基于LCL濾波的三相電壓型PWM 整流器協(xié)同控制

高維士 嚴(yán)運兵 馬 強 王曉東 朱博文

(1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 武漢 430065;2.湖北文理學(xué)院 純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點實驗室, 湖北 襄陽 441053)

協(xié)同控制理論(synergetic control theory,SCT)所構(gòu)建的被控系統(tǒng)狀態(tài)空間流形,充分利用了理論的非線性特性和定向自組織原理,通過合適的流形使系統(tǒng)降階,效果與滑?？刂祁愃频粫霈F(xiàn)抖振問題,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性質(zhì)[11].流形作為系統(tǒng)狀態(tài)空間的約束變量,等價于吸引子的作用,其形成反映了直接自組織過程.相對于傳統(tǒng)的控制理論而言,協(xié)同控制的閉環(huán)系統(tǒng)目標(biāo)是變化的,無需對系統(tǒng)進行線性化處理,直接利用系統(tǒng)的非線性特性創(chuàng)建新的反饋方法[12].文獻(xiàn)[13]提出了運用分布式SCT 的多攔截彈控制算法,通過改善其收斂速度及平滑性,實現(xiàn)了較強的魯棒性,提高了控制系統(tǒng)的控制效率.基于SCT 設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)更加簡單、控制參數(shù)少、易于實現(xiàn),適用于非線性系統(tǒng)控制,對研究解決現(xiàn)代復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)控制問題具有重要意義.

協(xié)同控制策略作為一種優(yōu)秀的控制策略[14],已得到廣泛關(guān)注,但其作為有源阻尼控制策略在LCLVSR 中卻鮮有出現(xiàn).本文以LCL-VSR 為載體,以去除諧振及降低THD 為目標(biāo),引入?yún)f(xié)同控制策略,提高系統(tǒng)運行精度及穩(wěn)定性.

1 LCL-VSR 的開關(guān)函數(shù)模型

LCL-VSR 模型如圖1 所示.ega,egb,egc是幅值為Um的交流電網(wǎng)電動勢;0為中性點;Lg為電網(wǎng)側(cè)等效電感;uca,ucb,ucc為電容電壓;L為整流器側(cè)等效電感;電網(wǎng)側(cè)等效電阻Rg為電感Lg、濾波電容Cf和電壓源的等效電阻之和;整流器側(cè)等效電阻R為電感L和開關(guān)器件的等效電阻之和;整流器輸入端電壓及電流分別為v k和i k,k=a,b,c;igk為電網(wǎng)側(cè)輸入電流;輸出電壓為udc;電阻RL為等效負(fù)載;直流電容為C.

圖1 LCL-VSR 主電路

為建立模型需要,現(xiàn)做以下假設(shè):①電源為對稱電源、濾波電感物理特性相同;②開關(guān)管為理想狀態(tài).sa、sb、sc為整流器開關(guān)函數(shù).

根據(jù)KVL和KCL,可得LCL-VSR 的自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[15],見式(1):

2 VSR 的協(xié)同控制策略

2.1 協(xié)同控制器設(shè)計方法

協(xié)同控制器設(shè)計的基本思路就是確定描述系統(tǒng)狀態(tài)變量關(guān)系的流形,并結(jié)合被控系統(tǒng)的狀態(tài)方程綜合求解系統(tǒng)的控制規(guī)律.

針對LCL濾波的整流器系統(tǒng)式(2),應(yīng)用協(xié)同控制理論,求解二階系統(tǒng)的輸出量s d、s q,其系統(tǒng)狀態(tài)方程為:

思雨想過去敲門，安慰解釋一番，但他知道老婆的脾氣。老婆是一個事業(yè)單位里的干事，工作清閑。但老婆是一個好強上進的女人，最開始為工作上的事鬧心。后來思雨下海創(chuàng)業(yè)后，老婆便不再把心思全部用到單位里去了，而是把大部分時間都用到了家里。家里的事，思雨越來越顧不上，家中的一切瑣碎雜事就都由老婆一人費力操辦了。說句良心話，這些年，老婆為這個家付出得太多了。

式中:T1、T2為控制參數(shù)且均大于零,代表流形的收斂速度.在開關(guān)函數(shù)s d、s q的作用下,協(xié)同控制器通過控制參數(shù)T1、T2,使系統(tǒng)沿流形達(dá)到穩(wěn)定平衡點.

2.2 協(xié)同控制收斂性分析

對LCL-VSR 控制系統(tǒng)進行誤差分析,求解誤差.聯(lián)立式(7)和(8)得:

式中:K1、K2、K3、K4為常數(shù),顯然K1、K2、K3、K4的取值,均不影響誤差ξ收斂至零點.

2.3 控制器的設(shè)計

聯(lián)立式(4)、(13)～(15)、(17)可得開關(guān)函數(shù)

將式(18)所得的s d、s q代入式(19)得到uc的dq分量,此后經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制即可生成開關(guān)脈沖驅(qū)動信號,實現(xiàn)電壓調(diào)制.

基于上述求解過程,圖2給出協(xié)同控制方法的流程圖.

圖2 協(xié)同控制方法流程

3 仿真實驗分析

3.1 仿真設(shè)計

由式(16)、(18)、(19),利用Matlab-Simulink軟件搭建基于LCL濾波的三相電壓型PWM 整流器協(xié)同控制仿真模型,LCL-VSR 協(xié)同控制系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 LCL-VSR 協(xié)同控制系統(tǒng)

仿真實驗的的主要參數(shù)見表1.

表1 仿真實驗的主要參數(shù)

3.2 仿真實驗結(jié)果及分析

3.2.1 額定負(fù)載RL=50Ω 時的諧波及功率因數(shù)分析

額定負(fù)載RL=50Ω 時的a相網(wǎng)側(cè)電流諧波如圖4所示.其中作為對比的電壓前饋解耦控制L濾波的VSR,除不含有濾波電容Cf,總電感與LCL-VSR 總電感相等外,其他參數(shù)未做任何修改.

圖4 額定負(fù)載時的a相電網(wǎng)側(cè)諧波分析

本文采用比例-積分的流形形式,式(6)中的x*i-x i,意味著引入了i d、i q等誤差反饋,則式(7)為引入比例-積分形式的誤差反饋,通過開關(guān)函數(shù)式(18)中的控制參數(shù)k i、T i調(diào)整,不僅使諧波含量有所降低,有效消除了諧振現(xiàn)象,同時穩(wěn)定性也有所改善,如THD 會隨著k3增大而降低,但輸出電壓會有超調(diào)等.

由圖4可知,LCL-VSR 較電壓前饋解耦控制L濾波器各次幅值及THD 都有較大降低,THD 由5.94%下降到2.00%.從圖4(b)可以觀察開關(guān)頻率處的高次諧波(80次)能夠產(chǎn)生較好的濾除效果,很好地實現(xiàn)了采用LCL 濾波器的目的.同時對10～40次諧波段分析并無諧振頻率出現(xiàn),特別是在1.77 k Hz(35次諧波)處無諧振點[16],這說明LCL-VSR 的協(xié)同控制策略對諧振有良好的抑制作用.

通過圖5分析可知,網(wǎng)側(cè)電壓與電流能夠很好地保持同相位穩(wěn)定運行,功率因數(shù)為0.997,實現(xiàn)了高功率運行的目的.

圖5 額定負(fù)載時的功率因數(shù)和網(wǎng)側(cè)電壓、電流相位關(guān)系

由以上的諧波含量及功率因數(shù)分析,均可得出LCL-VSR 的協(xié)同控制策略具有較好的諧波抑制能力,能夠有效去除諧振現(xiàn)象,實現(xiàn)整流器高功率穩(wěn)定運行.

3.2.2 額定負(fù)載、過載及輕載情況下的穩(wěn)態(tài)性能分析

為了有效驗證協(xié)同控制策略的控制精度及穩(wěn)定性,以下將進行額定負(fù)載、過載RL=25Ω 及輕載RL=100Ω 情況下的穩(wěn)態(tài)性能分析.

圖6為額定負(fù)載RL=50Ω 情況下的仿真結(jié)果.圖7為過載RL=25Ω 情況下的仿真結(jié)果.圖8為輕載RL=100Ω 情況下的仿真結(jié)果.

圖6 R L=50Ω 仿真結(jié)果

圖7 R L=25Ω 仿真結(jié)果

圖8 R L=100Ω 仿真結(jié)果

由仿真圖觀察可得,基于協(xié)同控制策略的LCL-VSR 控制系統(tǒng)在額載、過載及輕載3種情況下的udc(iL)進入穩(wěn)態(tài)時間分別為15.2 ms、15.6 ms和15.2 ms,其他數(shù)據(jù)見表2.

表2 仿真穩(wěn)態(tài)結(jié)果

3.2.3 負(fù)載突變情況下的暫態(tài)性能分析

過載突變情況仿真結(jié)果如圖9所示,額定負(fù)載在0.1 s突變?yōu)檫^載狀態(tài).圖9(a)電壓最大誤差為5.0 V,誤差比例為0.83%,圖9(b)電流最大誤差為0.20 A,誤差比例為0.83%,且均在16 ms后進入穩(wěn)定狀態(tài).

圖9 過載突變仿真結(jié)果

輕載突變情況仿真結(jié)果如圖10所示,額定負(fù)載在0.1s突變?yōu)檩p載狀態(tài).圖10(a)電壓最大誤差為2.7 V,相對誤差比例為0.45%,圖10(b)電流最大誤差為0.03 A,誤差比例為0.5%,在1 ms后進入穩(wěn)定狀態(tài).

圖10 輕載突變仿真結(jié)果

通過穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能分析,可得出基于協(xié)同控制策略的LCL-VSR 控制器收斂速度及控制精度較好,控制策略可行.

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)PWM 整流器的諧波含量高、控制精度低、抗擾性能差等不足,本文提出運用以協(xié)同控制理論為基礎(chǔ)的LCL-VSR 有源阻尼控制策略設(shè)計控制器.同時為提高控制精度及穩(wěn)定性采取了比例-積分的流形形式.與現(xiàn)有的研究方法相比,由于發(fā)揮了LCL 型濾波器及協(xié)同控制策略的優(yōu)點,在有效降低入網(wǎng)電流波形總畸變率的基礎(chǔ)上,利用協(xié)同控制策略有效抑制了諧振現(xiàn)象,為VSR 的精確運行和THD的降低提供了依據(jù).通過仿真實驗分析,其響應(yīng)速度及抗擾性能都較好,實現(xiàn)了高功率因數(shù)運行和THD的有效降低.