不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器控制策略研究

史兆成 張鶴強(qiáng) 王超

摘 ?要：Vienna整流器結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，被廣泛應(yīng)用于航空電源、電動汽車充電系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用中。不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器通過準(zhǔn)比例諧振（quasi-proportional resonance， QPR）控制器可以在靜止坐標(biāo)系下跟蹤參考電流實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制。基于QPR控制器的電流控制回路結(jié)構(gòu)相對簡單，但是其參數(shù)設(shè)計較為復(fù)雜。為解決這一問題，提出一種簡易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計方法，并驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后，在Vienna整流器實驗平臺上驗證所提策略的有效性。

關(guān)鍵詞：Vienna整流器；不平衡電網(wǎng)；QPR控制器；準(zhǔn)比例諧振；參數(shù)設(shè)計

中圖分類號：TM461 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0071-05

Abstract： Vienna rectifier is widely used in aviation power supply， electric vehiclecharging system and other industrial applications because of its simple structure and high power density. In unbalanced power system， Vienna rectifier can achieve zero steady-state error control by tracking reference current in static coordinate system through quasi-proportional resonance （QPR） controller. The structure of current control loop based on QPR controller is relatively simple， but its parameter design is more complex. To solve this problem， a simple parameter design method of QPR controller is proposed， and the stability of the system is verified. Finally， the effectiveness of the proposed strategy is verified on the Vienna rectifier experimental platform.

Keywords： Vienna rectifier; unbalanced power grid; QPR controller; quasi-proportional resonance; parameter design

三相三電平Vienna整流器因其功率密度高，單位功率因數(shù)效率高、可靠性高等特點[1-4]被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電力電子領(lǐng)域[5-8]。

在實際應(yīng)用中普遍存在電網(wǎng)不平衡。不平衡電網(wǎng)下的傳統(tǒng)控制方法采用正、負(fù)序雙同步坐標(biāo)系的獨立控制方案，該方案在各自的同步坐標(biāo)系中將不平衡電網(wǎng)分解成正序分量和負(fù)序分量，并分別計算正序參考電流和負(fù)序參考電流[9]。在同步坐標(biāo)系下通過比例積分（proportional integral， PI）控制器分別控制正序分量和負(fù)序分量以跟蹤參考電流。該方法的主要不足在于控制回路復(fù)雜，動態(tài)相應(yīng)過程慢。準(zhǔn)比例諧振（quasi-proportional resonance， QPR）控制器可以在靜止坐標(biāo)系下跟蹤參考電流實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，相較于PI控制，降低了控制復(fù)雜度。文獻(xiàn)[10]通過引入QPR控制器，在靜止坐標(biāo)系下實現(xiàn)了對Vienna整流器的閉環(huán)控制。然而，在實際應(yīng)用中，QPR控制器的參數(shù)設(shè)計較為復(fù)雜。

基于上述分析，本文提出了一種簡易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計方法。

1 ?不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器電流控制策略

圖1為三相三電平Vienna整流器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5展示了不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器基于QPR控制器的整體控制框圖，將采樣得到的直流輸出電壓Udc與直流電壓給定Udc_ref進(jìn)比行較后輸入PI控制器，進(jìn)而得到Vienna整流器直流電流指令I(lǐng)dc_ref，并計算此時的平均有功功率指令P0=Udc×Idc_ref。在兩相靜止坐標(biāo)系下，三相不平衡電網(wǎng)電壓經(jīng)過二階廣義積分器的正交信號發(fā)生器（Second-Order Generalized Integral-Quadrature-Signals Generator， SOGI-QSG）完成正負(fù)序分量的分解，帶入公式（4）計算得出參考電流指令。將采樣得到的三相交流側(cè)輸入電流與參考電流指令比較后得到誤差信號后送入QPR電流控制器完成對輸入電流的控制，使其跟蹤參考電流指令，最后經(jīng)過電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)得到調(diào)制波信號送入正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation， SPWM）模塊生成脈寬信號以實現(xiàn)對Vienna整流器的控制。

3 ?實驗驗證

為了驗證所提簡易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計方法的有效性，制作了Vienna整流器樣機(jī)，如圖6所示。表1給出了Vienna整流器系統(tǒng)的實驗參數(shù)。

圖7、圖8分別展示了不同電網(wǎng)條件下，Vienna整流器的實驗結(jié)果。其中，不平衡電網(wǎng)條件Csae 1為三相電壓有效值為80、80、64 V；三相電壓初始相位角為0、-120、120°。不平衡電網(wǎng)條件Csae 2為三相電壓有效值為80、80、80 V；三相電壓初始相位角為0、-120、140°。

為驗證本文提出參數(shù)設(shè)計方法的動態(tài)特性，增加負(fù)載電阻阻值突變的動態(tài)試驗，將負(fù)載由75 Ω切換至45 Ω，圖9展示了采用本文所提方法的直流側(cè)電壓和三相輸入電流實驗波形。

從這些實驗結(jié)果來看，Vienna整流器系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，證明了本文所提方法設(shè)計參數(shù)的有效性。

4 ?結(jié)論

不平衡電網(wǎng)下Vienna整流器基于QPR控制器的電流控制回路結(jié)構(gòu)簡單，然而，QPR控制器的參數(shù)設(shè)計較復(fù)雜。基于以上問題，本文提出了一種簡易的QPR控制器參數(shù)設(shè)計方法，并通過實驗驗證了該參數(shù)設(shè)計方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高梁，張慶巖，胡業(yè)波.不對稱電網(wǎng)下VIENNA整流器改進(jìn)的功率控制策略[J/OL].電源學(xué)報：1-11[2024-06-14].

[2] 王濤，陳昌松，段善旭，等.用于改善電流過零點畸變的Vienna整流器空間矢量調(diào)制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2019，34（18）：3854-3864.

[3] 王金平，劉圣宇，張慶巖，等.一種改進(jìn)的可消除Vienna整流器電流過零畸變的控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2022，37（15）：3834-3844.

[4] 姜衛(wèi)東，胡業(yè)波，張慶巖，等.基于調(diào)制波分解的Vienna整流器的調(diào)制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2023，38（16）：4339-4352.

[5] 李山，賀梧童，郭強(qiáng)，等.電網(wǎng)電壓不平衡條件下VIENNA整流器滑模控制策略[J].電源學(xué)報，2022，20（3）：52-61.

[6] 周靜超，王君瑞，代麗，等.不平衡電網(wǎng)電壓下VIENNA整流器的多目標(biāo)控制[J].電子器件，2022，45（2）：381-387.

[7] 向文凱，郭強(qiáng)，肖蕙蕙，等.電網(wǎng)不平衡下的Vienna整流器網(wǎng)壓重構(gòu)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2022，46（5）：1838-1848.

[8] 馮興田，崔曉，馬文忠，等.基于電網(wǎng)不平衡的三相Vienna整流器雙閉環(huán)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2021，45（5）：1976-1984.

[9] 張杰楠，謝運祥，施澤宇.VIENNA整流器PI控制器參數(shù)設(shè)計方法[J].電氣傳動，2018，48（3）：55-61.

[10] 賀虎成，王超，辛鐘毓.基于PR控制的VIENNA整流器高次諧波抑制[J].微電機(jī)，2020，53（6）：53-57，98.