三相相控整流桥负载的数字化实现方法

宋鹏先，张郁颀，唐庆华

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300380；2.国家电网公司客户服务中心，天津 300000）

三相相控整流桥负载的数字化实现方法

宋鹏先1，张郁颀2，唐庆华1

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300380；2.国家电网公司客户服务中心，天津 300000）

针对典型非线性负载三相相控整流桥的模拟，提出一种数字化实现方法。首先详细分析了三相相控整流桥的工作特性，提出在晶闸管不同触发角情况下的负载指令电流生成算法。该方法的提出，增加了现有电力电子负载所能模拟的负载类型。求解得到的三相相控整流桥的输入电流，作为负载模拟变换器电流环的参考电流。考虑到单频率的控制器无法实现非线性电流的无静差跟踪，还提出一种采用比例+重复控制器的电流环控制策略。仿真和实验验证了提出的负载指令生成算法的准确性以及电流环控制策略的有效性。

三相相控整流桥负载；重复控制器；电力电子负载

电力电子负载（power electronic load，PEL）是一种用于测试电源质量的装置。其不但能够灵活模拟多种类型负载，包括线性负载、非线性负载以及电机负载，而且能够将测试电能高效馈回电网。本文研究的对象为三相电力电子负载，由负载模拟变流器（load simulation converter，LSC）和并网变流器（grid connection converter，GCC）构成。其中，LSC采用直接电流控制，让三相输入电流准确跟踪指令电流，以实现负载模拟的功能；GCC采用电压外环电流内环的双环控制策略，以实现高效馈能的功能［1-5］。

LSC负载模拟功能的实现包含2个关键技术问题：一个是负载指令电流的生成算法；另一个是电流的跟踪控制策略。根据负载电流特性，可以分为线性负载和非线性负载。其中，线性负载的模拟包含恒阻模式、恒流模式和恒功率模式，文献［6］对该类型负载的指令电流生成算法进行了细致的推导，得到对应的电路方程，并且提出采用比例积分控制器（proportional integral，PI）或者比例谐振控制器（proportional resonant，PR）就可以实现线性电流的无差跟踪。三相不控整流桥作为一种常用的非线性负载，已有学者对其模拟方法进行研究。文献［7］提出单相不控整流桥的模拟指令电流生成算法，但是对三相不控整流桥的模拟没有进一步分析；文献［8］虽然给出了三相不控整流桥的模拟指令电流生成算法，但是由于电路方程判定条件不够严格，该方法计算得到的指令电流不够准确，直接影响模拟精度；基于此，文献［9］针对三相不控整流桥负载提出了一种改进的指令电流算法，提高了计算的准确度。在电流跟踪控制策略研究方面，文献［7-8］提出采用单频率的PI或PR控制器对线性电流进行跟踪控制，而对于非线性电流的跟踪方面，文献［10］提出基于重复控制器的电流跟踪控制策略。

基于以上研究，为了增加电力电子负载模拟的负载类型，本文将对三相相控整流桥负载的模拟指令电流生成算法进行研究，并提出采用基于比例+重复控制器的电流跟踪控制策略。最后，通过仿真和实验对上述分析的正确性和有效性进行验证。

1 三相相控整流桥指令电流生成算法

三相相控整流桥电路结构如图1所示，忽略交流侧等效电感和等效电阻。其中晶闸管VΤ1，VΤ3，VΤ5称为共阴极组，晶闸管VΤ4，VΤ6，VΤ2称为共阳极组，习惯上晶闸管按从1至6的顺序导通，直流侧为RLC负载，uL为电感压降，uc为电容电压。

图1 三相相控整流桥原理图Fig.1 Schematic diagram of three-phasephase-controlled rectifier bridge

晶闸管VΤ1～VΤ6对应的触发脉冲为g1～g6，脉冲触发顺序为g1→g2→g3→g4→g5→g6→g1，由三相相控整流桥工作原理可知，有6个导通区间①至⑥。假设A相电压ua=ucos(ωt+φ)，触发脉冲g1的作用时刻是(ωt+φ+π/6)，由于相邻序号晶闸管的导通时间互差60°，所以g6的作用时刻就是(ωt+φ+11π/6)，显然区间①至⑤均在1个基波周期内，而区间⑥包含下一个基波周期；若g1的作用时刻是(ωt+φ+π/3)，则g6的作用时刻是(ωt+φ+2π)，因此触发角0°≤α≤30°对于区间⑥电路方程的列写，需要包含2个基波周期。同理可以分析得到当触发角30°≤α≤90°时，区间⑤电路方程以及触发角90°≤α≤120°时，区间④电路方程同样需要包含2个基波周期。

采用文献［9］中对电路方程对应判定条件的分析方法，可以得到6个导通区间对应的电路方程及其判定条件，如表1所示。

表1 电路6个导通区间的判定条件Tab.1 The judging conditions of six conduction intervals

根据表1以及前文对不同触发角下的6个导通区间的分析，对输入电压进行采样，微分求解电路方程，就可以得到三相相控整流桥的输入电流。通过PSIM9.0软件平台将搭建的数学模型与软件模型对比，验证本模拟算法的准确性。电路结构如图1所示。三相相控整流电路主要参数为：输入线电压u=100V，RLC负载5Ω+3 mH+500 μF，采样频率10 kHz。

图2为仿真结果，本文只给出A相电流波形，其中ia为PSIM模型仿真结果，i'a为数学模型求解结果。

图2 晶闸管不同触发角时的仿真结果Fig.2 Simulation results of different trigger angle of thyristor

当触发角α=0°时，0.3 s时电感值由3 mH变为1 mH，A相电流的数学模型求解结果和PSIM模型仿真结果如图3所示。

图3 动态仿真A相电流波形Fig.3 Dynamic simulation waveforms of A-phase current

由图2和图3的仿真波形可知，对于三相相控整流桥负载稳态特性的模拟，本文提出的负载模拟算法的计算结果与PSIM模型仿真结果基本一致；当所模拟的负载参数发生突变时，数学模型求解结果需要大概半个基波周期就可以与PSIM模型的仿真结果一致。由此证明了本文提出的三相相控整流桥负载模拟算法能够适应电路参数的变化，计算结果准确度较高。

2 基于比例+重复控制器的电流跟踪控制策略

当电力电子负载模拟线性负载时，采用PR控制器能够较好实现电流跟踪，满足电流动态跟踪特性和稳态精度两方面要求。但PR控制器只能完成对频谱单一信号的跟踪，其有限的带宽很难完成对包含基波和奇次谐波电流的无静差跟踪，因此考虑引入重复控制器拓展电流内环带宽，以实现非线性指令电流的无静差跟踪。

重复控制至少存在1个基波周期的延时，控制器需要对误差进行逐周期修正，动态响应速度慢，而且在指令突变的第1个周期内系统相当于开环控制。考虑到PI控制器的动态响应速度较快，且其响应速度主要受比例控制器影响，一般采用比例控制器和重复控制器复合的控制结构。

针对LSC的电流环控制，本文采用基于αβ坐标下的控制策略。图4为负载模拟变流器电流跟踪控制框图，其电流环采用串联型的比例重复复合控制器。

图4 负载模拟变流器的电流跟踪控制框图Fig.4 The current tracking control block diagram of LSC

图4中iaref，ibref，icref为模拟指令电流生成算法得到三相指令电流；iαref，iβref为αβ轴上的指令电流；Uaref，Ubref，Ucref为负载模拟变流器经过电流环控制得到的三相参考电压；iLα，iLβ，esα，esβ分别为负载模拟变流器αβ轴上的输入电流和输入电压。

基于PSIM搭建三相电力电子负载仿真模型，如图5所示。其中LSC的输入电感为Li，三相输入电流为iLa，iLb，iLc；GCC的输出电感为Ls，三相输出电流为isa，isb，isc。

图5 三相电力电子负载仿真模型Fig.5 The simulation model of three-phase PEL

仿真模型中的主要参数为：电网线电压us= 380 V，被试电源电压es=380 V，负载模拟变流器滤波电感L1=2 mH，网侧变流器滤波电感L2=3 mH，直流母线电容C=3 000 μF，开关频率10 kHz。

图6a为采用PR控制器的A相电流、指令电流波形；图6b为指令电流iaref与实际电流iLa之差，最大值大于20 A。图7a为采用复合控制器的A相电流、指令电流波形；图7b为指令电流iaref与实际电流iLa之差，最大值小于20 A。仿真结果说明，采用比例重复复合控制器的电流环跟踪效果要比采用比例谐振控制器的效果好，模拟精度更高，验证了本文提出的控制策略的有效性。

图6 基于PR控制器的负载模拟变流器仿真波形Fig.6 The simulation results based on PR

图7 基于复合控制器的负载模拟变流器仿真波形Fig.7 The simulation results based on the compound control

3 实验验证

在380 V/33 kV·A样机平台上，对三相相控整流桥负载数字化实现方法进行实验验证，实验参数与仿真相同。图8为采用PR控制器和复合控制器的负载模拟变流器A相电流实验波形。

图8 两种控制策略的A相电流实验波形Fig.8 A phase current waveforms using two control strategies

由实验波形可见，采用重复控制器能够更好地跟踪非线性电流，与仿真结果一致。

图9为负载指令突变时的实验波形。三相不控整流桥直流侧的电感L由3 mH变为5 mH。

图9 负载指令突变时的实验波形Fig.9 Experimental waveforms of load instruction mutation

由图9可见，负载指令突变时，实际电流能够迅速跟踪指令电流，整个动态过程不到1个基波周期。以上实验结果说明本文提出的P+重复控制器的串联型复合控制策略具有响应速度快、稳态性能好的特点。

4 结论

本文详细分析了三相相控整流桥负载的工作特性，提出在晶闸管不同触发角情况下的负载指令电流生成算法。该算法的提出增加了现有电力电子负载所能模拟的负载类型。仿真结果表明了该模拟算法不但能够适应电路参数的变化，而且计算准确度较高。

考虑到单频率的PR控制器无法实现非线性电流的无静差跟踪，本文提出了一种采用比例+重复控制器的电流环控制策略。仿真与实验结果表明了比例+重复控制器的复合控制器能够较好地跟踪非线性指令电流，与单频率的PR控制器相比，对非线性负载的模拟精度更高。

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［10］王成智，邹旭东，许赟，等.采用改进重复控制的大功率电力电子负载［J］.中国电机工程学报，2009，29（12）：1-9.

Digital Realization Method of Three-phase Phase-controlled Rectifier Bridge Load

SONG Pengxian1，ZHANG Yuqi2，TANG Qinghua1
（1.State Grid Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300380，China；2.State Grid Customer Service Center，Tianjin 300380，China）

Aiming at the simulation of a typical nonlinear load three phase controlled rectifier bridge，a new method was proposed.The operating characteristic of the three-phase phase-controlled rectifier bridge was analyzed in detail，and the generation algorithm of the load instruction current was presented.The proposed method increased the load types that could be simulated by the existing power electronic load.The input current of the three-phase phase-controlled rectifier was obtained as the reference current of the load current loop of the load simulation converter.Considering that the single frequency controller can not realize the non static error tracking of the nonlinear current，a current loop control strategy using proportional plus repetitive controller was proposed.Simulation and experiments verify the accuracy of the load instruction generation algorithm and the effectiveness of current loop control strategy.

three-phase phase-controlled rectifier bridge load；repetitive controller；power electronic load

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170214

2016-12-23

修改稿日期：2016-05-20

宋鹏先（1986-），男，博士，工程师，Email：songpengxian0821@163.com