三相四橋臂整流器系統建模及控制環路優化設計

于波，楊延春，郭曉丹，司剛，宋飛

（1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網天津節能服務有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

三相四橋臂整流器系統建模及控制環路優化設計

于波1,2，楊延春1,2，郭曉丹1,2，司剛3，宋飛4

（1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網天津節能服務有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

由于三相電壓型PWM整流器可以減小輸入電流諧波含量，提高系統的功率因數，因而應用廣泛。三相四橋臂整流電路的提出更加豐富了三相電壓型PWM整流器的拓撲結構，相比較傳統的三相三橋臂PWM整流器，三相四橋臂整流電路具有更好的容錯功能，因而對于提高整流器的可靠性具有重要的意義。

三相四橋臂；整流器；功率因數

相比較傳統的三相三橋臂PWM整流器，三相四橋臂整流器在具有與三橋臂PWM整流器共同的優點同時，具有更好的容錯功能。即當供電系統三相電壓出現不平衡，甚至在供電系統出現一相電壓斷路時的惡劣工況下，仍能保證輸入正常相的高功率因數校正。因此，三相四橋臂整流器對于豐富三相電壓型PWM整流器拓撲結構，提高三相高功率因數電壓型PWM整流器的可靠性具有重要的意義。通過開關平均周期法，本文建立了三相四橋臂整流電路的開關平均模型，建立了系統動態小信號模型，推導出了電壓外環和電流內環的控制傳遞函數，根據控制傳函設計了電流環和電壓環調節器。

1 整流器系統建模

圖1 三相四橋臂整流器電路拓撲

三相四橋臂整流器的狀態方程為：

合并式（2）（3），整理后得

式（4）中開關函數為不連續的函數，因此該方程為不連續方程，定義矢量：

由開關周期平均法可得到：

由以上推導可看出，三相四橋臂整流器的每相之間不存在耦合關系，可以把三相四橋臂整流器分解成三個獨立的單相全橋整流器，因此可以將被控對象模型作為單相全橋整流電路來分析。

2 三相四橋臂整流器系統小信號模型

建立三相四橋臂整流器的一相的小信號模型。

對式（11）（12）進行拉普拉斯變換，得：

3 雙閉環控制器的設計

實驗室樣機參數為：三相電網電壓115VAC/400Hz，輸出直流電壓300V，輸出功率5kW，開關頻率25kHz。根據上節所獲得的三橋四橋臂整流器小信號模型及相應的控制傳遞函數，選用PI調節器實現控制網側功率因數為1。

3.1 電流內環設計

由電感電流下降率和載波的上升率得

從而可得電流控制器傳遞函數最大增益為：

圖2 電流環開環波特圖

圖3 等效功率級模型

3.2 電壓外環設計

將圖3所示控制框圖中的電流控制環及負載集成為等效功率級。則等效功率級傳遞函數為：

圖4給出了等效功率級的幅頻特性和相頻特性曲線。

圖4 等效功率級波特圖

對電壓環采取PI調節器，令調節器傳遞函數為：

設置電壓環調節器的零點位于等效功率級負載極點處，最終通過實驗確定電壓環調節器參數為補償后系統的開環幅頻特性和相頻特性曲線如圖5，可看出相位裕度為42.4°，表明系統是穩定的。

4 實驗驗證

三相四橋臂整流器突加突卸負載時，各主要電量波形如圖6。其中圖6(a)與圖6(b)分別為整流器由2kW突加負載至5kW及由5kW突卸負載至2kW。從中可以看出在設計的控制參數下，三相四橋臂整流器具有良好的動態和穩態性能。

圖5 電壓環開環波特圖

圖6 突加突卸負載時，主要電量實驗波形

5 結語

對三相四橋臂整流器建立了小信號模型以及控制傳遞函數，分別對電流內環和電壓外環進行了PI參數設計，實驗表明了基于小信號模型設計的控制器具有良好的動態和穩態性能，并驗證了基于開關周期平均法小信號建模和控制環路參數設計的正確性。

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TM614；TM76

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0111-04

（國家電網公司科技項目資助（合同號：SGTJDK00KJJS1600036）光伏微電網關鍵技術研究和核心設備研制）。