基于LCL滤波器的电压型PWM整流器的研究

1、󰀁第3期󰀁2011年3月工矿自动化IndustryandMineAutomationNo.3󰀁Mar.2011󰀁文章编号:1671-251X(2011)03-0039-05󰀁󰀁󰀁DOI:CNKI:32-1627/TP.20110226.1626.016基于LCL滤波器的电压型PWM整流器的研究黄秋燕,󰀁张阁(中国矿业大学信电学院,江苏徐州󰀁221008)󰀁󰀁摘要:针对电压型PWM整流器开关频率附近的高次谐波污染电网,传统

2、的电压型PWM整流器的控制策略都是基于两相旋转坐标系,存在电流交叉耦合项、计算量大的问题,提出了一种两相静止坐标系下基于LCL滤波器的PWM整流器的控制算法。该算法利用Clark变换系将三相静止坐标系下的电压型PWM整流器系统变换到两相静止坐标系下的电压型PWM整流器系统,避免了两相旋转坐标系下的电流交叉耦合项;采用准谐振调节器控制电压型PWM整流器的电流,实现了电流的跟踪控制。Matlab仿真结果验证了该算法的正确性和可行性。关键词:电压型PWM整流器;LCL滤波器;两相静止坐标系;谐波;准谐振调节器;VSR󰀁󰀁中图分类号:TD608󰀁b

3、3041;󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁网络出版时间:2011-02-2616:26󰀁󰀁网络出版地址:ResearchofVoltageSourcePWMRectifierBasedonLCLFilterHUANGQiu󰀁yan,󰀁ZHANGGe(SchoolofInformationandElectricalEngineeringofCUMT.,Xuzhou221008,China)󰀁󰀁Abstract:Inviewofproblemstha

4、thighharmonicsofswitchingfrequencyofvoltagesourcePWM收稿日期:2010-12-31作者简介:黄秋燕(1986-),女,江苏徐州人,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统。E󰀁mail:huangqiuyanzdb响,在此基础上提出了一种改进的全波傅里叶算法。该算法计算简单、数据窗短(只用到1个基频周期的N个采样点),不需要增加额外的采样点,只需对采样序列进行奇偶分列并分别进行傅里叶计算就能有效地消除衰减直流分量的影响。仿真结果表明,该算法具有较高的精度,符合微机继电保护的要求。参考文献:1󰀁张明君.电力系统微机保护M

5、.北京:冶金工业出版社,2002.2󰀁罗钰玲.电力系统微机继电保护M.北京:人民邮电出版社,2005.3󰀁董连河.电力系统微机保护新算法的研究D.大庆:大庆石油学院,2008.4󰀁陈洁,何志勤,叶青.微机保护中滤除衰减直流分量的全周波傅氏算法的仿真比较分析J.继电器,2007,35(6):16󰀁20,29.5󰀁侯有韬,张举.一种滤除衰减直流分量的快速算法J.继电器,2004,32(6):6󰀁9.6󰀁马磊,王曾平,徐岩.微机继电保护中滤除衰减直流分量的算法研究J.继电器,2005,33

6、(17):11󰀁13,34.7󰀁李孟秋,王耀南,王辉.基于全周波傅氏算法滤除衰减直流分量新方法J.湖南大学学报:自然科学版,2001,28(1):59󰀁63.8󰀁GUOYong,KEZUNOVICM,CHENDeshu.SimplifiedAlgorithmsforRemovaloftheEffectofExponentiallyDecayingDC󰀁offsetontheFourierAlgorithmJ.IEEETransactionsonPowerDelivery,2003,18(3):711󰀁

7、;717.9󰀁齐先军,丁明,温阳东.一种完全滤除衰减直流分量的短数据窗改进全波傅氏算法J.继电器,2005,33(17):14󰀁16,44.10󰀁钟麟,王峰.MATLAB仿真技术与应用教程M.北京:国防工业出版社,2003.11󰀁何志勤,樊江涛.基于MATLAB的全波傅氏算法仿真J.华东交通大学学报,2006,23(1):113󰀁114.40工矿自动化2011年3月rectifierpollutepowergridandtraditionalcontrolstrategiesofvoltagesourcePWMre

8、ctifierareallbasedontwo phaserotatingcoordinatewhichhascrosscouplingmemberofcurrentandlargecalculation,thepaperproposedacontrolalgorithmofvoltagesourcePWMrectifierbasedonLCLfilterundertwo phasestaticcoordinate.ThealgorithmmakesvoltagesourcePWMrectifiersystemunderthree phasestaticcoordinatetransformv

9、oltagesourcePWMrectifiersystemundertwo phasestaticcoordinatebyuseofClarktransformsystem,whichavoidscrosscouplingmemberofcurrentundertwo phaserotatingcoordinate;thealgorithmusesquasi resonantregulatortocontrolcurrentoftherectifier,whichrealizestrackingcontrolforcurrent.TheMatlabsimulationresultproved

10、correctnessandfeasibilityofthealgorithm.Keywords:voltagesourcePWMrectifier,LCLfilter,two phasestaticcoordinate,harmonic,quasi resonantregulator,VSR0 引言电压型PWM整流器(VoltageSourcePWMRectifier,VSR)具有四象限运行、网侧功率因数可调、网侧电流接近正弦等优点,被广泛应用于电气行业的各个领域中。实际应用中,VSR会产生开关频率及其整数倍的谐波,该谐波污染电网,影响其它设备的性能并增加线路损耗1。采用传统的基于L型滤波器

11、的VSR通过增加电感量的方法可提高滤波能力,但是该方法影响整流器系统的动态性能。采用基于LCL滤波器的VSR可有效地解决上述谐波问题2。三相VSR控制策略有多种,国内现行的控制策略主要有直接电流控制策略、直接功率控制策略及非线性控制策略,这些控制策略的研究都是基于两相旋转坐标系1 5Ucf=e-(Rg+Lgs)igUcf=(R+L)i+U(1)i=ig-icf式中:ig为Lg中流过的电流;s为S域中微分因子;U为变流器侧的相电压。图1 基于LCL滤波器的三相VSR拓扑结构利用Clark变换系可以将三相静止坐标系(a,b,c)下的三相系统变换到两相静止坐标系( , )下的两相系统:i i pig

12、 ig Ucf Ucf其中:-L 0- 0L 0 0 0-Cf- 0 0gLg 0Cf 00 0 0g-Lg 0Cf- L 0Lg 0 0 00L 0-Lg 0 0;=Ai i ig ig Ucf Ucf+BU U e e(2)。两相旋转坐标系中VSR模型含有电流交叉耦合项,需要前馈解耦控制,另外还需要Park变换,计算量较大,整个控制系统结构变得复杂。采用基于两相静止坐标系下的VSR控制策略可避免上述缺点。基于LCL滤波器的VSR控制策略采用具有简单离散迭代算法的准谐振调节器跟踪控制三相交流电流,避免了传统PI调节器的迟滞现象。Matlab仿真结果验证了该算法的正确性和可行性。1 基于LCL

13、滤波器的VSR数学模型基于LCL滤波器的VSR拓扑结构如图1所示,其中ea、eb、ec为三相电源电压;Lg、L、Cf组成LCL滤波器;Rg、R分别为滤波电感Lg和L的内阻;C为直流侧滤波电容。根据图1,利用基尔霍夫电压电流定律建立基于三相静止坐标系(a,b,c)的一相回路方程:- 0A=0Cf 02011年第3期-L 0B=0 0 0 0-黄秋燕等:基于LCL滤波器的电压型PWM整流器的研究 0L 0 0 0 000Lg000000(a)幅频特性曲线41Lg00(b)相频特性曲线式中:p为时域中的微分算子;i 、i 为两相静止坐标系下VSR侧的输入电流;U 、U 为两相静止坐标系下VSR侧的输

14、入电压;e 、e 为两相静止坐标系下电网侧输入电压;Ucf 、Ucf 为两相静止坐标系下电容电压;ig 、ig 为两相静止坐标系下电容电流。根据式(2)可得到两相静止坐标系下基于LCL滤波器的VSR的数学模型,如图2所示。从图2可看出,电流没有出现交叉耦合,整个结构清晰、简洁。图4 G(S)的波特图LCL滤波器的阻抗接近零会产生谐振,破坏VSR系统的稳定性。为了抑制谐振通常在已有的控制策略的基础上添加阻尼抑制谐振。添加阻尼分为无源阻尼法4、有源阻尼法。无源阻尼法通过在电容上串联或并联电阻增加LCL滤波器的阻尼,使得VSR系统稳定,该方法适合于任何成熟的控制策略5 6。但该方法会因为增加电阻而产

15、生损耗,不适合在大功率场合应用。有源阻尼法通过修正算法消除共振,使VSR系统达到稳定。该方法通过增加控制的复杂性,避免了无源阻尼法产生损耗的缺点。常见的有源阻尼法有虚拟电阻法法8 107图2 两相静止坐标系下基于LCL滤波器的VSR的数学模型、超前网络。超前网络、基于遗传算法的有源阻尼法112 单相滤波器的研究考虑单相LCL滤波器情况时,将电网侧以及整流器侧看作电压源,得到的等效电路如图3所示。法需要选择的参数较多,而且参数不容易确定。基于遗传算法的有源阻尼法的运算速度慢,往往出现早熟收敛和收敛性能差等缺点。本文采用基于准谐振调节器的有源阻尼法,可防止在某些频率点阻抗为零的情况,使VSR系统稳

16、定。该方法简化了VSR控制系统,可以将基于L型滤波器的VSR控制策略应用到基于LCL滤波器的VSR中。3 准谐振调节器图3 LCL滤波器单相等效电路根据图3,忽略电阻R、Rg的影响,可以写出单相LCL滤波电路的传递函数:g G(S)=-(3)3U(s)LLgCfS+(L+Lg)S根据式(3),使用Matlab可画出如图4所示的波特图。从图4可看出,LCL滤波器在低频段以-20dB/十倍频衰减,在高频段以-60dB/十倍频衰减,由此可知该滤波器能够有效滤除高次谐波。但该滤波器存在谐振,谐振频率为w=gLgCf3.1 准谐振调节器的传递函数带通式准谐振调节器的传递函数为G(S)=Kp+28,11

17、12RcS+2wcS+w20(4)式中:Kp为比例放大系数;KR为增益;wc为角频率;w0为谐振频率,w0=314r/s。由式(4)可知该调节器有Kp、KR、wc三个可变参数。为了便于分析,通常设其中2个参数不变,观察剩下的一个参数变化对准谐振调节器性能的影响。当Kp、KR保持不变时,改变wc的大小不仅会影响准谐振调节器的增益,还会影响准谐振调节器42工矿自动化2011年3月的带宽。而且由于wc与相位裕量是一对相斥量,如果增大相位裕量,则wc减小,准谐振调节器的稳定性变差。同理,KR的大小影响准谐振调节器的增益,但不影响准谐振调节器的带宽,增大KR,准谐振调节器的超调量增大,时间响应增加11。

18、Kp影响准谐振调节器响应的快速性,增大Kp,准谐振调节器的响应速度变快,反之,则变慢。采用Matlab仿真得到的准谐振调节器的波特图如图5所示。4 基于LCL滤波器的VSR系统的控制策略4.1 控制原理基于LCL滤波器的VSR控制框图如图7所示,其中ea、eb、ec,ia、ib、ic,udc分别为检测的三相电压、三相电流和母线电压; 为相位角;电压外环采用常规的PI调节器,电流内环采用准谐振调节器;id、iq为旋转坐标系下电流的d、q分量;Sa、Sb、Sc为三相开关函数。(a)幅频特性曲线图7 基于LCL滤波器的VSR控制框图4.2 基于瞬时无功功率的锁相技术相位角的检测采用基于瞬时无功功率理

19、论的方(b)相频特性曲线法。该方法结构简单,能够准确锁定电压相位,提高鲁棒性,对三相输入电压谐波具有较强的抑制作用。基于瞬时无功功率理论的锁相环控制框图如图8所示(其中314为电网电压的基频,用于保证掉电瞬间相位的准确跟踪)。图5 准谐振调节器的波特图3.2 电流环节设计传统的VSR系统控制策略的电流内环采用PI调节器控制。对于基于LCL滤波器的VSR系统,如果在没有增加阻尼的情况下,采用PI调节器控制电流环时,LCL滤波器易产生谐振,使整个VSR系统无法稳定。而采用准谐振调节器,在两相静止坐标系下能够避免谐振,达到良好的控制效果。因此,基于LCL滤波器的VSR的电流内环采用准谐振调节器控制,

20、可实现电流的准确跟踪控制。采用Matlab仿真得到的基于LCL滤波器的VSR电流内环的波特图如图6所示。图8 基于瞬时无功功率理论的锁相环控制框图5 仿真实验及分析基于Matlab环境对两相静止坐标系下基于LCL滤波器的三相VSR进行建模仿真。仿真参数如表1所示,仿真波形如图9所示。从图9(a)可看出,该VSR实现了单位功率因数;从图9(b)可看出,电流给定值与电流跟踪值相互重合,电流跟踪给定,控制效果较好;从图9(c)可看出,母线电压稳定较快,说明该VSR具有良好的动态性能;从图9(d)可看出,LCL滤波器有效抑制了谐波电流。6 结语(a)幅频特性曲线(b)相频特性曲线图6 基于LCL滤波器

21、的VSR电流内环的波特图介绍了两相静止坐标系下基于LCL滤波器的2011年第3期黄秋燕等:基于LCL滤波器的电压型PWM整流器的研究表1 仿真参数43电网电压ea/V150L/mH5LCL滤波器参数R/ 0.05Lg/mH5Rg/ 0.05Cf/ F3电容C/ F3300PI调节器参数K0.2KI100准谐振调节器参数Kp120KR600电网频率f/Hz50(a)电网侧电压、电流波形(b)电流跟踪波形(c)母线电压波形(d)A相电流谐波分析图9 仿真波形VSR的控制算法。该算法避免了两相旋转坐标系中的电流交叉耦合项,不需要前馈解耦,使整个控制系统结构更加简单;采用准谐振调节器控制基于LCL滤波

22、器的VSR的电流,实现了电流的跟踪控制。仿真结果验证了该算法的正确性和可行性。参考文献:1 LISERREM,BLAABJERGF,HANSENS.DesignandControlofanLCL filterBasedThree phaseActiveRectifierJ.IEEETransactionsonIndustryApplications,2005,41(5):1281 1291.2 孙蔚,伍小杰,戴鹏.基于LCL滤波器的电压源型PWM整流器控制策略综述J.电工技术学报,2008,23(1):91 96.3 王久和,尹虹仁,张金龙,等.采用功率内环和电压平方外环的电压型PWM整流器J.北京科技大学学报,2008,30(1):40 95.4 张宪平,李亚西,潘磊.三相电压型整流器的LCL型滤波器分析与设计J.电气应用,2005,26(5):65 68.5 DAHONOPA.AControlMethodtoDampOscillationintheInputLCFilterC/IEEE33rdAnnualPowerElectronicsSpecialistsConference,2