基于LCL滤波器的电压型PWM整流器新型电流控制策略研究

1、366/2009收稿日期：2009-09-21作者简介：张宪平(1981- )男，博士，工程师，研究方向为电力电子与电力传动。6/2009基于LCL滤波器的电压型PWM整流器新型电流控制策略研究37侧电流反馈的双闭环矢量控制策略，并利用网侧电流的二次微分抑制LCL滤波器的谐振，保证了系统的稳定性，利用正弦函数的特性避免了微分环节可能造成的高频噪声干扰问题。本文提出的控制策略，电流环设计较为简单，参数容易选择，无需额外的电流或电压传感器，节约了成本。1基于LCL滤波器的三相VSR拓扑结构及数学模型图1示出基于LCL滤波器的三相VSR（电压源整流器）拓扑结构。LCL滤波器由3部分组成：网侧电感Lg

2、、变流器侧电感Lcon 和滤波电容Cf，其中Lcon主要作用是升压和进行能量变换，Lg、Cf用于滤除高次谐波。图中Rg、Rcon分别为电感Lg、Lcon上的杂散等效电阻。图1基于LCL滤波器的三相VSR拓扑结构Fig.1Topological structure of 3-phase VSR with LCL filter根据该拓扑结构，可以得到单相支路的网侧电流、电压方程式组14：（1）式中：vcon(t)PWM整流器交流侧电压；icon(t)PWM整流器交流侧电流；vc(t)PWM整流器交流侧电容电压；ic(t)PWM整流器交流侧电容电流；e(t)电网电压；ig(t)网侧电流。将式（1）写

3、成三相表达式后，经过三相/两相坐标变换和旋转坐标变换，可以得到该VSR交流侧方程组在电网电压定向的同步旋转dq坐标系下的数学模型：（2）式中：三相电网基波角频率；idcon(t)变流器侧电流矢量的d轴分量；iqcon(t)变流器侧电流矢量的q轴分量；idg(t)网侧电流矢量的d轴分量；iqg(t)网侧电流矢量的q轴分量；vdc(t)滤波电容电压矢量的d轴分量；vqc(t)滤波电容电压矢量的q轴分量；vdcon(t)PWM整流器交流侧电压矢量d轴分量；vqcon(t)PWM整流器交流侧电压矢量q轴分量；ed(t)电网电压矢量的d轴分量；eq(t)电网电压矢量的q轴分量；。由式(2)可以得到基于L

4、CL滤波器的三相VSR交流侧的结构框图（图2）。电流环通过整流器侧交流电压矢量控制电网电流ig，使其与电网电压同相位。从图2可以看出，基于LCL滤波器的三相VSR是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。图2基于LCL滤波器的三相VSR在dq坐标系下的结构框图Fig.2Block diagram of 3- phase VSR with LCL filter in dqcoordinate system38基于LCL滤波器的电压型PWM整流器新型电流控制策略研究6/20092基于LCL滤波器的三相VSR电流控制策略由式（1）可以得到复频域下的变流器侧电压vcon(s)与网侧电流ig(s)、电网电

5、压e(s)的函数关系式：（3）式中：s复频率。又由式（3）可以得到ig(s)与vcon(s)间的传递函数：（4）根据赫尔维茨稳定判据可以知道式（4）描述的系统是不稳定的，因此如果直接采取电网电流反馈控制方式，电流环将会发生振荡。通过分析发现，造成系统不稳定的原因是由于式（4）的特征方程中缺少s2项，因此可以考虑增加一个电网电流的二次微分项，则式（4）可以改写为：（5）式中：Kgs2项系数。由赫尔维茨判据可以知道，令Kg>0，则式（5）稳定。为了选择合适的参数Kg，可以借助Matlab仿真软件绘出LCL滤波器的频率响应曲线。图3分别示出Kg=0和K7g=1×10-情况下LCL滤波

6、器响应曲线。由图可以看出，未引入电网电流的二次微分项时，在LCL滤波器的谐振频率处有一个很高的峰值，这会造成电流的振荡；引入电网电流二次微分后，LCL滤波器的谐振得到了抑制，系统可以稳定。图3整流器电压到输出电网电流的频率响应（实线：Kg=0,虚线：K-7g=1×10）Fig.3Frequency response from rectifier output voltage tooutput grid current (solid line:Kg=0 and dashed：Kg=1×10-7)通过以上分析，结合式（3）和式（5）可以得到了基于LCL滤波器的三相电压型PWM整

7、流器的电流环控制框图（图4）。图中，Gc为电流调节器，GPWM为PWM整流器及采样延迟环节的等效传递函数，它们的表达式分别可以记作：（6）（7）式中：KP调节器比例增益；TI积分时间常数；KPWMPWM整流器电压增益；Ts采样时间。图4电网电流控制结构框图Fig.4Block diagram of grid current control由图4可以看出，本文提出的电网电流控制策略中需要用到电网电压和电网电流的二次微分。为了避免微分环节对系统造成的高频谐波干扰，利用正弦函数的特性对电网电压和电网电流的二次微分进行处理。设电网电压在二相静止坐标系下为：（8）式中：e电网电压矢量的分量；e电网电压矢

8、量的分量；Em二相静止坐标系下电网电压幅值；h电网电压任意次的谐波角频率。经过微分处理，由式(8)可以得到电网电压二次微分表达式：（9）式中：二相静止坐标系下网侧电流二次微分后的分量；二相静止坐标系下网侧电流二次微分后的分量；h电网电压任意次谐波相应的初始相位。同理，可以得到电网电流的二次微分表达式：（10）式中：二相静止坐标系下电网侧电流二次微分后的分量；二相静止坐标系下网侧电流二次微分后的分量。通过式（9）和式（10）在控制算法中对电网电压和电流的二次微分处理，可以避免高频谐波对系统造成的干扰。为了简化基于LCL滤波器的整流器电流环的设计，6/2009基于LCL滤波器的电压型PWM整流器新

9、型电流控制策略研究39可设电网电压e为电流环的外部干扰项。根据式（5）可知，图4中电流环的内部小环是稳定的，在设计电流调节器的PI参数时，只需要考虑电流环即可。由图4可以得到电流环的开环传递函数：（ 11）由于LCL滤波器的低频响应特性与电感为LT=Lg+Lcon的滤波器的一致4，因此电流环设计时如果选择截止频率低于LCL滤波器的谐振频率，则式（11）可简化为典型的II型系统标准传递函数：（12）如果取中频宽度1hi=5（工程上常取hi=TI（/1.5Ts）=5），则由式(12)可以得到：（13）3仿真及实验为了验证本文提出的控制策略的可行性，根据LCL滤波器的设计规则15，16选择了滤波器的

10、参数（表1）。系统设计参数为：功率P=2kW，电网线电压el-l=120V，直流电压Vdc=200V，开关频率fsw=5kHz。利用Matlab/Simulink搭建了基于LCL滤波器的电压型PWM整流器的仿真模型，设直流侧负载电阻RL=20。仿真结果如图5所示。表1LCL滤波器参数Tab.1Parameter of LCL filtercongf图5基于LCL滤波器的PWM整流器新型控制策略下仿真波形Fig.5Simulation waveforms curves of PWM VSR with LCLfilter with the novel control strategy在上述理论分析

11、和仿真验证的基础上，选用功率模块IPM100DSA120、电抗器、滤波交流电容、电解电容、功率电阻、电压电流传感器、TMS320LF2407等构成了基于LCL滤波器的VSR系统硬件电路，该电路在负载电阻RL=20情况下的试验结果如图6所示。为了说明本文控制策略的有效性，文中示出了未采用LCL滤波器谐振抑制措施的电网电流试验波形（图7）。(a)电压电流波形(1为相电压，2为电网侧电流，3为变流器侧电流)(a)Waveforms of voltage and current(1: phase voltage, 2: grid-sidecurrent,3: converter-side curren

12、t)b）电流谐波频谱分析(左图为变流器侧电流，右图为网侧电流)(b)Harmonics spectrum analysis of currents (Left chart: converter-side current, Right chart: grid-side current)图6试验波形及电流频谱分析Fig.6Experimental curves of PWM VSR with LCL filter andharmonics analysis of currents图7不同控制策略下电网电流波形(1:文中提出的控制策略，2：LCL滤波器不采取谐振抑制措施)Fig.7Grid curr

13、ent waveforms in different control strategies(1:proposed control strategy，2：LCL filter withoutresonance damping)由图5和图6可以看出，稳态时ea与iga同相位，能实（40基于LCL滤波器的电压型PWM整流器新型电流控制策略研究66/2009现单位功率因数的控制，电流波形未发生振荡；通过电流波形频谱比较可知，通过LCL滤波后，电网电流中高频谐波基本被滤除，波形质量得到了改善。图7显示，如果不对LCL滤波器的谐振采取抑制策略，系统将无法稳定运行，电流振荡很大；同时通过电流波形的比较也说明

14、了本文提出的控制策略是可行的。Routimo M, Tuusa H. LCL Type Supply Filter for Active PowerFilter Comparison of an Active and a Passive Method for ResonanceDampingC/IEEE Power Electronics Specialists Conference,2007：2939-2945.7Vladimir Blasko, Vikram Kaura. A novel control to actively dampresonance in input LC filte

15、r of a three-phase voltage sourceconverterJ. IEEE Transactions on Industry Application, 33(2)：542-550.8Liserre M, Aquila A Dell, Blaabjerg F. Stability improvements ofan LCL-filter based three-phase active rectifierC/IEEE 33thPower Electronics Specialists Conference, 2002：1195-1201.4结语本文提出了一种针对基于LCL

16、滤波器的三相电压9Mariusz Malinowski, Wojciech Szczygiel, Marian P Kazmierkowski,et al. Sensorless operation of active damping method for three-phase PWM convertersC/Proceedings of the IEEE InternationalSymposium on Industiral Electronics, 2005(2)：775-780.型PWM整流器的新型电流控制策略，它能保证系统稳定运行，且控制算法较为简单，易于整流器功率因数的调节。由于

17、本文采取的控制策略不需要额外的电流或电压传感器，不仅节省了系统的成本、增加了系统的可靠性，还能有效地滤除高次谐波、改善电流波形的质量。这也说明了LCL滤波器在大功率系统中具有重要的实际应用价值。参考文献：张兴.PWM整流器及其控制M.北京：机械工业1张崇巍，出版社，2005.罗悦华，乔树通.三相电压型PWM整流器控制技术2伍小杰，综述J.电工技术学报.2005，20(12)：7-11.3Marco Liserre, Remus Teodorescu, Frede Blaabjerg. Stability ofPhotovoltaic and Wind Turbine Grid-Connecte

18、d Inverters for aLarge Set of Grid Impedance ValuesJ. IEEE Transactions onPower Electronics, 2006, 21(1)：263-272.4Marco Liserre, Frede Blaabjerg, Steffan Hansen. Design andcontrol of an LCL-filter-based three-phase active rectifierJ.IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(5)：1281-1290.5

19、Lindgren M, Svensson J. Connecting fast switching voltage-sourceconverters to the grid-harmonic distortion and its reductionC/IEEE Strock Power Tech. Conference, Stockholm, 1995：191-195.10Pekik Argo Dahono. A control method for DC-DC converterthat has an LCL output filter based on new virtual capaci

20、tor andresistor conceptsC/2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, 2004(1)：36-42.11Pekik Argo Dahono. A control method to damp oscillation inthe input LC filterC/Power Electronics Specialists Conference.2002, IEEE 33rd Annual, Cairns, Australia, 2002(4)：1630-1

21、635.12Gullvik, Norum W, Nilsen L. Active damping of resonance oscillationsin LCL-filters based on virtual flux and virtual resistorC/IEEE2007 European Conference on Power Electronics and Applications,2007：1-10.13Marco Liserre, Antonio DellAquila, Frede Blaabjerg. GeneticAlgorithm-Based Design of the

22、 Active Damping for an LCL-Filter Three-Phase Active RectifierJ. IEEE Transactions onPower Electronics, 2004,19(1)：76-86.林资旭，李亚西，等.LCL滤波的PWM整流器新型14张宪平，控制策略J.电工技术学报，2007，22(2)：74-77.李亚西，潘磊，等. 三相电压型整流器的LCL型15张宪平，滤波器分析与设计J.电气应用，2007，26(5)：65-68.16Timothy CY Wang，Zhihong Ye, Gautam Sinha, et al. Outputf

23、ilter design for a grid-interconnected three-phase inverterC/Power Electronics Specialist Conference, PESC03, 2003 IEEE34th Annual, 2003(2)：779-784.（上接第35页）Systems QualityM. 2nd Ed. McGraw-Hill, 2003.10ElMofty A, Youssef K. Industrial power quality problems. In:Electricity Distribution, Part 1:Contr

24、ibutions.C IR ED.16thInternational Conference and Exhibition on(IEE Conf. Pub lNo.482), Amsterdam, Nelterlands, Volume: Summaries,2001:139-139.李11朱鹏程，勋，康勇，等.统一电能质量控制器控制策略12LEE Sang-joon,KIMHyosung,SULSeung-ki,et al. A novel controlalgorithm for static series compensators by use of PQR instantaneousp

25、ower theoryJ.IEEE Trans.on Power Electronics,2004,19(3):814-827.13LEE Sang-joon,KIM Hyosung,SUL Seung-ki. A novel controlmethod for the compensation voltages in dynamic voltagerestorersCIEEE Applied Power Electronics Conference andExposition,Nineteenth Annual.S.l.:IEEE,2004:614-620.郑含博，稽丽明，等.单周控制的直流

26、侧有源电力滤14侯世英，波器及其补偿特性研究J.高压电器，2009,45(1)：29-33.研究J.中国电机工程学报，2004,24(8)：67-73.基于LCL滤波器的电压型PWM整流器新型电流控制策略研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：张宪平中国电力科学研究院,北京,100192大功率变流技术HIGH POWER CONVERTER TECHNOLOGY2009，""(6)0次参考文献(16条)1.张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制M.北京:机械工业出版社,2005.2.伍小杰,罗悦华,乔树通.三相电压型PWM整流器控制技术综述J.电工技术学报

27、.2005,20(12):7-11.3.Marco Liserre,Remus Teodorescu,Frede Blaabjerg.Stability of Photovoltaic and Wind Turbine Grid-Connected Invertersfor a Large Set of Grid Impedance ValuesJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(1):263-272.4.Marco Liserre,Frede Blaabjerg,Steffan Hansen.Design and control

28、of an LCL-filter-based three-phase activerectifierJ.IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(5):1281-1290.5.Lindgren M,Svensson J.Connecting fast switching voltage-sourceconverters to the grid-harmonic distortion and itsreductionC/IEEE Strock Power Tech.Conference.Stockholm,1995:191-195.6.

29、Routimo M,Tuusa H.LCL Type Supply Filter for Active Power Filter Comparison of an Active and a Passive Method forResonance DampingC/IEEE Power Electronics Specialists Conference,2007:2939-2945.7.Vladimir Blasko,Vikram Kaura.A novel control to actively damp resonance in input LC filter of a three-pha

30、se voltagesource converterJ.IEEE Transactions on Industry Application,33(2):542-550.8.Liserre M,Aquila A Dell,Blaabjerg F.Stability improvements of an LCL-filter based three-phase activerectifierC/IEEE 33th Power Electronics Specialists Conference.2002:1195-1201.9.Mariusz Malinowski,Wojciech Szczygi

31、el,Marian P Kazmierkowski,et al.Sensorless operation of active damping method forthreephase PWM convertersC/Proceedings of the IEEE International Symposium on Industiral Electronics.2005(2):775-780.10.Pekik Argo Dahono.A control method for DC-DC converter that has an LCL output filter based on new virtual capacitorand resistor conceptsC/2004 IEEE 35th Annual Power Electronic s Specialists C