PWM rectifier in

three—phase voltage

万方数据

第28卷第7期

217

王久和等三相四线电压型PWM整流器混合无源控制

four—wire

rectifier based on

three-phase

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技术，2010，44(7)：83．86．

[5】

作者简介

王久和男，1959年生，博士，教授，博士生导师，从事电力电子

技术和电力传动、非线性控制理论与应用研究工作。

a1．A

张巧杰

WangBaochen，Shi Jianjiang，Yang Yongfei，et

女，1978年生，博士，副教授，硕士生导师，主要从事电

400Hz

four· · wire

factor

power

力电子技术与应用。

three· -phase

high

万方数据

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