基于LCL滤波的PWM整流器稳定性控制的研究

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  基金项目：海洋工程国家重点实验室自主基金（AE0183）；上海市科技发展基金（8DZ1200504，09DZ233）定稿日期：2-2-3作者简介：韩刚（985-），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为大功率风力发电及其控制技术。随人类对能源的不断需求，风力发电、光伏发电以及燃料电池等分布式发电系统得到了广泛的研究。PWM整流器作为“绿色电能变换器”，因其能够优化直流电压，调整功率因数，实现能量双向流动且网侧电流正弦度高，正发挥着慢慢的变大的作用但在大功率场合，三相电压源型PWM整流器常常要经过LCL滤波器接入电网然而，LCL滤波器属于三阶系统，在特定谐波下，其总阻抗接近零，易发生谐振现象，并会造成系统的不稳定为此，需加入无源阻尼或有源阻尼的方法无源阻尼方法通常简单、可靠，但会在某些特定的程度上降低LCL的滤波效果，并且电阻也会带来损耗；有源阻尼方法需要的反馈量较多，实现起来较复杂，且易受外界环境的干扰[3-5]这里采用电网电压定向的双闭环控制策略，利用系统在分析比较了反馈不同位置电流来控制时对PWM整流器系统稳定性的影响，并在35kWLCL滤波的三相PWM整流器系统主电路如图所示，三相PWM整流器通LCL滤波器与电网连接基于LCL滤波的PWM整流器稳定性控制的研究上海交通大学，风力发电研究中心，上海224；上海交通大学，海洋工程国家重点实验室，上海224）摘要：LCL滤波器在滤除高次谐波上的优越性，使其在三相PWM整流器中得到普遍应用当系统采用电网电压定向的电压电流双闭环控制策略时，反馈电流的方式有反馈PWM整流器交流侧电感电流和反馈电网侧电感电流两种这里重点分析比较了两种不同反馈方式对系统稳定性的影响，根据结果得出采用反馈网侧电流控制时，系统稳定性较好，可省去复杂的无源或有源阻尼算法而适当提高谐振频率，增强对低次谐波的抑制最后，35kW实验平台上，通过实验验证了理论分析的正确性关键词：整流器；滤波器；反馈电流；稳定性控制中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：-X（2）6-79-3ResearchStabilityControlPWMRectifierLCLfilterHANGangCAIXu1，2WANGHanZHANGJian-wen（ShangaiJioTongUniversity，ngi200240，Cina）Abstract：LCLfilterwidelyappliedthree-phasePWMrectifieritsexcellentperformancehighorderhar-monicattenuation.Theretwocurrentfeedbackmodeswhilechoosinggridvoltageorientatedreferenceframecurrentdoubleloopssystem’scontrolscheme.Thesystem’sstabilityundertwodifferentfeedbackcurrentmodesresultsshowsystemhasbetterstabilitywhileusinginductancecurrentpowergrid，socanavoidcomplicatedpassiveactivedampingalgorithm.LCLfilterhigherresonancefre-quencyshowsbetterinhibitingeffectlow-orderharmonics.Finallyexperimentalresultstheoreticalanalysis35kWexperimentalplatform.Keywords：rectifier；filter；feedbackcurrentstabilitycontrolFoundationProject：SupportedStateKeyLaboratoryOceanEngineeringIndependentFund（No.AE83）；ShanghaiScienceTechnologyDevelopmentFund（No.8DZ254，9DZ233）LCL滤波的三相PWM整流器的主电路电力电子技术PowerElectronicsVol.45，No.6June79电力电子技术PowerElectronicsVol.45，No.6Jun2011其中LCL滤波器由部分所组成：电网侧电感上的杂散等效电阻。此处滤波电容采用三角形接法，满足关系fY=3C以及滤波电容上的电压Cf作为状态变量，LCL滤波的三相PWM整流器在时域下数学模型为：di1j/dt=-Rinvj为变换器侧输出相电Cfj为滤波电容相电压；i2j分别为电网侧和整流器交流侧电感电流当反馈整流器交流侧电感电流、电网侧电感电流分别来控制时，系统的传递函数为：LCL滤波器的谐振角频率为：示出采用两种不同反馈控制方式下，系统的频率特性曲线低频情况下，两种反馈电流方式的频率特性近似，都是以衰减；高频情况下（大于谐振频率），M整流器交流侧电流仍衰减，而电网侧电流则以60衰减这也说明了与单电感LCL滤波器的设计原则LCL滤波器的设计既要拥有非常良好的滤波效果，又要满足对有功、无功功率控制的要求，基波角频率为=50Hz），则定义系统的基准阻抗那么LCL滤波器参数的选取需符合以下条件：总电感值越小，电流的跟踪能力及系统的响应越快；若其值越大，滤波效果越为避免整流器功率因数过低，一般滤波电容fY吸收的基波无功功率不能大于系统额定有功功率的5％，fY5％为避免谐振发生在主要谐振频率附近，谐波频sw分别为电网基波角频率和开关角频率），以免产生较大谐波污染电网；定义两电感比值，开关谐波次数sw满足二次方程：dr+（d-dωsw不同反馈方式控制下系统稳定性分析4.1双闭环控制管理系统这里采用基于电网电压定向的电压电流双闭环控制策略，其控制框图如图所示直流电压外环经轴电流的给定因反馈的电流方法不一样而不一样：反馈电网侧电感电流来控制时，q轴电流给定为零；若反馈流器侧电感电流控制，则为实现单位功率因数运流给定值分别与实际电流反馈信号作比较，其偏差信号送入调节器，内环输出作为SWM调制的电压控制信号，进而控制WM整流器的运行尽管该方法具有结构相对比较简单，对系统参数的变化不敏感等优点，但是由于滤波器中存在滤波电容使其与单电感滤波系统又存在一定的差异，故导致反馈电流方式的选择不唯一4.2延时环节及谐振频率的影响考虑到理想的控制器不存在延时，但是实际的数字控制器中存在采样延时和WM控制的延时图域的结构框图，其中电流环结构框图80 根据框图可得电流内环的开环传递函数为： LL2（s离散化后的传递函数； z-1z-1 时情况下，两种反馈方式下系统均不能稳定运行。若只考虑 的延时，随着比例增益的不断增大，若反馈整流器交流侧电感电流控制，存在两条 根轨迹分支始终向单位圆外发散， 此时不论怎样 调节 参数，系统都不能稳定运行。若要系统能 够正常工作， 需要加入无源阻尼或有源阻尼的方 电阻的无源阻尼方法，加入阻尼电阻后，导致系统不稳定 的一对共轭极点从单位圆外移到圆内， 系统能够 稳定运行。 但若是反馈电网侧电感电流来控制， 在一些范围内，可通过选择正真适合的 参数来实现系统的稳定运行， 而此时无需添加任何无源或有 源的阻尼方法，从而简化了控制的复杂度，整个系 统的可靠性也得到了提高。 由式3可知，改变 的大小能轻松实现谐振频率的变化。 减小到41.5 611Hz 提高到 864 Hz， res升高后，此时系统的稳定裕度减小，而低频 分支的变化很小。 实验验证为验证理论分析的正确性，进行了实验，整个 WM 整流器的控制策略由 SPACE 主控制器来 实现，在一个开关周期内执行一次控制算法，即控 制周期等于开关周期， 主电路参数：E 350kW，U 0.6mH， 0.5mH， 由上述分析可知，反馈整流器交流侧电感电 流控制时，谐振导致保护电路动作，系统不能稳定 运行，为保证系统的正常工作，实验时在滤波电容 支路串联了 5a可知，经过 滤波后，P整流器

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