三相四桥臂整流器系统建模及控制环路优化设计

于波，杨延春，郭晓丹，司刚，宋飞

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300010；2.国网天津节能服务有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力公司，天津 300010；4.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏 南京 210000）

三相四桥臂整流器系统建模及控制环路优化设计

于波1,2，杨延春1,2，郭晓丹1,2，司刚3，宋飞4

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300010；2.国网天津节能服务有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力公司，天津 300010；4.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏 南京 210000）

由于三相电压型PWM整流器可以减小输入电流谐波含量，提高系统的功率因数，因而应用广泛。三相四桥臂整流电路的提出更加丰富了三相电压型PWM整流器的拓扑结构，相比较传统的三相三桥臂PWM整流器，三相四桥臂整流电路具有更好的容错功能，因而对于提高整流器的可靠性具有重要的意义。

三相四桥臂；整流器；功率因数

相比较传统的三相三桥臂PWM整流器，三相四桥臂整流器在具有与三桥臂PWM整流器共同的优点同时，具有更好的容错功能。即当供电系统三相电压出现不平衡，甚至在供电系统出现一相电压断路时的恶劣工况下，仍能保证输入正常相的高功率因数校正。因此，三相四桥臂整流器对于丰富三相电压型PWM整流器拓扑结构，提高三相高功率因数电压型PWM整流器的可靠性具有重要的意义。通过开关平均周期法，本文建立了三相四桥臂整流电路的开关平均模型，建立了系统动态小信号模型，推导出了电压外环和电流内环的控制传递函数，根据控制传函设计了电流环和电压环调节器。

1 整流器系统建模

图1 三相四桥臂整流器电路拓扑

三相四桥臂整流器的状态方程为：

合并式（2）（3），整理后得

式（4）中开关函数为不连续的函数，因此该方程为不连续方程，定义矢量：

由开关周期平均法可得到：

由以上推导可看出，三相四桥臂整流器的每相之间不存在耦合关系，可以把三相四桥臂整流器分解成三个独立的单相全桥整流器，因此可以将被控对象模型作为单相全桥整流电路来分析。

2 三相四桥臂整流器系统小信号模型

建立三相四桥臂整流器的一相的小信号模型。

对式（11）（12）进行拉普拉斯变换，得：

3 双闭环控制器的设计

实验室样机参数为：三相电网电压115VAC/400Hz，输出直流电压300V，输出功率5kW，开关频率25kHz。根据上节所获得的三桥四桥臂整流器小信号模型及相应的控制传递函数，选用PI调节器实现控制网侧功率因数为1。

3.1 电流内环设计

由电感电流下降率和载波的上升率得

从而可得电流控制器传递函数最大增益为：

图2 电流环开环波特图

图3 等效功率级模型

3.2 电压外环设计

将图3所示控制框图中的电流控制环及负载集成为等效功率级。则等效功率级传递函数为：

图4给出了等效功率级的幅频特性和相频特性曲线。

图4 等效功率级波特图

对电压环采取PI调节器，令调节器传递函数为：

设置电压环调节器的零点位于等效功率级负载极点处，最终通过实验确定电压环调节器参数为补偿后系统的开环幅频特性和相频特性曲线如图5，可看出相位裕度为42.4°，表明系统是稳定的。

4 实验验证

三相四桥臂整流器突加突卸负载时，各主要电量波形如图6。其中图6(a)与图6(b)分别为整流器由2kW突加负载至5kW及由5kW突卸负载至2kW。从中可以看出在设计的控制参数下，三相四桥臂整流器具有良好的动态和稳态性能。

图5 电压环开环波特图

图6 突加突卸负载时，主要电量实验波形

5 结语

对三相四桥臂整流器建立了小信号模型以及控制传递函数，分别对电流内环和电压外环进行了PI参数设计，实验表明了基于小信号模型设计的控制器具有良好的动态和稳态性能，并验证了基于开关周期平均法小信号建模和控制环路参数设计的正确性。

[1]方宇，裘迅，邢岩，等. 基于预测电流控制的三相高功率因数PWM整流器研究[J].中国电机工程学报，2006，26（20）：69-73.

[2]方宇，裘迅，邢岩，等. 三相高功率因数电压型PWM整流器建模和仿真[J].电工技术学报，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

（国家电网公司科技项目资助（合同号：SGTJDK00KJJS1600036）光伏微电网关键技术研究和核心设备研制）。