交直流混合电网并网PWM整流器控制策略

陈平飞 刘胜永 王曹阳 王琦 郑致飞

摘要：PWM整流器以其单位功率因数运行、网侧电流谐波少等优点被广泛运用于交直流混合电网中。针对PWM整流器强耦合，非线性的特点，提出了一种基于交流电网电流前馈解耦的双闭环控制策略，并对电压外环控制器与电流内环控制器进行详细的分析和设计。理论分析表明：该方法能够很好地进行dq坐标轴电流分量解耦;仿真验证了该方法在交直流混合电网并网时，根据直流电网状态实现并网整流/逆变运行：并网逆变时，PWM整流器单位功率因数运行;并网整流时，直流侧电压稳定输出，基奉无超调，负载波动时，动态响应迅速。

关键词：PWM整流器;电流前馈;交直流混合电网;解耦控制;并网运行

中图分类号：TM762;TM461DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.004

0引言

随着能源问题的日益加剧，可再生能源的开发和利用成为各个国家研究的重点。交直流混合电网作为新能源发电的载体备受人们关注。而交直流混合电网中的双向电力电子变换器是整个能量的传递和控制核心，成为当下研究的热点。PWM整流器以其单位功率因数运行、网侧电流正弦化、能量双向流动、直流侧电压稳定等优点成为了交直流混合电网双向变换器的首选，在实际工程中获得广泛的研究和应用。

文献[3-4]指出：交直流混合电网中，PWM整流器的强耦合和非线性的特性导致控制器设计较为困难，入网电流谐波畸变较大。针对这些问题，文献[5]提出在交直流混合微电网并网运行时，以蓄电池的平抑作用使直流侧光伏发电以恒定的功率通过交流侧并入大电网，该方法虽然保证了恒定功率并入电网，减少入网电流谐波畸变，但是对系统模型要求较高，需要精确的蓄电池模型参数，理论计算较为复杂，实际工程应用中波动较大。文献[6]建立了一种复合不确定性的交直流混合微电网运行优化模型，运用蒙特卡洛方法对系统的评价指标模型进行分析，然后再进行复合不确定性评价来优化电网运行。该方法为交直流混合微电网的运行优化提供参考，提高混合微电网运行优化对新能源、负荷和市场信息波动的鲁棒性，但是在指标评价中存在不确定性，权重分配没有统一标准。文献[7]针对传统电压外环的非线性特性以及电流内环无法实现完全解耦，导致直流电压不稳定，交流电流品质因数不高的问题，提出了从控制电流出发建立基于dq坐标系的双环结构，实现稳定直流电压，减少電流谐波，但是非线性参数处理计算量大，对于参数复杂的系统，难以实现理想控制效果。文献[8]针对传统PWM整流器非线性的特性难以实现PI参数的精确整定的问题，提出了基于模糊PI的智能控制器，稳定直流侧的输出电压，提高了系统动态响应性能，但是该设计方案过于依赖经验，工程上应用效果较差。文献[9]通过分析储能变流器在电网中的作用，提出了并网切换孤岛过程补偿算法与孤岛切换并网过程预同步的储能变流器无缝切换控制策略。该方法实现了两种工作模式间的无缝切换，变流器输出电压电流平滑过渡，但是整个过程中算法较为复杂，对核心控制器要求较高，工程应用成本过高。

综上所述，从理论角度出发，交直流混合电网的控制较为成熟，但是在实际工程应用中还存在很大限制。本文提出了一种工程上易于实现的交直流混合电网并网运行时双向PWM整流器控制策略：针对PWM整流器的强耦合问题，提出了电网电流前馈解耦和控制思想;以快速的动态响应能力来设计电流内环;以良好的抗干扰能力来设计电压外环。最后，通过仿真验证了该方法的有效性和实用性。

1PWM整流器模型建立

1.1PWM整流器拓扑结构

三相电压型PWM整流器电路拓扑结构主要包含交流侧电路、桥臂电路和直流侧电路3部分。其交流侧电路主要包含：三相对称电源e_k（k=a，b，c），三相对称电流i_k（k=a，b，c），交流侧电感L，线路等效电阻R。桥臂电路由6个功率开关管反并联续流二极管组成三相。直流侧电路主要包含滤波电容C，直流负载R_L，直流侧电压U_dc负载电流i_L其拓扑结构如图1所示。

1.2PWM整流器数学模型

在建立三相静止坐标下PWM整流器数学模型之前，首先定义开关函数S_k：

本文只讨论对称的三相电源，并且线路等效电阻与等效电感也为对称的。由KVL在静止坐标系下建立三相电压型PWM整流器的数学模型，得到如式（2）所示的电压方程，其中u_NO表示N、O两点之间的电压。

由三相电源的对称性可以得到三相电压与三相电流的关系如式（3）所示。联立式（2）、式（3）可以得到：

以上数学模型是建立在三相静止坐标系下的，该数学模型的控制器设计较为复杂。为了简化控制器设计，需要建立三相电压型PWM整流器在dq坐标系下的数学模型，其dq坐标系下的数学模型为：

2控制策略

2.1交流侧电流前馈解耦控制

三相PWM整流器是一个非线性系统，参数之间相互耦合，这就导致了经过dq变换后得到的控制变量i_d和i_q存在耦合，无法实现单独精确的控制，控制器设计困难。其耦合关系式如式（6）所示。

式中，e_d——d轴电动势分量;e_q——q轴电动势分量。

由式（6）很明显地看出，dq坐标轴的电流分量出现耦合，无法实现独立控制。要实现精确控制，必须进行解耦处理。本文采取电网电流前馈的方式进行dq轴分量解耦，将PI控制器设计思想应用于电流控制器中，通过控制dq坐标轴分量的大小来间接地控制输入端的P、Q分量，其解耦公式为：

联立式（6）和式（7）对耦合量进行解耦和处理，得到处理后的拉普拉斯变换状态方程：

由式（8）可清晰地看出，i_d和i_q不再耦合，d轴和q轴分量之间不再相互影响，简化了控制器的设计。

2.2电流内环控制器设计

內环主要作用是对电压外环的输出进行快速稳定地跟踪，并对电压外环输出的指令电流进行有效控制。典型I型系统的优势在于快速响应的能力，考虑到跟踪控制的快速性，本文采用典型I型系统进行电流内环控制系统的整定。在忽略电源扰动的情况下，可以得到电流内环等效结构框图如图3所示。由图3的框图，可以进一步得到简化后的传递函数，k-表示增益系数，T为仿真周期。

2.3电压外环控制器设计

电压外环的主要作用是保证直流侧输出电压稳定，减少电压的波动。所以，电压外环设计中要着重考虑稳定性和抗干扰能力。典型Ⅱ型系统设计保证了控制器良好的抗干扰性能。故采用典型Ⅱ型系统对电压外环进行PI参数的整定。电压外环等效结构框图如图4所示。

进一步简化后得到的传递函数：

T_ev为电压采样小惯性时间常数τ_v与电流内环等效小时间常数3t.的合并，即T_ev=T_v+3T_s。令d_v=T_v/T_ev，d_v为中频宽，选取中频宽d_v=5，进一步化简得到电压外环的PI参数：

2.4控制系统框图

对交直流混合电网并网运行时双向PWM整流器的控制采用双闭环PI控制器，采用的解耦方式为电网电流前馈解耦。网侧电流经过坐标变换后作为实际值与期望电流进行比较，经过PI调节得到实际电压值与期望电压值进行比较。经过SVPWM调制模块后得到开关管地控制信号，用以控制IGBT的通断，进而实现交直流混合电网并网时整流和逆变，其具体控制系统框图如图5所示。

3仿真分析

综上分析，论文采用搭建功率为10kw的变流器在交直流混合电网系统等效模型来验证其功能。其中交流子网：电压有效值为220v，电网频率为50Hz，直流侧负载电阻。直流子网：直流电源设置成可调电源用来模拟直流侧电压波动，直流侧额定电压为680v交直流混合电网并网运行时的具体参数配置如表1所示。

3.1并网整流

当直流侧实际电压小于期望电压，即：U_dcref时，直流侧出现功率缺额，需要并网整流，实现交流侧电网对直流电网的率补偿。仿真设置时，直流电源电压为650v，期望电压为680v，仿真结果如图6、图7所示。

3.1.1并网整流

直流侧输出的实际电压小于参考电压时，需要交流电网对直流电网进行功率补偿。能量由交流电网传输到直流电网，直流侧电压由实际值上升到期望值，在电压上升过程中无较大波动和超调量。

3.1.2负载突变情况下并网整流

仿真过程中，在0.05s时突然加入负载，在0.1s时突然减去负载。负载波动时，保证系统能快速响应，电压稳定输出，尽可能减少超调量。其动态响应波形图如图7所示。

由图6、图7可以看出，并网整流时，电压电流相位相同，无功功率为0，有功功率为正，交流侧向直流侧做功率补偿。负载出现波动时，0.01s后系统达到新的平衡，系统动态响应迅速，基本无超调。直流侧输出电压从650v开始上升，最后稳定在680v，直流侧电压稳定输出。

3.2并网逆变

当直流侧实际电压大于额定电压，即：U_dc>U_ref此时，说明直流侧功率盈余，需要并网逆变，实现直流侧电网向交流侧电网进行功率回馈。设置直流电源电压为710v，期望电压为680v，仿真结果如图8、图9所示。

3.2.1并网逆变

直流侧实际电压大于期望电压时，直流侧出现功率盈余，此时需要向交流电网能量回馈。在并网逆变过程中电流与电压反向，电压由实际值下降到期望值，电压下降过程中无较大波动。

由图8、图9可以看出，并网逆变时，电压电流相位相反，无功功率为0，有功功率为负，直流侧在向交流侧做功率回馈，实现能量由直流电网回馈到交流电网中。直流电压由710V开始迅速下降，最后稳定在期望电压680v左右。直流侧输出电压稳定，基本上无超调。动态响应迅速，负载变动时，功率和电压都出现了波动，0.01s后，系统重新达到平衡，动态响应迅速，负载切除后能够迅速恢复到原来的运行状态稳定运行。

4结论

本文通过交流侧电网电流前馈的方法进行三相PWM整流器的解耦和处理，在双闭环设计时以解决更快的动态响应能力来设计电流内环，以较好的抗干扰能力要求来设计电压外环。最后在Matlab/Simulink仿真系统中搭建功率等级为10kw的交直流混合电网并网运行的仿真模型。仿真结果表明交直流混合电网根据直流电网侧的电压情况进行整流/逆变，实现能量的双向流动，直流侧输出电压基本上无超调，稳态性能好。负载波动时能快速响应，动态性能好，且整个系统设计简单，易于工程上实现。