三相AC／DC雙向變流器的控制研究

胡惠雄，陳 昊，吳 鵬

（上海海事大學(xué) 電氣自動(dòng)化系，上海 201306）

0 引 言

當(dāng)前，資源短缺和環(huán)境污染成為阻礙人類發(fā)展的兩個(gè)重大問(wèn)題，為了解決能源問(wèn)題必須研究與開發(fā)新能源。三相AC／DC雙向變流器是當(dāng)下的熱點(diǎn)研究課題，與背靠背雙向變流器相比，三相AC／DC雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是其一半，但是可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，即能量的雙向流動(dòng)。三相AC／DC雙向變流器由于其能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向傳輸，在電機(jī)控制、汽車電子、新能源發(fā)電等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

1 三相AC／DC雙向變流器的建模與工作狀態(tài)分析

1.1 變流器的工作拓?fù)浼皵?shù)學(xué)建模

如圖1所示，三相AC／DC雙向變流器的原理是由一個(gè)三相PWM變換器實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，通過(guò)控制內(nèi)環(huán)電流使直軸電流參考反向?qū)崿F(xiàn)能量的反向傳輸，而在直流側(cè)由于有二極管的存在，使得電流不會(huì)反向流向直流源，避免損壞直流源。

根據(jù)PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型，將三相靜止坐標(biāo)系下的系統(tǒng)模型作等電壓變換得到低頻數(shù)學(xué)模型為［1］：

圖1 雙向AC／DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

將上述方程離散化，并以平均開關(guān)模型來(lái)表示三相AC／DC雙向變流器，這樣處理能夠反映出系統(tǒng)在高頻下的工作狀態(tài)，此模型更加適合于后續(xù)的諧波分析，并使得仿真更貼近實(shí)際，所得到的仿真結(jié)果也更加能反映實(shí)際情況。以圖1的系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型如下：

其中sij（j＝a，b，c）為開關(guān)函數(shù)，根據(jù)橋臂開關(guān)組合的不同，變流器輸出不同的電壓，而根據(jù)三組排列組合，此變流器的開關(guān)模式可以確定為八種，開關(guān)函數(shù)sk定義為：

通過(guò)park和clark變換將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為［2］：

1.2 變流器工作狀態(tài)分析

三相AC／DC雙向變流器既可以運(yùn)行在整流狀態(tài)，也可以運(yùn)行在逆變狀態(tài)，根據(jù)圖1從整流工作模式入手分析三相變流器的有功無(wú)功交換［2］，其工作原理如圖2所示。

圖2 PWM變換器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系

2 三相AC／DC雙向變換器的控制策略與改進(jìn)

圖3 傳統(tǒng)內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)圖

圖4 改進(jìn)內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)圖

圖4為改進(jìn)后的解耦控制原理圖，與上不同的是圖中虛線箭頭部分，在該控制中，內(nèi)環(huán)解耦的反饋量直接為交直軸電流的參考值 ，可以得到變流器橋臂輸出電壓參考為：

當(dāng)id、iq存在脈動(dòng)時(shí)，id、iq可分別等效為：

由式（7）可知在傳統(tǒng)控制方法中，由于Δud、Δuq中含有Δid、Δiq分量，使得入網(wǎng)電流波形質(zhì)量變差，而改進(jìn)后變流器橋臂輸出電壓參考不含電流脈動(dòng)量，故而可以得出傳統(tǒng)方法中電流脈動(dòng)比改進(jìn)控制方法的大，有功p、無(wú)功q脈動(dòng)比改進(jìn)后控制方法的大［7－8］。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 功率流動(dòng)的仿真與分析

為了充分說(shuō)明理論分析的正確性，在第2節(jié)的基礎(chǔ)上，搭建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些數(shù)學(xué)模型是基于MATLAB中fun函數(shù)的，相比于模塊化的仿真更接近實(shí)物控制，因?yàn)槭窃诮⒑玫臄?shù)學(xué)模型上搭建起來(lái)的。

表1 無(wú)MATLAB仿真參數(shù)

在等功率變換下，系統(tǒng)功率可以表示如下：

由式（8）可知，系統(tǒng)功率傳輸是跟交直軸電流相關(guān)的，并且當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好的時(shí)候，電流的變化直接反映功率的變化。圖5是在0.1 s處給突變，可以看出，當(dāng)d軸參考電流給定由10 A突變?yōu)椋?0 A時(shí)，三相AC／DC雙線變流器交流側(cè)的電流會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)反向，即變流器由逆變變?yōu)檎鳡顟B(tài)。由于內(nèi)環(huán)控制的作用，可以看出實(shí)際的交流側(cè)輸出電流略低于10 A，這種誤差是正常的，整個(gè)控制的性能也是好的。圖5中（a）為A相電壓波形，（b）為A相電流波形。

圖5 有功電流由10 A突變?yōu)椋?0 A

圖6反映的是電流變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率的變化情況，從圖中可以看出，0.1 s前三相AC／DC雙向變流器是工作在逆變狀態(tài)的，0.1 s后即工作在整流狀態(tài)。并且變流器由輸出1 200 W到電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺碾娋W(wǎng)吸收1 200 W的有功功率。網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率由吸收130 Var到輸出130 Var，有很小的無(wú)功交換是由于仿真系統(tǒng)基于實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立，因而其功率因數(shù)近似為1，但是小于1，所以無(wú)功是存在的。可以從三相電流的變化看出控制器的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，如圖7所示。

圖6 有功電流與有功功率的關(guān)系

圖7 參考電流與實(shí)際輸出電流的對(duì)比圖

由圖7中可以看出在階躍處，系統(tǒng)反應(yīng)非?？欤焖俚姆€(wěn)定下來(lái)，其過(guò)渡時(shí)間是很短的，由此可以說(shuō)明這個(gè)模型的搭建是成功的，很好地反映了三相AC／DC雙向變流器的能量雙向流動(dòng)性。

3.2 傳統(tǒng)解耦控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8（a）表示的是d軸電流參考值由5 A階躍變化到10 A。圖8（b）對(duì)應(yīng)的是網(wǎng)側(cè)三相電流波形圖，可以看出在0.1 s時(shí)，當(dāng)參考電流由5 A變化到10 A時(shí)，網(wǎng)側(cè)三相電流很快就達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能是非常好的。并且在0.1 s前參考電流為5 A時(shí)、0.1 s后參考電流為10 A時(shí)網(wǎng)側(cè)電流都是非常穩(wěn)定的。

圖8 傳統(tǒng)解耦控制動(dòng)態(tài)仿真三相電流實(shí)驗(yàn)波形

由圖9和圖10可以得出在突變前網(wǎng)側(cè)電流穩(wěn)定為5 A時(shí)，總的電流諧波畸變?yōu)?.44%，而突變后網(wǎng)側(cè)電流穩(wěn)定為10 A時(shí)，總的電流諧波畸變率為0.4%。可以得出當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定電流比較大的時(shí)候由于基波分量的增大，使得總的電流諧波畸變率下降。

圖9 0.1 s前網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)電流的THD分析

圖10 0.1 s后網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)電流THD分析

3.3 改進(jìn)解耦控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖11 改進(jìn)解耦控制動(dòng)態(tài)仿真三相電流實(shí)驗(yàn)波形

圖11（a）表示改進(jìn)解耦控制后d軸電流參考值由5 A階躍變化到10 A。圖（b）對(duì)應(yīng)的是網(wǎng)側(cè)三相電流波形圖，可以看出在0.1 s時(shí)，當(dāng)參考電流由5 A變化到10 A時(shí)，網(wǎng)側(cè)三相電流很快就達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能是非常好的。并且在0.1 s前參考電流為5 A時(shí)、0.1 s后參考電流為10 A時(shí)網(wǎng)側(cè)電流都是非常穩(wěn)定的。

由圖12和圖13可以得出在突變前網(wǎng)側(cè)電流穩(wěn)定為5 A時(shí)，總的電流諧波畸變?yōu)?.2%，而突變后網(wǎng)側(cè)電流穩(wěn)定為10 A時(shí)，總的電流諧波畸變率為0.2%。對(duì)比圖9和圖12，圖10和圖13分析可知改進(jìn)解耦控制后網(wǎng)側(cè)電流總的諧波畸變率有很大的降低，這驗(yàn)證了前文的理論分析是正確可行的，也說(shuō)明這種改進(jìn)方案是奏效的。

圖12 改進(jìn)控制0.1 s前網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)電流的THD分析

圖13 改進(jìn)控制0.1 s后網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)電流THD分析

4 結(jié) 論

通過(guò)上述理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與傳統(tǒng)內(nèi)環(huán)解耦控制方法相比，改進(jìn)型內(nèi)環(huán)解耦比傳統(tǒng)的內(nèi)環(huán)解耦動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，入網(wǎng)電流波形脈動(dòng)小。改進(jìn)解耦控制方法由于分量引入為電流的參考量，故變流器輸出電壓可以很快地反映參考電流的變化，也即是其動(dòng)態(tài)性能明顯高于傳統(tǒng)的內(nèi)環(huán)解耦控制。

［1］ 黃天富，石新春，李 鵬，孫玉巍.三相并網(wǎng)逆變器離散化模型及其控制策略研究［J］.電力電子技術(shù)，2012，46（11）：4－6.

［2］ Naji Rajai Nasri Ama，F(xiàn)ernando Ortiz Martinz，Lourenco Matakas，Jr，F(xiàn)uad Kassab Junior.Phase locked loop basied on selected hamonics elimination for utility applications［J］.IEEE Transactions on power electronics，2013：144－153.

［3］ D Sha D.Wu X Liao.Analysis of a hybrid controlled three－phase grid－connected inverter with harmonics compensation in synchronous reference frame［J］.IET Power Electron.，2011，4（7）：743 751.

［4］ Zheng Zeng，HuanYang，RongxiangZhao，ChongCheng.Topologies and control strategies of multi－functional gridconnected inverters for power quality enhancement：A comprehensive review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，（4）：223 270.

［5］ 羅 軍，姚蜀軍.三相逆變器的單環(huán)與雙環(huán)控制比較研究［J］.電力科學(xué)與工程，2014，30（10）：1－5.

［6］ 阮 毅，徐 靜，陳伯時(shí).智能PI控制在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（3）：80－84.

［7］ Leonardo Augusto Serpa， Srinivas Ponnaluri，，Peter Mantovanelli Barbosa，Johann Walter Kolar.A Modified Direct Power Control Strategy Allowing the Connection of Three－Phase Inverters to the Grid Through LCL Filters［J］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，2007：1388－1400.

［8］ Dannehl J，Wessels C，F(xiàn)uchs F W.Limitations of voltageoriented PI current control of grid－connected PWM rectifiers with LCL filters［J］.IEEE Transactions on Idustrial Electronics，2009，56（2）：380－388.