不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器控制策略研究

史兆成 張鶴強(qiáng) 王超

摘 ?要：Vienna整流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，被廣泛應(yīng)用于航空電源、電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用中。不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器通過準(zhǔn)比例諧振（quasi-proportional resonance， QPR）控制器可以在靜止坐標(biāo)系下跟蹤參考電流實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制?；赒PR控制器的電流控制回路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其參數(shù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。為解決這一問題，提出一種簡(jiǎn)易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后，在Vienna整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證所提策略的有效性。

關(guān)鍵詞：Vienna整流器；不平衡電網(wǎng)；QPR控制器；準(zhǔn)比例諧振；參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM461 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）18-0071-05

Abstract： Vienna rectifier is widely used in aviation power supply， electric vehiclecharging system and other industrial applications because of its simple structure and high power density. In unbalanced power system， Vienna rectifier can achieve zero steady-state error control by tracking reference current in static coordinate system through quasi-proportional resonance （QPR） controller. The structure of current control loop based on QPR controller is relatively simple， but its parameter design is more complex. To solve this problem， a simple parameter design method of QPR controller is proposed， and the stability of the system is verified. Finally， the effectiveness of the proposed strategy is verified on the Vienna rectifier experimental platform.

Keywords： Vienna rectifier; unbalanced power grid; QPR controller; quasi-proportional resonance; parameter design

三相三電平Vienna整流器因其功率密度高，單位功率因數(shù)效率高、可靠性高等特點(diǎn)[1-4]被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電力電子領(lǐng)域[5-8]。

在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在電網(wǎng)不平衡。不平衡電網(wǎng)下的傳統(tǒng)控制方法采用正、負(fù)序雙同步坐標(biāo)系的獨(dú)立控制方案，該方案在各自的同步坐標(biāo)系中將不平衡電網(wǎng)分解成正序分量和負(fù)序分量，并分別計(jì)算正序參考電流和負(fù)序參考電流[9]。在同步坐標(biāo)系下通過比例積分（proportional integral， PI）控制器分別控制正序分量和負(fù)序分量以跟蹤參考電流。該方法的主要不足在于控制回路復(fù)雜，動(dòng)態(tài)相應(yīng)過程慢。準(zhǔn)比例諧振（quasi-proportional resonance， QPR）控制器可以在靜止坐標(biāo)系下跟蹤參考電流實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，相較于PI控制，降低了控制復(fù)雜度。文獻(xiàn)[10]通過引入QPR控制器，在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)了對(duì)Vienna整流器的閉環(huán)控制。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，QPR控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

基于上述分析，本文提出了一種簡(jiǎn)易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

1 ?不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器電流控制策略

圖1為三相三電平Vienna整流器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5展示了不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器基于QPR控制器的整體控制框圖，將采樣得到的直流輸出電壓Udc與直流電壓給定Udc_ref進(jìn)比行較后輸入PI控制器，進(jìn)而得到Vienna整流器直流電流指令I(lǐng)dc_ref，并計(jì)算此時(shí)的平均有功功率指令P0=Udc×Idc_ref。在兩相靜止坐標(biāo)系下，三相不平衡電網(wǎng)電壓經(jīng)過二階廣義積分器的正交信號(hào)發(fā)生器（Second-Order Generalized Integral-Quadrature-Signals Generator， SOGI-QSG）完成正負(fù)序分量的分解，帶入公式（4）計(jì)算得出參考電流指令。將采樣得到的三相交流側(cè)輸入電流與參考電流指令比較后得到誤差信號(hào)后送入QPR電流控制器完成對(duì)輸入電流的控制，使其跟蹤參考電流指令，最后經(jīng)過電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)得到調(diào)制波信號(hào)送入正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation， SPWM）模塊生成脈寬信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)Vienna整流器的控制。

3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提簡(jiǎn)易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性，制作了Vienna整流器樣機(jī)，如圖6所示。表1給出了Vienna整流器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖7、圖8分別展示了不同電網(wǎng)條件下，Vienna整流器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，不平衡電網(wǎng)條件Csae 1為三相電壓有效值為80、80、64 V；三相電壓初始相位角為0、-120、120°。不平衡電網(wǎng)條件Csae 2為三相電壓有效值為80、80、80 V；三相電壓初始相位角為0、-120、140°。

為驗(yàn)證本文提出參數(shù)設(shè)計(jì)方法的動(dòng)態(tài)特性，增加負(fù)載電阻阻值突變的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，將負(fù)載由75 Ω切換至45 Ω，圖9展示了采用本文所提方法的直流側(cè)電壓和三相輸入電流實(shí)驗(yàn)波形。

從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，Vienna整流器系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，證明了本文所提方法設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性。

4 ?結(jié)論

不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器基于QPR控制器的電流控制回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而，QPR控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。基于以上問題，本文提出了一種簡(jiǎn)易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性。

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