三相四橋臂整流器系統(tǒng)建模及控制環(huán)路優(yōu)化設計

于波，楊延春，郭曉丹，司剛，宋飛

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網(wǎng)天津節(jié)能服務有限公司，天津 300010；3.國網(wǎng)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(tǒng)建模及控制環(huán)路優(yōu)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(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網(wǎng)天津節(jié)能服務有限公司，天津 300010；3.國網(wǎng)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(tǒng)的功率因數(shù)，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(tǒng)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(shù)

相比較傳統(tǒng)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(yōu)點同時，具有更好的容錯功能。即當供電系統(tǒng)三相電壓出現(xiàn)不平衡，甚至在供電系統(tǒng)出現(xiàn)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(shù)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(shù)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(tǒng)動態(tài)小信號模型，推導出了電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制傳遞函數(shù)，根據(jù)控制傳函設計了電流環(huán)和電壓環(huán)調(diào)節(jié)器。

1 整流器系統(tǒng)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(tài)方程為：

合并式（2）（3），整理后得

式（4）中開關函數(shù)為不連續(xù)的函數(shù)，因此該方程為不連續(xù)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(tǒng)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(huán)控制器的設計

實驗室樣機參數(shù)為：三相電網(wǎng)電壓115VAC/400Hz，輸出直流電壓300V，輸出功率5kW，開關頻率25kHz。根據(jù)上節(jié)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(shù)，選用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)控制網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。

3.1 電流內(nèi)環(huán)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(shù)最大增益為：

圖2 電流環(huán)開環(huán)波特圖

圖3 等效功率級模型

3.2 電壓外環(huán)設計

將圖3所示控制框圖中的電流控制環(huán)及負載集成為等效功率級。則等效功率級傳遞函數(shù)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(huán)采取PI調(diào)節(jié)器，令調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

設置電壓環(huán)調(diào)節(jié)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(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)為補償后系統(tǒng)的開環(huán)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(tǒng)是穩(wěn)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(shù)下，三相四橋臂整流器具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 電壓環(huán)開環(huán)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(shù)，分別對電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)進行了PI參數(shù)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(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，并驗證了基于開關周期平均法小信號建模和控制環(huán)路參數(shù)設計的正確性。

[1]方宇，裘迅，邢巖，等. 基于預測電流控制的三相高功率因數(shù)PWM整流器研究[J].中國電機工程學報，2006，26（20）：69-73.

[2]方宇，裘迅，邢巖，等. 三相高功率因數(shù)電壓型PWM整流器建模和仿真[J].電工技術學報，2006，21（10）：44-49.

[3]Luigi Malesani, Paolo Tomasin, Vanni Toigo. Space vector control and current harmonics in quasi-resonant soft-switching PWM conversion[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996,32(2): 269-277.

[4]Mobin S, Hiraki E, Takano H, et al. Simulation method for DSP-controlled active PFC high-frequency power converters[J]. IEEE Electric Power Applications, 2000, 147(3): 159-166.

TM614；TM76

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0111-04

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