（电工理论与新技术专业论文）lclvsr的控制与设计.pdf

c o n t r o la n dd e s i g no fl c l - v s r a bs t r a c t a st h ea p p l i c a t i o no fv o l t a g es o u r c er e c t i f i e rw i t hs i n g l elu s e di nn e we n e r g y g e n e r a t i o n 、a p f 、u p f c ，t h ep r o b l e m s s u c ha s h i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c y 、 e f f i c i e n c y 、c a p a c i t y 、c o s th a v er e s t r i c t e di t sd e v e l o p m e n t w h i l ev s ra d o p t e dl c l c a ns o l v et h e s ep r o b l e m s h o w e v e ri t sc h a r a c t e ro ft h i r d - o r d e rf i l t e rg r e a t l ya f f e c t s c o n t r o ls y s t e ma n ds y s t e ms t a b i l i t y s ot h es t u d yo fl c l v s rf o c u so np a r a m e t e r d e s i g n 、c o n t r o ls t r a t e g yo fs t a b i l i t yi m p r o v e m e n t 、o p t i m u md e s i g no fc o n t r o l s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed i s a d v a n t a g eo fl - v s r ，l c l v s ri sp r e s e n t e d f i r s t l yt h e e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dm a t hm o d e lo ft h el c l - v s r i se s t a b l i s h e d a n dt h e n ，t h e f r e q u e n c y d o m a i nc h a r a c t e ro fl c li sa n a l y z e d a l lt h e s ep r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i sf o rc o n t r o ls t r a t e g ya n a l y s i s 、s t a b i l i t ya n a l y s i s 、s y s t e md e s i g na n ds oo n a c c o r d i n gt oc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nl v s r ，c o n t r o ls t r a t e g yo fl c l - v s r i sl e do u t b e c a u s eo fr e s o n a n c ef r e q u e n c yo fl c l ，d a m p i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa r e s t u d i e d t h em o s ts i m p l em e t h o di sc a l l e dp a s s i v ed a m p i n g ( p d ) p dh a ss i m p l e c o n f i g u r a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t ya tt h ep r i c eo far e d u c t i o no fe f f i c i e n c y s ot h e u s eo fa c t i v ed a m p i n gw h i c hm e a n sg e n e r a t i n gan e g a t i v eh a r m o n i cp e a kt o e l i m i n a t et h ep o s i t i v eo ft h es y s t e ms e e m sm o r ea t t r a c t i v e a c t i v ed a m p i n gw i l ln o t g e n e r a t ea d d i t i o n a ll o s s ，b u tm o r es e n s o r sa r en e e d e d s oa dc o n t r o ls t r a t e g y w i t h o u tv o l t a g es e n s o r sa r ea l s os t u d i e d p a r a m e t e rd e s i g n ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e si nl c l - v s r ，i sd i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e rc h a n g ei sa l s os t u d i e d t h ep a r a m e t e rd e s i g nr e g u l a t i o n i si n t r o d u c e d c o n s i d e r i n gp o w e rr a t e o fv s r 、c u r r e n tr e s p o n s e 、h a r m o n i c e l i m i n a t i o n t h ew h o l ed e s i g np r o c e d u r ei sg i v e no u t z - d o m a i nd e s i g ni sa n a l y z e di no r d e r t os o l v et h el i m i t a t i o n so fs - d o m a i nd e s i g n g e n e r a lz - t r a n s f o r m a t i o ni sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt on o n - i n t e g r a lc y c l eo fd s p c o n t r o la l g o r i t h m t h el o w f r e q u e n c ym o d e li sa d o p t e da c c o r d i n gt of r e q u e n c yr a n g eo fc o n t r o l s y s t e m c o n t r o lc o n f i g u r a t i o no fi n n e rc u r r e n tl o o pa n do u t e rv o l t a g el o o p a r e d e d u c e da n dd e s i g n e db yt h eu s eo fz p l a n er o o tl o c u s w h i l et h eh i g h - f r e q u e n c y m o d e li sa d o p t e dt oa n a l y z ei t ss t a b i l i t y a n dt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r sa b o u tp d a n da dc h a n g et oi n n e rc u r r e n tl o o pp e r f o r m a n c ei sa l s oa n a l y z e d i nt h i st h e s i s a15 k v al c l v s re x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d t h e g r i dc u r r e n tr e s u l t s 、c a p a c i t o rv o l t a g ew i t ho rw i t h o u ta db a s e dl e a dn e t w o r k ， t h ei n f l u e n c eo ng r i dc u r r e n tw h e np a r a m e t e ro fa dc h a n g e s ，t h ec o m p a r i s o nr e s u l t o fc o n v e r t e rc u r r e n ta n dg r i dc u r r e n t ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fd i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o n sa r eg i v e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e s y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：l c l v s r ；l - v s r ：p a r a m e t e rd e s i g n ：c o n t r o ls t r a t e g yo fs t a b i l i t y i m p r o v e m e n t ；c o n t r o ls y s t e md e s i g n 插图清单 图1 1 1l v s r 的拓扑结构1 图1 2 1l c l v s r 的拓扑结构2 图2 1 1l c l v s r 结构图一7 图2 2 1l c l 滤波器单相电路8 图2 2 2l c l 滤波器数学模型- 一9 图2 2 3 忽略电网条件下的l c l 滤波器等效电路9 图2 2 4l c l 滤波器频域特性一1 0 图3 1 1 无阻尼控制的系统控制结构图1 6 图3 1 2 电流内环控制结构图1 6 图3 2 1 无源阻尼安放位置1 7 图3 2 2z ( s ) u ( s ) 随电感串联电阻变化的b o d e 图17 图3 2 3i ( s ) u ( s ) 随电感并联电阻变化的b o d e 图18 图3 2 4i ( s ) u ( s ) 随电容串联电阻变化的b o d e 图19 图3 2 5i ( s ) u ( s ) 随电容并联电阻变化的b o d e 图2 0 图3 3 1 有源阻尼原理示意图2 1 图3 3 2 虚拟电阻等效结构图2 2 图3 3 3 虚拟电阻控制算法等效结构图2 3 图3 3 4 基于虚拟电阻控制算法系统控制结构图2 3 图3 3 5 超前网络的对数频率特性2 4 图3 3 6 超前网络随参数变化的对数频率特性2 5 图3 3 7 基于超前网络的系统控制结构图2 6 图3 3 8 基于超前网络的电流内环控制结构图一2 6 图3 3 9 基于超前网络的电流内环简化控制结构图2 6 图3 3 1 0 基于超前网络的电流内环开环b o d e 图2 7 图3 3 1 1 基于双带通滤波器的系统控制结构图2 8 图3 4 1 带有源阻尼和电压估计的v o c 基本结构2 9 图3 4 2 矢量关系图3 0 图4 1 1 桥臂电压及其谐波分析3 2 图4 3 1 稳态运行时网侧相量图3 4 图4 3 2 电流过零点处一个p w m 周期的电流跟踪波形3 6 图4 3 3 电流峰值处一个p w m 周期的电流跟踪波形3 7 图4 3 4h 次开关频率谐波电流下等效的单相l c l 滤波器结构3 8 图5 1 1 典型数字控制系统结构框图4 0 图5 1 2 电流内环连续控制结构4 0 图5 1 3p w m 控制计算输出延时图4 2 图5 2 1 电流内环结构简图4 2 图5 2 2 信号的超前与滞后4 3 图5 。2 3 电流内环离散控制结构4 4 图5 2 4 电流内环等效离散控制结构4 5 图5 3 1 电流内环根轨迹随零点和增益的变化趋势图4 9 图5 3 2 初始条件下的电流内环根轨迹和阶跃响应5 0 图5 3 3 初始条件下的电流内环阶跃响应三维图5 1 图5 3 4 调整后的电流内环阶跃响应三维图5 2 图5 3 5 调整后的电流内环根轨迹和阶跃响应一5 3 图5 3 6 电流内环开环b o d e 图一5 3 图5 3 7 电流内环闭环b o d e 图5 4 图5 3 8 电流内环前馈加p i 控制结构图5 4 图5 3 9 电感值变化情况下的电流内环阶跃响应三维图5 5 图5 3 1 0 电压外环连续控制框图5 6 图5 3 1 1 电流内环近似与原始闭环b o d e 图一5 7 图5 3 1 2 电压外环离散控制框图5 7 图5 3 1 3 扰动输入下电压外环离散控制框图5 8 图5 3 1 4 扰动输入下电压外环等效离散控制框图5 8 图5 3 1 5 电压外环根轨迹随零点和增益的变化趋势图6 0 图5 3 1 6 初始条件下电压外环根轨迹和扰动阶跃响应6 1 图5 3 1 7 初始条件下的电压外环阶跃响应三维图6 2 图5 3 1 8 调整后的电压外环阶跃响应三维图6 3 图5 3 1 9 调整后的电压外环根轨迹和扰动阶跃响应6 4 图5 3 2 0 电压外环开环b o d e 图j 6 4 图5 3 2 1 电压外环闭环b o d e 图6 5 图5 3 2 2 电压外环阶跃跟随响应6 6 图5 3 2 3 电压外环跟随特性闭环b o d e 图一6 6 图5 4 1 电流内环高低频闭环b o d e 图一6 8 图5 4 2 电流内环随阻尼电阻变化的根轨迹6 9 图5 4 3 基于超前网络的电流内环离散控制结构6 9 图5 4 4 基于超前网络的电流内环简化离散控制结构7 0 图5 4 5 基于超前网络的电流内环开环b o d e 图一7 1 图5 4 6 矫正前后电流内环闭环b o d e 图7 1 图5 4 7 电流内环随k d ，a l f a 变化的根轨迹曲线簇7 2 图5 4 8 桥臂电压对电容电压的b o d e 图7 3 图5 4 9 传递函数随a l f a 变化的b o d e 图7 4 图5 4 1 0 传递函数随k d 变化的b o d e 图7 5 图5 4 1 l 矫正前后电流内环的阶跃响应7 6 图6 1 1l c l v s r 实验平台原理图7 7 图6 1 2 主程序流程图7 9 图6 1 3 中断服务程序流程图：8 0 图6 1 4 嵌套中断服务程序流程图8 1 图6 1 5 锁相环程序流程图8 2 图6 2 1 加入有源阻尼前后网侧电流波形8 3 图6 2 2 加入有源阻尼前后电容电压波形8 3 图6 2 3 加入有源阻尼前后电容电流波形8 3 图6 2 4 加入有源阻尼前后d q 电流与直流侧电压变化8 4 图6 2 5 桥臂电流和网侧电流波形对比8 4 图6 2 6 不同k d 对网侧电流的改善作用8 5 图6 2 7 电感运行状态的动态波形8 5 图6 2 8 电容运行状态的动态波形8 6 图6 2 9 电感到电容运行状态切换的动态波形8 6 图6 2 1 0 电感、电容状态切换的网侧电流和电容电压相位关系图8 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金壁王业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 靴做储磁：带 签字日期- 瞻年争月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目旦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：刁悟 j 签字日期佑年午吵日 电话： 邮编： 带 弼 铆 签 秘 略 储 伊 文 期 沧 日 位 字 学 签 致谢 值此论文脱稿之际，衷心地感谢我的恩师张兴教授。在三年的硕士生学习 和生活过程中，自始至终都得到了张老师的悉心指导和关怀。张老师严谨的科 研态度，广博的理论知识，丰富的工程经验，独具一格的思维和指导方式使我 终生受益! 在张老师的悉心指导下，我的理论水平和科研能力得到了极大的锻 炼和提高，更重要的是思维方式和做事方法得到了极大的培养和拓宽。张老师 独特的人格魅力、深厚的学术造诣和对我生活上的悉心关怀，我将终生难忘。 在此，对张老师表示由衷的感激和崇高的敬意，并祝福张老师一切顺利。 感谢岳胜老师在我做实验过程中给与的无私帮助和指导。感谢我的师兄谢 震博士在我实验过程中给与的大力支持和指导，并对我学习和生活上的关心和 照顾；感谢师兄杨淑英博士在课题研究过程中的无私帮助，师兄们的兄长风范 和科研水平使我受益匪浅。感谢师兄周志建，吴玉杨，张显立等对我工作的帮 助。感谢合肥阳光电源有限公司在实验平台建设过程中给予的大力支持。感谢 实验室一起工作和学习的同窗：苑春明、刘淳、唐杰、郭栋、魏冬冬、袁祖慧、 何继光等，和他们一起度过了紧张的研究生生活。感谢我的师弟师妹们：田新 全，王鸿山，曹伟，邵文昌，张龙云，陈玲，孙龙林，汪永智，纪明伟，王成 悦，王江，孙荣丙对我的关心，他们的热情，开朗和对我的关心和帮助，都将 使我终身难忘；特别感谢师弟田新全对我工作和生活的关心和照顾，感谢师弟 王鸿山对我的关心和照顾，感谢师弟曹伟对我的关心和照顾，感谢邵文昌在我 论文撰写过程中给与的支持和帮助，他们对我的支持和帮助是我不断进步和成 长的动力。感谢我的大学同学牟松杰等对我的关心和照顾。感谢我所有的老师、 朋友和同学对我的关心和帮助，感谢所有帮助和关心我的人。 感谢正直无私的父亲，聪慧善良的母亲对我一如既往的爱和支持，感谢辛 劳的大姐和睿智的弟弟对我无私的爱和帮助。感谢我的姥姥对我的爱护和照顾， 感谢我的叔叔和婶婶对我的支持和鼓励。 作者：刘芳 2 0 0 8 3 第一章绪论 1 1 基于l 滤波器的整流器的局限性 传统的基于l 滤波器的电压源型p w m 整流器( l v s r ) 的拓扑结构如图1 1 1 所示。 p o n 图1 1 1l - v s r 的拓扑结构 在高性能的p w m 整流器中，其中一个重要的决定性因素就是交流侧电感。交 流侧电感的选取至关重要，这是因为电感的取值不仅影响到整流器电流环动静 态响应，还制约着整流器的输出功率，功率因数以及直流侧电压。进一步分析 研究，可将整流器交流侧电感的作用归结如下： ( 1 )隔离电网电动势与整流器交流侧电压。通过整流器交流侧电压幅值 和相位的控制，或通过交流侧电流幅值和相位的控制来控制整流器 的四象限运行。 ( 2 )滤除整流器交流侧的p w m $ 皆波电流，从而实现交流侧电流正弦化或一 定频带范围内的任意电流波形控制。 ( 3 )使得整流器具有b o o s tp w ma c d c 变换性能以及直流侧受控电流 源特性。 ( 4 )使得整流器在在获得良好电流波形的同时，还可以向电网输送无功， 甚至实现网侧纯电感或纯电容特性运行。 ( 5 )使得整流器获得了一定的阻尼特性，从而有利于控制系统的稳定运 行。 从以上可以看出，交流侧电感对系统的影响和作用是综合的。在此基础上， 电压源型p w m 整流器具有直流侧电压可控，能量可双向流动，功率因数可调，动 态响应快等优点，因而在混合并联型有源电力滤波器( h a p f ) ，统一潮流控制器 ( q p f c ) ，静止无功补偿器( s v g ) ，高压直流输电( h v d c ) ，电气传动( e d ) ， 新型u p s 以及可再生能源并网发电等工业领域得到了广泛的应用。 采用单电感l 的整流器还具有控制较为简单的优势，然而整流器的开关频率 一般在2 1 5 k h z ，不可能达到理想状态，会产生开关频率及其倍数处的谐波， 该谐波通过网侧电感注入电网后会对敏感性负荷产生电磁干扰，也会产生损耗 口1 ，随着整流器在高压大功率场合的应用，整流器的容量通常较大，为降低损 耗和电磁干扰，可采用较低的开关频率，然而由于整流器在p w m 调制时会产生开 关频率及其倍数处的谐波，若开关频率较低，则产生的谐波频率较低，若这时 仍采用单电感，有以下缺陷： ( 1 )为了满足并网谐波要求( i e e e 5 l9 ) ，需要较大的电感值。这样不仅 增加了系统的体积而且增加了成本。 ( 2 )较大的电感值降低了电流内环的响应速度 ( 3 )电感值的增加增加了电感上的电压降，若要获得同样的交流侧电压 则需要较高的直流侧电压，这给控制和设计带来了一定的困难。 1 2l c l v s r 的提出 为了克服上述不足，19 9 5 年，m l i n d g r e n 和j s v e n s s o n 首先提出了用一个三 阶l c l 滤波器来代替原有的单电感l 滤波器口1 。l c l v s r 如图1 2 1 所示。 p 0 i i l 图1 2 1l c l v s r 的拓扑结构 相比于l 滤波器，l c l 滤波器具有以下特征： ( 1 )在某些高频段内与流过的电流成反比，频率越高，阻抗越小，因 而可以滤除高频谐波。 ( 2 )由于l c l 是三阶滤波器，因而对于同样谐波标准和较低的开关频 率，可以使用较小的电感，。因而在大功率场合可以相对的减小系 统的体积和成本 ( 3 )对于同样的性能要求，可以通过加大支路电容的方法进一步减小 电感值。 由于l c l 所具有的上述优点，在大功率场合有广阔的应用前景。然而不可 避免，l c l 滤波器有其自身的缺陷。由于电容支路的增加，使得整流器的电流 控制系统由一阶变为三阶，控制更为复杂，因而需要在以往理论基础上研究适 合l c l 滤波器本身的控制策略。由于在某些高次谐波下，l c l 滤波器的总阻抗接 近于零心lh 刮，将导致谐振效应，这严重影响了系统的稳定性能，因而需要研 究增强稳定性的控制策略。由于l c l 滤波器参数较多，如何优化选择参数使得 整流器性能提高也是需要研究的热点问题。 2 1 3l c l v s r 的发展概况 针对l c l 滤波器的上述特点，目前，关于l c l v s r 理论研究主要集中在滤 波器的参数选择，控制策略( 包括电压电流控制方式和稳定性控制) 等方面。 1 3 1 控制策略的研究 目前，l c l 滤波器控制策略的研究有两种趋势，一是延续原有的基于l 滤波 器的整流器的控制策略，并在此基础上加入有源阻尼( a c t i v ed a m p i n g ) 或无 源阻尼( p a s s i v ed a m p i n g ) 控制来增强系统的稳定性，另外一种是提出专门针对 l c l 滤波器的控制策略并加入阻尼控制来增强系统的稳定性。 2 0 0 1 年m a r c ol i s e r r e 和f r e d eb l a a b j e r g 提出了l c l 滤波器的设计方法，并证 明了在低频的数学模型下，电容的作用可以忽略 4 】，基于这种思想，2 0 0 2 年， m a r c ol i s e r r e 和f r e d eb l a a b j e r g 设计了将基于了l c l 滤波器的整流器的控制策 略等效成基于l 滤波器的整流器的矢量控制策略【_ 。这种方法忽略电容的作用， 将网侧电感和桥臂侧电感之和等效成一个电感，采用传统的网侧电压定向控制 方式就可以达到控制目标；然而这种控制的前提是系统运行在低频状态，若系 统中存在高频谐波，特别是谐振频率附近的谐波将会造成系统的不稳定。因而， 很多学者在矢量控制的基础上提出了阻尼控制策略。阻尼控制策略分为两种， 一种称之为无源阻尼法 8 - 1 0 】，即将电阻串联或并联在电容或电感支路中，利用 电阻的阻尼作用来稳定系统；这种方法简单可靠，不需要做结构或算法上的改 变，在工业上得到广泛的应用，但也存在不足，由于阻尼电阻的损耗使得系统 效率降低，在高压大功率场合阻尼电阻发热严重，可能需要强制风冷。为有效 解决效率和稳定性之间的矛盾，用算法来代替实际电阻的有源阻尼法逐渐引起 了学术界的关注。p e k i ka r g od a h o n o 提出了“虚拟电阻的思想来替代实际电 阻j ，与无源阻尼类似，该文提出了四个可能的可以替代实际电阻的控制算法。 该方法由于具有简明的物理意义，因而在工业上获得了一定的应用。v b l a s k o 提出了基于超前滞后模块( l e a d l a g ) 的滤波电容电压反馈a d 方法1 2 j ，但是该 文并没有给出如何选择的超前网络的参数。在此基础上，m a r c ol i s e r r e 利用z 域 分析系统传递函数的方法对超前网络参数的选择以及对系统特性的影响做了分 析【7j ，为超前网络参数的选择提供了一定的参考，但是该文并没有较为系统的 阐述三个参数的选择的依据以及参数对系统特性的作用规律。m a r c ol i s e r r e 提 出了基于双带通滤波器的方法【l2 | ，该方法不需要额外的传感器。但是采用的遗 传算法增加了控制系统的复杂程度，目前在工业上还很难得到应用。从实际的 角度即工业应用的角度来看，有源阻尼有一些缺点，p e k i ka r g od a h o n o 提出的 “虚拟电阻”需要增加电容电流传感器；v b l a s k o 等提出基于超前网络的a d 方 法需要来自滤波器电容的电压反馈；m a r c ol i s e r r e 用遗传算法来调节系统，不 需要增加传感器，但复杂了控制算法。因而，与普通带l 滤波器的并网逆变器 相比，增加了传感器的数量，也就增加了系统的成本，并降低了运行的可靠性。 为此，研究无交流电压传感器的控制策略很有必要。文献 1 3 1 4 根据瞬时无功 功率理论对无交流电压传感器的l c l v s r 控制策略作了初步研究。 由于动态响应快、原理简单，近年来直接功率控制已经越来越多的被应用 于p w m 整流器的控制。同样这种方法也可以用在l c l v s r 控制。2 0 0 5 年， l a s e r p a ，j w k o l a r ，s p o n n a l u r i 和p m b a r b o s a 将传统的直接功率控制进行了改 进，提出了基于l c l 滤波器的逆变器的控制策略【l5 1 ，同样这种方法也可以应用 于整流器装置。由于这种方法没有电流内环，无法应用已有的阻尼方法， s p o n n a l u r i 和p m b a r b o s a 又提出了新的基于直接功率控制的阻尼方法来消除 l c l 滤波器的谐振作用【l 引，将传统的有源阻尼方法给出的电流或电压参考值转 化为功率参考值，将有功、无功分量减去阻尼分量后就可以避免谐振现象。和 矢量控制相比，这种方法的优点就是采用两相静止坐标系进行控制计算，无须 复杂的坐标变换和解耦控制，直接对系统的功率进行控制，结构简单，避免了 p w m 算法，直接采用查表技术，动态响应快。采用虚拟磁链定向，省去了电压 传感器。 基于矢量控制和直接功率的控制策略是从单电感l 滤波器的整流器控制方 案引申而来的，是目前研究比较广泛的策略，也有的学者提出了专门针对l c l 滤波器的控制策略。1 9 9 8 年，m i c h n e ll i n d g r e n 和j a ns v e n s s o n 提出了基于l c l 滤波器的斩波器的无差拍控制策略【l6 | ，这是最早的基于l c l 滤波器的控制策 略。2 0 0 4 年，e m i l i o j b u e n o ，f e l i p ee s p i n o s a 等人改进了这种方法，并将这种方 法应用于变流器的控制【l7 1 ，该控制策略只需要一组电压和电流传感器，其它的 量可以由状态观测器得到，系统的扰动可用无源阻尼来衰减。改进的无差拍控 制策略通过反馈电容电压将其引入到控制策略中，使控制效果更好。控制策略 的离散化有利于数字化实现。与传统的s v p w m 整流器相比，无差拍控制方法 的脉冲宽度根据当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。文献 1 7 给出的方法将无差拍控制和传统的p i 控制方法相结合，既利用了无差拍控 制的快速动态响应特性，又利用p i 控制较强的鲁棒性，设计出来的控制器具有 良好的性能。 以上控制策略均是针对三相平衡电网而说的。在实际系统中，三相电网不 可能完全对称，不平衡的电网电压会给系统引入低频谐波，因此不平衡的控制 策略的研究也有重要意义。2 0 0 5 年，f a i n a n a m a g u e e d 和j a ns v e n s s o n 提出了改 进型的正负序电流独立控制策略，这也是由单电感l 滤波器的整流器控制策略 延伸而来的i i 引。2 0 0 3 年，e r i k at w i n i n g 和d o n a l dh o l m e s 提出了三闭环的控制策 略【1 引，这也是首次针对不平衡电网电压情况下提出的控制策略，这种方法的 外环采用传统的电压外环控制方式，电流内环采用双内环的控制结构，第一内 环为网侧电流内环，第二内环为电容电流内环，相当于在矢量控制的基础上引 4 入电容电流内环来提高系统的稳定性。为了研究消除不平衡电网引起的谐波电 流，文献 1 0 提出了谐振阻抗的概念，由于谐振阻抗随着频率的减小而增大。 当增加p i 调节器的比例值时，谐振阻抗会变得更大，从而可以减小电网电压产 生的低次谐波。除直流侧电压传感器外，该方法需要两组电流传感器和一组电 压传感器，传感器数量多是其缺点。但有实验结果证明该方法对电网电压不平 衡有较强的鲁棒性。 1 3 2l c l 滤波器的参数选择 l c l 滤波器为三阶系统，参数较多，为获得良好的滤波特性，电流响应特 性，功率特性，以及更好的调协l c l 谐振频率和开关频率之间的关系，网侧电 感，支路电容和桥臂电感的参数选择显得尤为重要。另外传统的基于l 滤波器 的矢量控制方式是在l c l 滤波器低频模型下的控制策略，在高频时两种滤波器 的传输特性有着明显的区别，为实现高性能的整流器装置，需要加入有源或无 源阻尼控制，而阻尼控制方式需要调节无源或有源阻尼参数，因而在l c l 滤波 器控制策略中l c l v s r 系统参数的选择也是一个重要的研究方向。 2 0 0 1 年，m a r c ol i s e r r e ，f r e d e b l a a b j e r g 和s t e f f a nh a n s e n 提出了l c l 滤波器 参数的设计准则【4 】。该文首先采用l c l 滤波器的低频模型，利用“技术最优化” 和“对称最优化”的方法对电压和电流调节器参数进行了设计，然后根据谐振 频率限制，流过电容的无功功率限制，总电感值限制，电流响应速度限制等限 制条件给出完整的l c l 滤波器参数的设计过程，并用传输函数b o d e 图和z 域根轨 迹的分析方法分析了有无阻尼和不同采样频率下电流内环的稳定性和动态性 能。2 0 0 2 年，m a r c ol i s e r r e 和f r e d e b l a a b j e r g 在文献 4 的基础上建立了基于无源 和有源阻尼控制的电流内环离散控制结构，并进一步讨论了无源阻尼和基于超 前网络的有源阻尼方法的参数变化时电流内环闭环零极点的变化趋势，进而可 以从中优化参数，该文还考虑了数字实现式的延时问题，并对加入阻尼控制后 的动态响应进行了分析【j 7 1 。上述设计方法是在理想的工况条件下研究的参数设 计，而在实际系统中，并不是所有的条件都是理想的，因而2 0 0 2 年，m a r c ol i s e r r e 和f r e d e b l a a b j e r g 提出了非理想工作条件下的参数设计【2 0 1 ，对实际中可能存在 的d s p 计算延时，电网不平衡，传感器位置安放不同引起的测量误差等进行了 分析，并在设计过程考虑这些因素的影响，具有一定的实际意义。 1 4本论文的选题意义和主要工作 本文对基于l c l v s r 的核心问题进行了较为深入的理论分析和研究。本文 工作重点可以总结如下： ( 1 ) 首先建立了l c l - v s r 的三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型，并对 l c l 滤波器本身的频率特性做了研究，为控制策略分析，稳定性控制， 控制系统设计、分析提供了理论依据。 ( 2 ) 依据基于单电感l 的整流器控制策略提出了l c l 滤波器时的控制策略，由 于l c l 滤波器频率传输过程存在谐振频率点，分析了各种阻尼控制策略， 最简单的阻尼控制策略称之为无源阻尼法，这种方法结构简单，稳定可 靠，但发热严重，针对这种缺点，分析了有源阻尼控制，即通过控制算 法产生一个谐振负峰值抵消原系统存在的谐振峰。有源阻尼不会产生附 加损耗，但附加的算法需要额外的传感器。为此还研究了无交流电压传 感器的有源阻尼控制策略。 ( 3 ) 讨论了l c l 滤波器中的一个重要的问题：参数设计问题。讨论了参数变 化对整流器传输特性的影响，根据整流器的功率等级，电流响应，谐波 抑制等限制条件完整的介绍了整个参数设计过程。 ( 4 ) 给出了控制系统设计的详细过程。针对传统的s 域设计方法的局限性分析 了离散化的设计方法，根据d s p 算法的非整周期的延时问题分析了广义z 变换理论。根据控制器作用的频带范围采用了l c l 滤波器的低频模型，并 对电流内环和电压外环的离散控制结构进行了推导，在此基础上利用根 轨迹设计法对控制器参数进行了设计；并对整个系统可能产生的稳定性 问题采用了其高频模型，并详细讨论了无源阻尼和有源阻尼控制下个参 数变化对电流内环性能的影响。 ( 5 ) 完成了1 5 k v a 的l c l v s r 实验样机的研制，并首先验证了有源阻尼加入 前后系统电流电压等各个参量的变化情况；验证了有源阻尼对改善系统 稳定的有效性；验证了有源阻尼系数不同时对系统稳定性的影响。在加 入有源阻尼的情况下，验证系统的动态性能，保证系统的良好运行。实 验结果与理论分析与设计相吻合。 6 第二章l c l - v s r 数学建模 l c l 型整流器的数学建模与l 型整流器类似，本章先介绍了三相静止坐标 系下的数学模型，由于l c l 滤波器为三阶，因而需要考虑滤波器本身的传输特 性，因而在第二部分专门介绍了l c l 的数学模型，并通过其传输特性与单l 进行了比较分析，并从中可以看出，l c l 虽然阶数较高，但是其频率特性在不 同的频段内有不同的特点，可以因而在一定的限制条件下，l c l 滤波器可以做 合理的简化近似，针对不同的控制目的可以灵活地采用不同的模型。三相坐标 系下的数学模型物理意义清楚，但由于是时变信号，不利于控制系统设计，为 此第三部分建立了两相旋转坐标系下的数学模型，为控制系统设计提供了条件。 2 1a , b ，c 坐标系下的数学模型 l c l 滤波器三相电压型有源整流器结构图如图2 2 1 所示。其中巳删。为三 相电网电动势， p ill 图2 1 1l c l v s r 结构图 为直流侧电压；l r 。分别为网侧电感、电阻，三、尺分别为桥臂侧电 感、电阻，c ，为滤波器电容；i 。、i f 、f 分别为网侧电流、电容器电流、桥臂 侧电流；也为直流侧电流。 针对l c l 型整流器数学模型的建立，作如下假设： ( 1 ) 电网电动势为三相平稳的纯正弦波 ( 2 ) 滤波电感是线性的，且不考虑饱和 根据图2 1 1 ，由基尔霍夫电压，电流定律可写出l c l 型整流器交流侧k ( 拓a ，b ，c ) 相回路方程为 鲁+ 戤砘一( u 辅+ u n o ) 乓= 一g 警 ( 2 1 ) = 一毽幺- l g d u i 舭， 其中， 定义单极性二值逻辑开关函数& 为： 7 & ：1 需妻导粤，登要善塑 ( 2 2 ) 叶 l o 上桥臂关断，下桥臂导通 一 当k 相上桥臂导通，下桥臂关断时，s k = 1 ，“七= ，当下桥臂导通，上桥 臂关断时，& = 0 ，u k n = 0 ，因而“埘= 吃s k ，因而，式( 2 2 ) 可以写成 三鲁+ 尉七= “政一( s k + u n o ) t = 幺一c i 百d u c k 扰靠= e k - r g i g k 一三g 百d i g k 考虑到系统为三相对称，有 乞+ + 气= 0 i 雷口+ i 由+ i 雪c = 0 将上式化简得 u n o = 一! 争( + s b + & ) 另外，在图2 1 1 中，直流侧电流可以表示为 屯= i o s 。+ 如s 6 + i t s 。 对直流侧电容正极点处利用k c l 得 c 警都。忡 & 一屯 2 2l c l 滤波器的数学模型 l c l 滤波器的等效电路如图2 2 。l 所示。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 中性点 图2 2 1l c l 滤波器单相电路 根据基尔霍夫电压电流定律可写出l c l 滤波器回路方程： f = 志( 训 心2 击( 一力 ( 2 8 ) 。赤( 卜) 画出其等效申| 路如图： 图2 2 2l c l 滤波器数学模型 由上图可分析电流量，( s ) ，i g ( 5 ) 与电压量互( s ) ，矽( s ) ，u c ( s ) 之间的传递函 数关系，若只研究p w