陳平飛 劉勝永 王曹陽 王琦 鄭致飛

摘要：PWM整流器以其單位功率因數運行、網側電流諧波少等優(yōu)點被廣泛運用于交直流混合電網中。針對PWM整流器強耦合，非線性的特點，提出了一種基于交流電網電流前饋解耦的雙閉環(huán)控制策略，并對電壓外環(huán)控制器與電流內環(huán)控制器進行詳細的分析和設計。理論分析表明：該方法能夠很好地進行dq坐標軸電流分量解耦;仿真驗證了該方法在交直流混合電網并網時，根據直流電網狀態(tài)實現(xiàn)并網整流/逆變運行：并網逆變時，PWM整流器單位功率因數運行;并網整流時，直流側電壓穩(wěn)定輸出，基奉無超調，負載波動時，動態(tài)響應迅速。

關鍵詞：PWM整流器;電流前饋;交直流混合電網;解耦控制;并網運行

中圖分類號：TM762;TM461DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.004

0引言

隨著能源問題的日益加劇，可再生能源的開發(fā)和利用成為各個國家研究的重點。交直流混合電網作為新能源發(fā)電的載體備受人們關注。而交直流混合電網中的雙向電力電子變換器是整個能量的傳遞和控制核心，成為當下研究的熱點。PWM整流器以其單位功率因數運行、網側電流正弦化、能量雙向流動、直流側電壓穩(wěn)定等優(yōu)點成為了交直流混合電網雙向變換器的首選，在實際工程中獲得廣泛的研究和應用。

文獻[3-4]指出：交直流混合電網中，PWM整流器的強耦合和非線性的特性導致控制器設計較為困難，入網電流諧波畸變較大。針對這些問題，文獻[5]提出在交直流混合微電網并網運行時，以蓄電池的平抑作用使直流側光伏發(fā)電以恒定的功率通過交流側并入大電網，該方法雖然保證了恒定功率并入電網，減少入網電流諧波畸變，但是對系統(tǒng)模型要求較高，需要精確的蓄電池模型參數，理論計算較為復雜，實際工程應用中波動較大。文獻[6]建立了一種復合不確定性的交直流混合微電網運行優(yōu)化模型，運用蒙特卡洛方法對系統(tǒng)的評價指標模型進行分析，然后再進行復合不確定性評價來優(yōu)化電網運行。該方法為交直流混合微電網的運行優(yōu)化提供參考，提高混合微電網運行優(yōu)化對新能源、負荷和市場信息波動的魯棒性，但是在指標評價中存在不確定性，權重分配沒有統(tǒng)一標準。文獻[7]針對傳統(tǒng)電壓外環(huán)的非線性特性以及電流內環(huán)無法實現(xiàn)完全解耦，導致直流電壓不穩(wěn)定，交流電流品質因數不高的問題，提出了從控制電流出發(fā)建立基于dq坐標系的雙環(huán)結構，實現(xiàn)穩(wěn)定直流電壓，減少電流諧波，但是非線性參數處理計算量大，對于參數復雜的系統(tǒng)，難以實現(xiàn)理想控制效果。文獻[8]針對傳統(tǒng)PWM整流器非線性的特性難以實現(xiàn)PI參數的精確整定的問題，提出了基于模糊PI的智能控制器，穩(wěn)定直流側的輸出電壓，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應性能，但是該設計方案過于依賴經驗，工程上應用效果較差。文獻[9]通過分析儲能變流器在電網中的作用，提出了并網切換孤島過程補償算法與孤島切換并網過程預同步的儲能變流器無縫切換控制策略。該方法實現(xiàn)了兩種工作模式間的無縫切換，變流器輸出電壓電流平滑過渡，但是整個過程中算法較為復雜，對核心控制器要求較高，工程應用成本過高。

綜上所述，從理論角度出發(fā)，交直流混合電網的控制較為成熟，但是在實際工程應用中還存在很大限制。本文提出了一種工程上易于實現(xiàn)的交直流混合電網并網運行時雙向PWM整流器控制策略：針對PWM整流器的強耦合問題，提出了電網電流前饋解耦和控制思想;以快速的動態(tài)響應能力來設計電流內環(huán);以良好的抗干擾能力來設計電壓外環(huán)。最后，通過仿真驗證了該方法的有效性和實用性。

1PWM整流器模型建立

1.1PWM整流器拓撲結構

三相電壓型PWM整流器電路拓撲結構主要包含交流側電路、橋臂電路和直流側電路3部分。其交流側電路主要包含：三相對稱電源e_k（k=a，b，c），三相對稱電流i_k（k=a，b，c），交流側電感L，線路等效電阻R。橋臂電路由6個功率開關管反并聯(lián)續(xù)流二極管組成三相。直流側電路主要包含濾波電容C，直流負載R_L，直流側電壓U_dc負載電流i_L其拓撲結構如圖1所示。

1.2PWM整流器數學模型

在建立三相靜止坐標下PWM整流器數學模型之前，首先定義開關函數S_k：

本文只討論對稱的三相電源，并且線路等效電阻與等效電感也為對稱的。由KVL在靜止坐標系下建立三相電壓型PWM整流器的數學模型，得到如式（2）所示的電壓方程，其中u_NO表示N、O兩點之間的電壓。

由三相電源的對稱性可以得到三相電壓與三相電流的關系如式（3）所示。聯(lián)立式（2）、式（3）可以得到：

以上數學模型是建立在三相靜止坐標系下的，該數學模型的控制器設計較為復雜。為了簡化控制器設計，需要建立三相電壓型PWM整流器在dq坐標系下的數學模型，其dq坐標系下的數學模型為：

2控制策略

2.1交流側電流前饋解耦控制

三相PWM整流器是一個非線性系統(tǒng)，參數之間相互耦合，這就導致了經過dq變換后得到的控制變量i_d和i_q存在耦合，無法實現(xiàn)單獨精確的控制，控制器設計困難。其耦合關系式如式（6）所示。

式中，e_d——d軸電動勢分量;e_q——q軸電動勢分量。

由式（6）很明顯地看出，dq坐標軸的電流分量出現(xiàn)耦合，無法實現(xiàn)獨立控制。要實現(xiàn)精確控制，必須進行解耦處理。本文采取電網電流前饋的方式進行dq軸分量解耦，將PI控制器設計思想應用于電流控制器中，通過控制dq坐標軸分量的大小來間接地控制輸入端的P、Q分量，其解耦公式為：

聯(lián)立式（6）和式（7）對耦合量進行解耦和處理，得到處理后的拉普拉斯變換狀態(tài)方程：

由式（8）可清晰地看出，i_d和i_q不再耦合，d軸和q軸分量之間不再相互影響，簡化了控制器的設計。

2.2電流內環(huán)控制器設計

內環(huán)主要作用是對電壓外環(huán)的輸出進行快速穩(wěn)定地跟蹤，并對電壓外環(huán)輸出的指令電流進行有效控制。典型I型系統(tǒng)的優(yōu)勢在于快速響應的能力，考慮到跟蹤控制的快速性，本文采用典型I型系統(tǒng)進行電流內環(huán)控制系統(tǒng)的整定。在忽略電源擾動的情況下，可以得到電流內環(huán)等效結構框圖如圖3所示。由圖3的框圖，可以進一步得到簡化后的傳遞函數，k-表示增益系數，T為仿真周期。

2.3電壓外環(huán)控制器設計

電壓外環(huán)的主要作用是保證直流側輸出電壓穩(wěn)定，減少電壓的波動。所以，電壓外環(huán)設計中要著重考慮穩(wěn)定性和抗干擾能力。典型Ⅱ型系統(tǒng)設計保證了控制器良好的抗干擾性能。故采用典型Ⅱ型系統(tǒng)對電壓外環(huán)進行PI參數的整定。電壓外環(huán)等效結構框圖如圖4所示。

進一步簡化后得到的傳遞函數：

T_ev為電壓采樣小慣性時間常數τ_v與電流內環(huán)等效小時間常數3t.的合并，即T_ev=T_v+3T_s。令d_v=T_v/T_ev，d_v為中頻寬，選取中頻寬d_v=5，進一步化簡得到電壓外環(huán)的PI參數：

2.4控制系統(tǒng)框圖

對交直流混合電網并網運行時雙向PWM整流器的控制采用雙閉環(huán)PI控制器，采用的解耦方式為電網電流前饋解耦。網側電流經過坐標變換后作為實際值與期望電流進行比較，經過PI調節(jié)得到實際電壓值與期望電壓值進行比較。經過SVPWM調制模塊后得到開關管地控制信號，用以控制IGBT的通斷，進而實現(xiàn)交直流混合電網并網時整流和逆變，其具體控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

3仿真分析

綜上分析，論文采用搭建功率為10kw的變流器在交直流混合電網系統(tǒng)等效模型來驗證其功能。其中交流子網：電壓有效值為220v，電網頻率為50Hz，直流側負載電阻。直流子網：直流電源設置成可調電源用來模擬直流側電壓波動，直流側額定電壓為680v交直流混合電網并網運行時的具體參數配置如表1所示。

3.1并網整流

當直流側實際電壓小于期望電壓，即：U_dcref時，直流側出現(xiàn)功率缺額，需要并網整流，實現(xiàn)交流側電網對直流電網的率補償。仿真設置時，直流電源電壓為650v，期望電壓為680v，仿真結果如圖6、圖7所示。

3.1.1并網整流

直流側輸出的實際電壓小于參考電壓時，需要交流電網對直流電網進行功率補償。能量由交流電網傳輸到直流電網，直流側電壓由實際值上升到期望值，在電壓上升過程中無較大波動和超調量。

3.1.2負載突變情況下并網整流

仿真過程中，在0.05s時突然加入負載，在0.1s時突然減去負載。負載波動時，保證系統(tǒng)能快速響應，電壓穩(wěn)定輸出，盡可能減少超調量。其動態(tài)響應波形圖如圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，并網整流時，電壓電流相位相同，無功功率為0，有功功率為正，交流側向直流側做功率補償。負載出現(xiàn)波動時，0.01s后系統(tǒng)達到新的平衡，系統(tǒng)動態(tài)響應迅速，基本無超調。直流側輸出電壓從650v開始上升，最后穩(wěn)定在680v，直流側電壓穩(wěn)定輸出。

3.2并網逆變

當直流側實際電壓大于額定電壓，即：U_dc>U_ref此時，說明直流側功率盈余，需要并網逆變，實現(xiàn)直流側電網向交流側電網進行功率回饋。設置直流電源電壓為710v，期望電壓為680v，仿真結果如圖8、圖9所示。

3.2.1并網逆變

直流側實際電壓大于期望電壓時，直流側出現(xiàn)功率盈余，此時需要向交流電網能量回饋。在并網逆變過程中電流與電壓反向，電壓由實際值下降到期望值，電壓下降過程中無較大波動。

由圖8、圖9可以看出，并網逆變時，電壓電流相位相反，無功功率為0，有功功率為負，直流側在向交流側做功率回饋，實現(xiàn)能量由直流電網回饋到交流電網中。直流電壓由710V開始迅速下降，最后穩(wěn)定在期望電壓680v左右。直流側輸出電壓穩(wěn)定，基本上無超調。動態(tài)響應迅速，負載變動時，功率和電壓都出現(xiàn)了波動，0.01s后，系統(tǒng)重新達到平衡，動態(tài)響應迅速，負載切除后能夠迅速恢復到原來的運行狀態(tài)穩(wěn)定運行。

4結論

本文通過交流側電網電流前饋的方法進行三相PWM整流器的解耦和處理，在雙閉環(huán)設計時以解決更快的動態(tài)響應能力來設計電流內環(huán)，以較好的抗干擾能力要求來設計電壓外環(huán)。最后在Matlab/Simulink仿真系統(tǒng)中搭建功率等級為10kw的交直流混合電網并網運行的仿真模型。仿真結果表明交直流混合電網根據直流電網側的電壓情況進行整流/逆變，實現(xiàn)能量的雙向流動，直流側輸出電壓基本上無超調，穩(wěn)態(tài)性能好。負載波動時能快速響應，動態(tài)性能好，且整個系統(tǒng)設計簡單，易于工程上實現(xiàn)。