1、󰀁第3期󰀁2011年3月工礦自動化IndustryandMineAutomationNo.3󰀁Mar.2011󰀁文章編號:1671-251X(2011)03-0039-05󰀁󰀁󰀁DOI:CNKI:32-1627/TP.20110226.1626.016基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究黃秋燕,󰀁張閣(中國礦業大學信電學院,江蘇徐州󰀁221008)󰀁󰀁摘要:針對電壓型PWM整流器開關頻率附近的高次諧波污染電網,傳統

2、的電壓型PWM整流器的控制策略都是基于兩相旋轉坐標系,存在電流交叉耦合項、計算量大的問題,提出了一種兩相靜止坐標系下基于LCL濾波器的PWM整流器的控制算法。該算法利用Clark變換系將三相靜止坐標系下的電壓型PWM整流器系統變換到兩相靜止坐標系下的電壓型PWM整流器系統,避免了兩相旋轉坐標系下的電流交叉耦合項;采用準諧振調節器控制電壓型PWM整流器的電流,實現了電流的跟蹤控制。Matlab仿真結果驗證了該算法的正確性和可行性。關鍵詞:電壓型PWM整流器;LCL濾波器;兩相靜止坐標系;諧波;準諧振調節器;VSR󰀁󰀁中圖分類號:TD608󰀁b

3、3041;󰀁文獻標識碼:A󰀁󰀁󰀁網絡出版時間:2011-02-2616:26󰀁󰀁網絡出版地址:ResearchofVoltageSourcePWMRectifierBasedonLCLFilterHUANGQiu󰀁yan,󰀁ZHANGGe(SchoolofInformationandElectricalEngineeringofCUMT.,Xuzhou221008,China)󰀁󰀁Abstract:Inviewofproblemstha

4、thighharmonicsofswitchingfrequencyofvoltagesourcePWM收稿日期:2010-12-31作者簡介:黃秋燕(1986-),女,江蘇徐州人,碩士研究生,研究方向為嵌入式系統。E󰀁mail:huangqiuyanzdb響,在此基礎上提出了一種改進的全波傅里葉算法。該算法計算簡單、數據窗短(只用到1個基頻周期的N個采樣點),不需要增加額外的采樣點,只需對采樣序列進行奇偶分列并分別進行傅里葉計算就能有效地消除衰減直流分量的影響。仿真結果表明,該算法具有較高的精度,符合微機繼電保護的要求。參考文獻:1󰀁張明君.電力系統微機保護M

5、.北京:冶金工業出版社,2002.2󰀁羅鈺玲.電力系統微機繼電保護M.北京:人民郵電出版社,2005.3󰀁董連河.電力系統微機保護新算法的研究D.大慶:大慶石油學院,2008.4󰀁陳潔,何志勤,葉青.微機保護中濾除衰減直流分量的全周波傅氏算法的仿真比較分析J.繼電器,2007,35(6):16󰀁20,29.5󰀁侯有韜,張舉.一種濾除衰減直流分量的快速算法J.繼電器,2004,32(6):6󰀁9.6󰀁馬磊,王曾平,徐巖.微機繼電保護中濾除衰減直流分量的算法研究J.繼電器,2005,33

6、(17):11󰀁13,34.7󰀁李孟秋,王耀南,王輝.基于全周波傅氏算法濾除衰減直流分量新方法J.湖南大學學報:自然科學版,2001,28(1):59󰀁63.8󰀁GUOYong,KEZUNOVICM,CHENDeshu.SimplifiedAlgorithmsforRemovaloftheEffectofExponentiallyDecayingDC󰀁offsetontheFourierAlgorithmJ.IEEETransactionsonPowerDelivery,2003,18(3):711󰀁

7、;717.9󰀁齊先軍,丁明,溫陽東.一種完全濾除衰減直流分量的短數據窗改進全波傅氏算法J.繼電器,2005,33(17):14󰀁16,44.10󰀁鐘麟,王峰.MATLAB仿真技術與應用教程M.北京:國防工業出版社,2003.11󰀁何志勤,樊江濤.基于MATLAB的全波傅氏算法仿真J.華東交通大學學報,2006,23(1):113󰀁114.40工礦自動化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 引言電壓型PWM整流器(VoltageSourcePWMRectifier,VSR)具有四象限運行、網側功率因數可調、網側電流接近正弦等優點,被廣泛應用于電氣行業的各個領域中。實際應用中,VSR會產生開關頻率及其整數倍的諧波,該諧波污染電網,影響其它設備的性能并增加線路損耗1。采用傳統的基于L型濾波器

11、的VSR通過增加電感量的方法可提高濾波能力,但是該方法影響整流器系統的動態性能。采用基于LCL濾波器的VSR可有效地解決上述諧波問題2。三相VSR控制策略有多種,國內現行的控制策略主要有直接電流控制策略、直接功率控制策略及非線性控制策略,這些控制策略的研究都是基于兩相旋轉坐標系1 5Ucf=e-(Rg+Lgs)igUcf=(R+L)i+U(1)i=ig-icf式中:ig為Lg中流過的電流;s為S域中微分因子;U為變流器側的相電壓。圖1 基于LCL濾波器的三相VSR拓撲結構利用Clark變換系可以將三相靜止坐標系(a,b,c)下的三相系統變換到兩相靜止坐標系( , )下的兩相系統: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)。兩相旋轉坐標系中VSR模型含有電流交叉耦合項,需要前饋解耦控制,另外還需要Park變換,計算量較大,整個控制系統結構變得復雜。采用基于兩相靜止坐標系下的VSR控制策略可避免上述缺點。基于LCL濾波器的VSR控制策略采用具有簡單離散迭代算法的準諧振調節器跟蹤控制三相交流電流,避免了傳統PI調節器的遲滯現象。Matlab仿真結果驗證了該算法的正確性和可行性。1 基于LCL

13、濾波器的VSR數學模型基于LCL濾波器的VSR拓撲結構如圖1所示,其中ea、eb、ec為三相電源電壓;Lg、L、Cf組成LCL濾波器;Rg、R分別為濾波電感Lg和L的內阻;C為直流側濾波電容。根據圖1,利用基爾霍夫電壓電流定律建立基于三相靜止坐標系(a,b,c)的一相回路方程:- 0A=0Cf 02011年第3期-L 0B=0 0 0 0-黃秋燕等:基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究 0L 0 0 0 000Lg000000(a)幅頻特性曲線41Lg00(b)相頻特性曲線式中:p為時域中的微分算子;i 、i 為兩相靜止坐標系下VSR側的輸入電流;U 、U 為兩相靜止坐標系下VSR側的輸

14、入電壓;e 、e 為兩相靜止坐標系下電網側輸入電壓;Ucf 、Ucf 為兩相靜止坐標系下電容電壓;ig 、ig 為兩相靜止坐標系下電容電流。根據式(2)可得到兩相靜止坐標系下基于LCL濾波器的VSR的數學模型,如圖2所示。從圖2可看出,電流沒有出現交叉耦合,整個結構清晰、簡潔。圖4 G(S)的波特圖LCL濾波器的阻抗接近零會產生諧振,破壞VSR系統的穩定性。為了抑制諧振通常在已有的控制策略的基礎上添加阻尼抑制諧振。添加阻尼分為無源阻尼法4、有源阻尼法。無源阻尼法通過在電容上串聯或并聯電阻增加LCL濾波器的阻尼,使得VSR系統穩定,該方法適合于任何成熟的控制策略5 6。但該方法會因為增加電阻而產

15、生損耗,不適合在大功率場合應用。有源阻尼法通過修正算法消除共振,使VSR系統達到穩定。該方法通過增加控制的復雜性,避免了無源阻尼法產生損耗的缺點。常見的有源阻尼法有虛擬電阻法法8 107圖2 兩相靜止坐標系下基于LCL濾波器的VSR的數學模型、超前網絡。超前網絡、基于遺傳算法的有源阻尼法112 單相濾波器的研究考慮單相LCL濾波器情況時,將電網側以及整流器側看作電壓源,得到的等效電路如圖3所示。法需要選擇的參數較多,而且參數不容易確定。基于遺傳算法的有源阻尼法的運算速度慢,往往出現早熟收斂和收斂性能差等缺點。本文采用基于準諧振調節器的有源阻尼法,可防止在某些頻率點阻抗為零的情況,使VSR系統穩

16、定。該方法簡化了VSR控制系統,可以將基于L型濾波器的VSR控制策略應用到基于LCL濾波器的VSR中。3 準諧振調節器圖3 LCL濾波器單相等效電路根據圖3,忽略電阻R、Rg的影響,可以寫出單相LCL濾波電路的傳遞函數:g G(S)=-(3)3U(s)LLgCfS+(L+Lg)S根據式(3),使用Matlab可畫出如圖4所示的波特圖。從圖4可看出,LCL濾波器在低頻段以-20dB/十倍頻衰減,在高頻段以-60dB/十倍頻衰減,由此可知該濾波器能夠有效濾除高次諧波。但該濾波器存在諧振,諧振頻率為w=gLgCf3.1 準諧振調節器的傳遞函數帶通式準諧振調節器的傳遞函數為G(S)=Kp+28,11

17、12RcS+2wcS+w20(4)式中:Kp為比例放大系數;KR為增益;wc為角頻率;w0為諧振頻率,w0=314r/s。由式(4)可知該調節器有Kp、KR、wc三個可變參數。為了便于分析,通常設其中2個參數不變,觀察剩下的一個參數變化對準諧振調節器性能的影響。當Kp、KR保持不變時,改變wc的大小不僅會影響準諧振調節器的增益,還會影響準諧振調節器42工礦自動化2011年3月的帶寬。而且由于wc與相位裕量是一對相斥量,如果增大相位裕量,則wc減小,準諧振調節器的穩定性變差。同理,KR的大小影響準諧振調節器的增益,但不影響準諧振調節器的帶寬,增大KR,準諧振調節器的超調量增大,時間響應增加11。

18、Kp影響準諧振調節器響應的快速性,增大Kp,準諧振調節器的響應速度變快,反之,則變慢。采用Matlab仿真得到的準諧振調節器的波特圖如圖5所示。4 基于LCL濾波器的VSR系統的控制策略4.1 控制原理基于LCL濾波器的VSR控制框圖如圖7所示,其中ea、eb、ec,ia、ib、ic,udc分別為檢測的三相電壓、三相電流和母線電壓; 為相位角;電壓外環采用常規的PI調節器,電流內環采用準諧振調節器;id、iq為旋轉坐標系下電流的d、q分量;Sa、Sb、Sc為三相開關函數。(a)幅頻特性曲線圖7 基于LCL濾波器的VSR控制框圖4.2 基于瞬時無功功率的鎖相技術相位角的檢測采用基于瞬時無功功率理

19、論的方(b)相頻特性曲線法。該方法結構簡單,能夠準確鎖定電壓相位,提高魯棒性,對三相輸入電壓諧波具有較強的抑制作用。基于瞬時無功功率理論的鎖相環控制框圖如圖8所示(其中314為電網電壓的基頻,用于保證掉電瞬間相位的準確跟蹤)。圖5 準諧振調節器的波特圖3.2 電流環節設計傳統的VSR系統控制策略的電流內環采用PI調節器控制。對于基于LCL濾波器的VSR系統,如果在沒有增加阻尼的情況下,采用PI調節器控制電流環時,LCL濾波器易產生諧振,使整個VSR系統無法穩定。而采用準諧振調節器,在兩相靜止坐標系下能夠避免諧振,達到良好的控制效果。因此,基于LCL濾波器的VSR的電流內環采用準諧振調節器控制,

20、可實現電流的準確跟蹤控制。采用Matlab仿真得到的基于LCL濾波器的VSR電流內環的波特圖如圖6所示。圖8 基于瞬時無功功率理論的鎖相環控制框圖5 仿真實驗及分析基于Matlab環境對兩相靜止坐標系下基于LCL濾波器的三相VSR進行建模仿真。仿真參數如表1所示,仿真波形如圖9所示。從圖9(a)可看出,該VSR實現了單位功率因數;從圖9(b)可看出,電流給定值與電流跟蹤值相互重合,電流跟蹤給定,控制效果較好;從圖9(c)可看出,母線電壓穩定較快,說明該VSR具有良好的動態性能;從圖9(d)可看出,LCL濾波器有效抑制了諧波電流。6 結語(a)幅頻特性曲線(b)相頻特性曲線圖6 基于LCL濾波器

21、的VSR電流內環的波特圖介紹了兩相靜止坐標系下基于LCL濾波器的2011年第3期黃秋燕等:基于LCL濾波器的電壓型PWM整流器的研究表1 仿真參數43電網電壓ea/V150L/mH5LCL濾波器參數R/ 0.05Lg/mH5Rg/ 0.05Cf/ F3電容C/ F3300PI調節器參數K0.2KI100準諧振調節器參數Kp120KR600電網頻率f/Hz50(a)電網側電壓、電流波形(b)電流跟蹤波形(c)母線電壓波形(d)A相電流諧波分析圖9 仿真波形VSR的控制算法。該算法避免了兩相旋轉坐標系中的電流交叉耦合項,不需要前饋解耦,使整個控制系統結構更加簡單;采用準諧振調節器控制基于LCL濾波

22、器的VSR的電流,實現了電流的跟蹤控制。仿真結果驗證了該算法的正確性和可行性。參考文獻:1 LISERREM,BLAABJERGF,HANSENS.DesignandControlofanLCL filterBasedThree phaseActiveRectifierJ.IEEETransactionsonIndustryApplications,2005,41(5):1281 1291.2 孫蔚,伍小杰,戴鵬.基于LCL濾波器的電壓源型PWM整流器控制策略綜述J.電工技術學報,2008,23(1):91 96.3 王久和,尹虹仁,張金龍,等.采用功率內環和電壓平方外環的電壓型PWM整流器J.北京科技大學學報,2008,30(1):40 95.4 張憲平,李亞西,潘磊.三相電壓型整流器的LCL型濾波器分析與設計J.電氣應用,2005,26(5):65 68.5 DAHONOPA.AControlMethodtoDampOscillationintheInputLCFilterC/IEEE33rdAnnualPowerElectronicsSpecialistsConference,2