三相AC／DC雙向變流器的控制研究

胡惠雄，陳 昊，吳 鵬

（上海海事大學 電氣自動化系，上海 201306）

0 引 言

當前，資源短缺和環(huán)境污染成為阻礙人類發(fā)展的兩個重大問題，為了解決能源問題必須研究與開發(fā)新能源。三相AC／DC雙向變流器是當下的熱點研究課題，與背靠背雙向變流器相比，三相AC／DC雙向變流器拓撲結構只是其一半，但是可以實現(xiàn)同樣的功能，即能量的雙向流動。三相AC／DC雙向變流器由于其能夠實現(xiàn)能量的雙向傳輸，在電機控制、汽車電子、新能源發(fā)電等領域有廣泛的應用。

1 三相AC／DC雙向變流器的建模與工作狀態(tài)分析

1.1 變流器的工作拓撲及數(shù)學建模

如圖1所示，三相AC／DC雙向變流器的原理是由一個三相PWM變換器實現(xiàn)能量的雙向流動，通過控制內(nèi)環(huán)電流使直軸電流參考反向實現(xiàn)能量的反向傳輸，而在直流側由于有二極管的存在，使得電流不會反向流向直流源，避免損壞直流源。

根據(jù)PWM逆變器的數(shù)學模型，將三相靜止坐標系下的系統(tǒng)模型作等電壓變換得到低頻數(shù)學模型為［1］：

圖1 雙向AC／DC變換器的拓撲結構圖

將上述方程離散化，并以平均開關模型來表示三相AC／DC雙向變流器，這樣處理能夠反映出系統(tǒng)在高頻下的工作狀態(tài)，此模型更加適合于后續(xù)的諧波分析，并使得仿真更貼近實際，所得到的仿真結果也更加能反映實際情況。以圖1的系統(tǒng)模型為基礎，建立系統(tǒng)在三相靜止坐標系的數(shù)學模型如下：

其中sij（j＝a，b，c）為開關函數(shù)，根據(jù)橋臂開關組合的不同，變流器輸出不同的電壓，而根據(jù)三組排列組合，此變流器的開關模式可以確定為八種，開關函數(shù)sk定義為：

通過park和clark變換將三相靜止坐標系轉換到兩相旋轉坐標系，可得在dq坐標系下的數(shù)學模型為［2］：

1.2 變流器工作狀態(tài)分析

三相AC／DC雙向變流器既可以運行在整流狀態(tài)，也可以運行在逆變狀態(tài)，根據(jù)圖1從整流工作模式入手分析三相變流器的有功無功交換［2］，其工作原理如圖2所示。

圖2 PWM變換器交流側穩(wěn)態(tài)矢量關系

2 三相AC／DC雙向變換器的控制策略與改進

圖3 傳統(tǒng)內(nèi)環(huán)解耦控制結構圖

圖4 改進內(nèi)環(huán)解耦控制結構圖

圖4為改進后的解耦控制原理圖，與上不同的是圖中虛線箭頭部分，在該控制中，內(nèi)環(huán)解耦的反饋量直接為交直軸電流的參考值 ，可以得到變流器橋臂輸出電壓參考為：

當id、iq存在脈動時，id、iq可分別等效為：

由式（7）可知在傳統(tǒng)控制方法中，由于Δud、Δuq中含有Δid、Δiq分量，使得入網(wǎng)電流波形質(zhì)量變差，而改進后變流器橋臂輸出電壓參考不含電流脈動量，故而可以得出傳統(tǒng)方法中電流脈動比改進控制方法的大，有功p、無功q脈動比改進后控制方法的大［7－8］。

3 實驗與結果

3.1 功率流動的仿真與分析

為了充分說明理論分析的正確性，在第2節(jié)的基礎上，搭建了相應的數(shù)學模型。這些數(shù)學模型是基于MATLAB中fun函數(shù)的，相比于模塊化的仿真更接近實物控制，因為是在建立好的數(shù)學模型上搭建起來的。

表1 無MATLAB仿真參數(shù)

在等功率變換下，系統(tǒng)功率可以表示如下：

由式（8）可知，系統(tǒng)功率傳輸是跟交直軸電流相關的，并且當系統(tǒng)動態(tài)性能良好的時候，電流的變化直接反映功率的變化。圖5是在0.1 s處給突變，可以看出，當d軸參考電流給定由10 A突變?yōu)椋?0 A時，三相AC／DC雙線變流器交流側的電流會在很短時間內(nèi)反向，即變流器由逆變變?yōu)檎鳡顟B(tài)。由于內(nèi)環(huán)控制的作用，可以看出實際的交流側輸出電流略低于10 A，這種誤差是正常的，整個控制的性能也是好的。圖5中（a）為A相電壓波形，（b）為A相電流波形。

圖5 有功電流由10 A突變?yōu)椋?0 A

圖6反映的是電流變化時，網(wǎng)側有功功率和無功功率的變化情況，從圖中可以看出，0.1 s前三相AC／DC雙向變流器是工作在逆變狀態(tài)的，0.1 s后即工作在整流狀態(tài)。并且變流器由輸出1 200 W到電網(wǎng)轉變?yōu)閺碾娋W(wǎng)吸收1 200 W的有功功率。網(wǎng)側無功功率由吸收130 Var到輸出130 Var，有很小的無功交換是由于仿真系統(tǒng)基于實際系統(tǒng)的數(shù)學模型建立，因而其功率因數(shù)近似為1，但是小于1，所以無功是存在的。可以從三相電流的變化看出控制器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，如圖7所示。

圖6 有功電流與有功功率的關系

圖7 參考電流與實際輸出電流的對比圖

由圖7中可以看出在階躍處，系統(tǒng)反應非常快，快速的穩(wěn)定下來，其過渡時間是很短的，由此可以說明這個模型的搭建是成功的，很好地反映了三相AC／DC雙向變流器的能量雙向流動性。

3.2 傳統(tǒng)解耦控制實驗結果與分析

圖8（a）表示的是d軸電流參考值由5 A階躍變化到10 A。圖8（b）對應的是網(wǎng)側三相電流波形圖，可以看出在0.1 s時，當參考電流由5 A變化到10 A時，網(wǎng)側三相電流很快就達到新的穩(wěn)態(tài)，可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能是非常好的。并且在0.1 s前參考電流為5 A時、0.1 s后參考電流為10 A時網(wǎng)側電流都是非常穩(wěn)定的。

圖8 傳統(tǒng)解耦控制動態(tài)仿真三相電流實驗波形

由圖9和圖10可以得出在突變前網(wǎng)側電流穩(wěn)定為5 A時，總的電流諧波畸變?yōu)?.44%，而突變后網(wǎng)側電流穩(wěn)定為10 A時，總的電流諧波畸變率為0.4%。可以得出當系統(tǒng)穩(wěn)定電流比較大的時候由于基波分量的增大，使得總的電流諧波畸變率下降。

圖9 0.1 s前網(wǎng)側穩(wěn)態(tài)電流的THD分析

圖10 0.1 s后網(wǎng)側穩(wěn)態(tài)電流THD分析

3.3 改進解耦控制實驗結果與分析

圖11 改進解耦控制動態(tài)仿真三相電流實驗波形

圖11（a）表示改進解耦控制后d軸電流參考值由5 A階躍變化到10 A。圖（b）對應的是網(wǎng)側三相電流波形圖，可以看出在0.1 s時，當參考電流由5 A變化到10 A時，網(wǎng)側三相電流很快就達到新的穩(wěn)態(tài)，可以看出系統(tǒng)的動態(tài)性能是非常好的。并且在0.1 s前參考電流為5 A時、0.1 s后參考電流為10 A時網(wǎng)側電流都是非常穩(wěn)定的。

由圖12和圖13可以得出在突變前網(wǎng)側電流穩(wěn)定為5 A時，總的電流諧波畸變?yōu)?.2%，而突變后網(wǎng)側電流穩(wěn)定為10 A時，總的電流諧波畸變率為0.2%。對比圖9和圖12，圖10和圖13分析可知改進解耦控制后網(wǎng)側電流總的諧波畸變率有很大的降低，這驗證了前文的理論分析是正確可行的，也說明這種改進方案是奏效的。

圖12 改進控制0.1 s前網(wǎng)側穩(wěn)態(tài)電流的THD分析

圖13 改進控制0.1 s后網(wǎng)側穩(wěn)態(tài)電流THD分析

4 結 論

通過上述理論分析和實驗結果可知，與傳統(tǒng)內(nèi)環(huán)解耦控制方法相比，改進型內(nèi)環(huán)解耦比傳統(tǒng)的內(nèi)環(huán)解耦動態(tài)響應速度快，入網(wǎng)電流波形脈動小。改進解耦控制方法由于分量引入為電流的參考量，故變流器輸出電壓可以很快地反映參考電流的變化，也即是其動態(tài)性能明顯高于傳統(tǒng)的內(nèi)環(huán)解耦控制。

［1］ 黃天富，石新春，李 鵬，孫玉巍.三相并網(wǎng)逆變器離散化模型及其控制策略研究［J］.電力電子技術，2012，46（11）：4－6.

［2］ Naji Rajai Nasri Ama，F(xiàn)ernando Ortiz Martinz，Lourenco Matakas，Jr，F(xiàn)uad Kassab Junior.Phase locked loop basied on selected hamonics elimination for utility applications［J］.IEEE Transactions on power electronics，2013：144－153.

［3］ D Sha D.Wu X Liao.Analysis of a hybrid controlled three－phase grid－connected inverter with harmonics compensation in synchronous reference frame［J］.IET Power Electron.，2011，4（7）：743 751.

［4］ Zheng Zeng，HuanYang，RongxiangZhao，ChongCheng.Topologies and control strategies of multi－functional gridconnected inverters for power quality enhancement：A comprehensive review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，（4）：223 270.

［5］ 羅 軍，姚蜀軍.三相逆變器的單環(huán)與雙環(huán)控制比較研究［J］.電力科學與工程，2014，30（10）：1－5.

［6］ 阮 毅，徐 靜，陳伯時.智能PI控制在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應用［J］.電工技術學報，2005，20（3）：80－84.

［7］ Leonardo Augusto Serpa， Srinivas Ponnaluri，，Peter Mantovanelli Barbosa，Johann Walter Kolar.A Modified Direct Power Control Strategy Allowing the Connection of Three－Phase Inverters to the Grid Through LCL Filters［J］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，2007：1388－1400.

［8］ Dannehl J，Wessels C，F(xiàn)uchs F W.Limitations of voltageoriented PI current control of grid－connected PWM rectifiers with LCL filters［J］.IEEE Transactions on Idustrial Electronics，2009，56（2）：380－388.