不平衡电网下Vienna整流器控制策略研究

史兆成 张鹤强 王超

摘  要：Vienna整流器结构简单，功率密度高，被广泛应用于航空电源、电动汽车充电系统等工业应用中。不平衡电网下Vienna整流器通过准比例谐振（quasi-proportional resonance， QPR）控制器可以在静止坐标系下跟踪参考电流实现零稳态误差控制。基于QPR控制器的电流控制回路结构相对简单，但是其参数设计较为复杂。为解决这一问题，提出一种简易的QPR控制器参数设计方法，并验证系统稳定性。最后，在Vienna整流器实验平台上验证所提策略的有效性。

关键词：Vienna整流器；不平衡电网；QPR控制器；准比例谐振；参数设计

中图分类号：TM461      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）18-0071-05

Abstract： Vienna rectifier is widely used in aviation power supply， electric vehiclecharging system and other industrial applications because of its simple structure and high power density. In unbalanced power system， Vienna rectifier can achieve zero steady-state error control by tracking reference current in static coordinate system through quasi-proportional resonance （QPR） controller. The structure of current control loop based on QPR controller is relatively simple， but its parameter design is more complex. To solve this problem， a simple parameter design method of QPR controller is proposed， and the stability of the system is verified. Finally， the effectiveness of the proposed strategy is verified on the Vienna rectifier experimental platform.

Keywords： Vienna rectifier; unbalanced power grid; QPR controller; quasi-proportional resonance; parameter design

三相三电平Vienna整流器因其功率密度高，单位功率因数效率高、可靠性高等特点[1-4]被广泛应用于工业电力电子领域[5-8]。

在实际应用中普遍存在电网不平衡。不平衡电网下的传统控制方法采用正、负序双同步坐标系的独立控制方案，该方案在各自的同步坐标系中将不平衡电网分解成正序分量和负序分量，并分别计算正序参考电流和负序参考电流[9]。在同步坐标系下通过比例积分（proportional integral， PI）控制器分别控制正序分量和负序分量以跟踪参考电流。该方法的主要不足在于控制回路复杂，动态相应过程慢。准比例谐振（quasi-proportional resonance， QPR）控制器可以在静止坐标系下跟踪参考电流实现零稳态误差控制，相较于PI控制，降低了控制复杂度。文献[10]通过引入QPR控制器，在静止坐标系下实现了对Vienna整流器的闭环控制。然而，在实际应用中，QPR控制器的参数设计较为复杂。

基于上述分析，本文提出了一种简易的QPR控制器参数设计方法。

1  不平衡电网下Vienna整流器电流控制策略

图1为三相三电平Vienna整流器的电路结构示意图。

图5展示了不平衡电网下Vienna整流器基于QPR控制器的整体控制框图，将采样得到的直流输出电压Udc与直流电压给定Udc_ref进比行较后输入PI控制器，进而得到Vienna整流器直流电流指令Idc_ref，并计算此时的平均有功功率指令P0=Udc×Idc_ref。在两相静止坐标系下，三相不平衡电网电压经过二阶广义积分器的正交信号发生器（Second-Order Generalized Integral-Quadrature-Signals Generator， SOGI-QSG）完成正负序分量的分解，带入公式（4）计算得出参考电流指令。将采样得到的三相交流侧输入电流与参考电流指令比较后得到误差信号后送入QPR电流控制器完成对输入电流的控制，使其跟踪参考电流指令，最后经过电网电压前馈环节得到调制波信号送入正弦脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation， SPWM）模块生成脉宽信号以实现对Vienna整流器的控制。

3  实验验证

为了验证所提简易的QPR控制器参数设计方法的有效性，制作了Vienna整流器样机，如图6所示。表1给出了Vienna整流器系统的实验参数。

图7、图8分别展示了不同电网条件下，Vienna整流器的实验结果。其中，不平衡电网条件Csae 1为三相电压有效值为80、80、64 V；三相电压初始相位角为0、-120、120°。不平衡电网条件Csae 2为三相电压有效值为80、80、80 V；三相电压初始相位角为0、-120、140°。

为验证本文提出参数设计方法的动态特性，增加负载电阻阻值突变的动态试验，将负载由75 Ω切换至45 Ω，图9展示了采用本文所提方法的直流侧电压和三相输入电流实验波形。

从这些实验结果来看，Vienna整流器系统可以稳定工作，证明了本文所提方法设计参数的有效性。

4  结论

不平衡电网下Vienna整流器基于QPR控制器的电流控制回路结构简单，然而，QPR控制器的参数设计较复杂。基于以上问题，本文提出了一种简易的QPR控制器参数设计方法，并通过实验验证了该参数设计方法的有效性。

参考文献：

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