三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略

肖蕙蕙 蘇新柱 郭 強(qiáng) 李 山 陳 嵐

三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略

肖蕙蕙1,2蘇新柱1,2郭 強(qiáng)1,2李 山1,2陳 嵐1,2

（1. 重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 重慶 400054 2. 重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心 重慶 400054）

設(shè)計(jì)三相Vienna整流器的閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)需要采集電網(wǎng)電壓信息，而使用傳感器會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本和復(fù)雜度，為此該文提出一種適用于三相Vienna整流器的無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略。首先，在兩相靜止坐標(biāo)系中建立三相Vienna整流器的虛擬磁鏈數(shù)學(xué)模型，利用二階低通濾波器來(lái)改進(jìn)電壓觀測(cè)器，對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行估算，在不增加算法復(fù)雜性的前提下避免了純積分運(yùn)算。其次，由于該方法估算的電網(wǎng)電壓存在一定誤差，因此運(yùn)用預(yù)測(cè)電流控制策略構(gòu)建控制系統(tǒng)，并針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中采集與處理環(huán)節(jié)所引起的信號(hào)滯后問(wèn)題，提出二步預(yù)測(cè)電流法以補(bǔ)償信號(hào)滯后。最后，對(duì)所提出控制策略進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其結(jié)果表明，網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量低，直流側(cè)輸出電壓準(zhǔn)確跟蹤給定值，保持單位功率因數(shù)運(yùn)行，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能，從而驗(yàn)證了該文所提策略的正確性和可行性。

Vienna整流器 無(wú)網(wǎng)壓傳感器 虛擬磁鏈 預(yù)測(cè)電流控制

0 引言

相對(duì)于兩電平整流器，三相維也納（Vienna）整流器具有諧波含量低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)三電平整流器，Vienna整流器具有更少的開(kāi)關(guān)器件、無(wú)需設(shè)置死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)管應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)。因此，Vienna整流器具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

三相Vienna整流器控制策略主要分為電流控制和功率控制。電流控制又包括直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制以網(wǎng)側(cè)電流作為反饋和被控量形成電流閉環(huán)；間接電流控制則無(wú)電流環(huán)，但兩者都需采集電網(wǎng)電壓形成電壓環(huán)。功率控制需提取電網(wǎng)電壓基波幅值、相位等信息來(lái)控制網(wǎng)側(cè)有功、無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)直流側(cè)輸出電壓恒定、單位功率因數(shù)運(yùn)行等控制目標(biāo)。各種控制策略不盡相同，但都依賴于電網(wǎng)電壓信息的正確提取[3]。在實(shí)際運(yùn)用中可安裝電網(wǎng)電壓傳感器以獲得電網(wǎng)電壓信息，但相應(yīng)地會(huì)增加系統(tǒng)成本和硬件復(fù)雜度、降低系統(tǒng)可靠性，此外還存在噪聲靈敏度高、分辨率受限等問(wèn)題[4]。為此，無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)之一。

無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略可解決上述諸多問(wèn)題，但目前鮮有文獻(xiàn)關(guān)注三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略的研究。無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略基本思路是利用推算出的交流側(cè)電壓與交流側(cè)濾波器壓降相加來(lái)估算電網(wǎng)電壓[5-6]。由于該方案需對(duì)電流進(jìn)行微分運(yùn)算而導(dǎo)致噪聲靈敏度高，繼而提出了基于虛擬磁鏈、自適應(yīng)全階觀測(cè)器、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波器等算法[4]，其中自適應(yīng)觀測(cè)器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波器等算法復(fù)雜，因此，基于虛擬磁鏈的無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略由于其算法較為簡(jiǎn)單而更適合于較為復(fù)雜的三相Vienna整流器。

虛擬磁鏈法將網(wǎng)側(cè)部分等效為虛擬交流電機(jī)，電網(wǎng)電壓看作一個(gè)虛擬的磁鏈微分量，通過(guò)對(duì)微分量積分得到虛擬磁鏈。由于純積分環(huán)節(jié)的引入，帶來(lái)積分初值、直流偏置等問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]提出帶有初值估算的低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)來(lái)估算磁鏈，從而達(dá)到降低沖擊電流、提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的目的。文獻(xiàn)[8]在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，利用二階廣義積分器構(gòu)建三相并網(wǎng)逆變器電壓觀測(cè)器。文獻(xiàn)[9]采用帶有補(bǔ)償項(xiàng)的一階低通濾波器代替純積分得到虛擬磁鏈信號(hào)，算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]利用三階廣義積分器構(gòu)造正交信號(hào)發(fā)生器對(duì)交流電壓進(jìn)行估算，從而避免純積分運(yùn)算。以上方法對(duì)初值、直流偏置等問(wèn)題均有不同程度的解決，但都沒(méi)有將虛擬磁鏈無(wú)網(wǎng)壓傳感器算法與三電平整流器相結(jié)合來(lái) 研究。

模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control, MPC）策略是一種對(duì)模型參數(shù)精度要求不高但對(duì)控制質(zhì)量要求較高的控制方法，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。文獻(xiàn)[11]在三相功率因數(shù)校正中引用預(yù)測(cè)電流控制以降低算法的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[12-15]對(duì)整流器MPC策略展開(kāi)深入的研究。文獻(xiàn)[16-17]分析了MPC策略的不足之處，并做出相應(yīng)的改進(jìn)。

三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器的實(shí)現(xiàn)方法有別于兩電平、傳統(tǒng)三電平整流器。為此，本文提出了一種三相Vienna整流器電網(wǎng)電壓估算方法，該方法包含三相Vienna整流器交流側(cè)電壓計(jì)算算法、改進(jìn)的電網(wǎng)電壓觀測(cè)器，并結(jié)合預(yù)測(cè)電流控制展開(kāi)研究，根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算出瞬時(shí)功率，并以功率跟蹤誤差最小為目標(biāo)預(yù)測(cè)電流，從而形成本文的無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略。針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中采集和處理過(guò)程會(huì)引起信號(hào)滯后問(wèn)題，利用二步預(yù)測(cè)電流法和拉格朗日插值法加以補(bǔ)償，從而更為精準(zhǔn)地得到期望交流側(cè)電壓矢量。最后，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上，對(duì)本文所提出的三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證了該策略的正確性和可行性。

1 三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器控制策略

1.1 三相Vienna整流器數(shù)學(xué)模型

三相Vienna整流器拓?fù)淙鐖D1所示，圖中，a、b、c分別為A、B、C三相電網(wǎng)電壓，為濾波電感，為濾波電感和線路的等效電阻，a、b、c分別為A、B、C三相交流側(cè)電壓，1、2分別為直流側(cè)上、下濾波電容，load為阻性負(fù)載。

圖1 三相Vienna整流器拓?fù)?/p>

三相Vienna整流器在三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為

式中，ao、bo、co分別為a、b、c與o之間的電壓；oN為o與N之間的電壓。

為了便于推導(dǎo)a、b、c表達(dá)式，假定所有開(kāi)關(guān)管和二極管均為理想器件，電網(wǎng)平衡時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率。

此時(shí)三相橋臂開(kāi)關(guān)管可等效為一個(gè)三值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)為

式中，s為相交流側(cè)電壓的電位狀態(tài)，=a、b、c；S為相開(kāi)關(guān)管；i為相電流。

將開(kāi)關(guān)函數(shù)s分解成so、sp、sn三個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)其值為1，關(guān)斷為0。由此得到各開(kāi)關(guān)量之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 各開(kāi)關(guān)量之間關(guān)系

Tab.1 The relation between the switch quantities

交流側(cè)電壓與直流側(cè)電容中性點(diǎn)電壓關(guān)系式為

三相交流電壓對(duì)稱時(shí)，有

整理式（1）、式（3）和式（4）得

將a、b、c進(jìn)行Clarke變換得

將式（3）、式（5）相加得

其中

三相Vienna整流器在兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為

式中，a和b由式（6）、式（7）整理可得。

式（5）的sp、sn可根據(jù)表1中S、i之間關(guān)系得到。以A相為例，當(dāng)Sa導(dǎo)通時(shí)，ap=0、an=0；當(dāng)Sa關(guān)斷且a＞0時(shí)，ap=1、an=0；當(dāng)Sa關(guān)斷且a＜0時(shí)，ap=0、an=1。

1.2 虛擬磁鏈數(shù)學(xué)模型

根據(jù)式（8）可得到三相Vienna整流器的電網(wǎng)電壓估算方法，但估算電網(wǎng)電壓時(shí)需要微分計(jì)算，將導(dǎo)致較高的噪聲靈敏度，不利于實(shí)際應(yīng)用。故對(duì)式（8）兩邊同時(shí)積分得

根據(jù)磁鏈公式，有電網(wǎng)虛擬磁鏈?zhǔn)噶俊ｋ娋W(wǎng)電壓矢量E、電網(wǎng)虛擬磁鏈?zhǔn)噶縴 及交流側(cè)電壓矢量V在ab 坐標(biāo)系中的關(guān)系如圖2所示。

1.3 電網(wǎng)電壓估算方法

結(jié)合式（9）、式（11）可推算出電網(wǎng)電壓估算式為

式中，取wc=314.16rad/s。根據(jù)式（12）、式（13），設(shè)計(jì)出一種基于二階低通濾波器的改進(jìn)電網(wǎng)電壓觀測(cè)器，有效地避免了純積分運(yùn)算，電網(wǎng)電壓觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2 Vienna整流器預(yù)測(cè)電流控制策略

2.1 預(yù)測(cè)電流控制原理

三相Vienna整流器系統(tǒng)采樣周期s遠(yuǎn)小于電網(wǎng)基波周期，因此在一個(gè)采樣周期內(nèi)對(duì)電流微分量進(jìn)行離散化得

將式（14）代入式（8）得

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，有

式中，為三相Vienna整流器瞬時(shí)有功功率；為其瞬時(shí)無(wú)功功率。

對(duì)式（16）求導(dǎo)并離散化，得到采樣周期內(nèi)整流器的瞬時(shí)功率預(yù)測(cè)值為

本文以滿足功率跟蹤誤差最小為目標(biāo)預(yù)測(cè)電流，定義目標(biāo)函數(shù)為

2.2 二步預(yù)測(cè)優(yōu)化策略

二步預(yù)測(cè)優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)為

對(duì)式（16）進(jìn)行二階求導(dǎo)，并經(jīng)離散化得

2.3 電網(wǎng)電壓預(yù)測(cè)值修正方法

2.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

綜上分析，三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提出的無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略的正確性和可行性，利用Matlab/Simulink建立仿真模型，并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和樣機(jī)中參數(shù)一致，Vienna整流器參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 Vienna整流器參數(shù)指標(biāo)

Tab.2 Parameters of Vienna rectifier

圖5為三相Vienna整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)由功率主拓?fù)?、電壓電流傳感器、信?hào)調(diào)理電路、主控芯片、濾波單元、驅(qū)動(dòng)電路及供電電源等構(gòu)成。

圖5 Vienna整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

3.1 仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，設(shè)定仿真總時(shí)長(zhǎng)=1.5s，系統(tǒng)運(yùn)行至0.5s時(shí)刻，負(fù)載電阻load由49W（10kW）突變?yōu)?8W（5kW），運(yùn)行至1s時(shí)，由98W突變?yōu)?3.5W。直流側(cè)輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 直流側(cè)輸出電壓波形

由圖6可知，系統(tǒng)起動(dòng)及負(fù)載突變過(guò)程中，直流側(cè)輸出電壓均能較快調(diào)節(jié)至給定值700V，且無(wú)靜差；當(dāng)功率突減至額定功率50%（5kW）時(shí)，其超調(diào)量約為5.7%，調(diào)節(jié)時(shí)間為97.5ms；當(dāng)功率突增變化時(shí)，電壓跌落2.9%，調(diào)節(jié)時(shí)間為78.8ms，整個(gè)過(guò)程輸出電壓幅值波動(dòng)較小且能較快跟蹤電壓給定值，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。直流側(cè)電容電壓波形如圖7所示，綜合圖6、圖7可知，直流側(cè)輸出電壓紋波峰峰值約為0.69V，紋波系數(shù)約為0.1%，直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)較小，具有良好的輸出特性。

圖8為系統(tǒng)起動(dòng)、額定負(fù)載運(yùn)行、負(fù)載突減及突增四個(gè)階段中A相電網(wǎng)電壓與輸入電流波形?？梢钥闯?，整個(gè)過(guò)程中電網(wǎng)電壓與輸入電流始終保持同相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

圖7 直流側(cè)電容電壓波形

圖8 A相電網(wǎng)電壓及電流波形

圖9為額定負(fù)載下AB相線電壓波形，可以看出，AB相線電壓為典型的五電平階梯波。

圖9 額定負(fù)載下AB相線電壓波形

在額定負(fù)載運(yùn)行下，A相電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）如圖10所示，THD為4.68%，系統(tǒng)具有良好的輸入特性。

圖10 額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)A相電流諧波畸變率

圖11為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下兩相靜止坐標(biāo)系中的電網(wǎng)電壓實(shí)際值與估算值波形?？梢钥闯觯瑢?shí)際值與估算值波形幾乎一致，驗(yàn)證了本文提出的電網(wǎng)電壓估算方法的正確性。

圖11 穩(wěn)態(tài)下電網(wǎng)電壓實(shí)際值與估算值波形

圖12為整個(gè)過(guò)程，整流器輸入有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)波形。由圖12可知，整流器發(fā)生負(fù)載突減、突增時(shí)，瞬時(shí)有功功率能快速準(zhǔn)確地跟蹤給定值，而無(wú)功功率穩(wěn)定在零值附近，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中功率因數(shù)始終大于0.95，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率因數(shù)校正。

圖12 有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)波形

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提控制策略的性能，本文在10kW三相Vienna整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中進(jìn)行驗(yàn)證。

圖13為負(fù)載突變時(shí)直流側(cè)上、下電容電壓、A相電網(wǎng)電壓及電流波形。從直流側(cè)上、下電容電壓波形可知，中點(diǎn)電位波動(dòng)較小，在切換負(fù)載時(shí)，直流側(cè)輸出電壓僅需5個(gè)工頻周期左右便能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡并穩(wěn)定到電壓給定值；在不同負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中，輸入電流畸變均保持較小值，且在負(fù)載切換過(guò)程中能夠平穩(wěn)過(guò)渡至新的穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的輸入特性，與仿真結(jié)果保持一致。

圖13 動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形

圖14為額定負(fù)載下AB相線電壓實(shí)驗(yàn)波形，與仿真結(jié)果基本保持一致。

圖14 額定負(fù)載下AB相線電壓實(shí)驗(yàn)波形

將A相電流實(shí)驗(yàn)波形導(dǎo)入Simulink中，進(jìn)行快速傅里葉變換分析可得到，額定負(fù)載下A相電流THD如圖15所示。從圖15中可看出，A相電流的THD為4.89%，考慮到實(shí)際電路中的非理想因素，該結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖15 額定負(fù)載下A相電流實(shí)驗(yàn)波形THD

4 結(jié)論

本文針對(duì)三相Vienna整流器提出了一種無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略。本文設(shè)計(jì)了適用于三相Vienna整流器的電網(wǎng)電壓估算方法，該方法提出了交流側(cè)電壓計(jì)算算法，改進(jìn)了純積分環(huán)節(jié)，得以準(zhǔn)確估算電網(wǎng)電壓；控制部分采用基于瞬時(shí)功率理論的預(yù)測(cè)電流控制，針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中采樣與處理環(huán)節(jié)引起的信號(hào)滯后問(wèn)題，提出二步預(yù)測(cè)電流法和拉格朗日插值法加以補(bǔ)償，以得到更為準(zhǔn)確的交流側(cè)電壓矢量。最后對(duì)該策略進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的基于三相Vienna整流器無(wú)網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）無(wú)需電網(wǎng)電壓傳感器，亦可形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)輸出電壓準(zhǔn)確快速地追蹤給定值，保持電網(wǎng)電壓電流同相位，輸入電流諧波較低，具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。

2）該算法易于實(shí)現(xiàn)，且能推廣至其他衍生Vienna整流器拓?fù)洹?/p>

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Predictive Current Control of Three-Phase Vienna Rectifier Without Grid Voltage Sensors

1,21,21,21,21,2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering Chongqing University of Technology Chongqing 400054 China 2. Chongqing Engineering Research Center of Energy Internet Chongqing 400054 China）

Designing the closed loop control system of the Vienna rectifier requires the collection of grid voltage information. However, the use of sensors will increase the cost and complexity of the system hardware. Therefore, a grid voltage sensorless control strategy for Vienna rectifier is proposed. Firstly, the virtual flux mathematical model of the Vienna rectifier was established in the two-phase static coordinate system, and the second-order low-pass filter was used to improve the voltage observer and estimate the grid voltage, which avoids the pure integral operation without increasing the algorithm complexity. Secondly, because the grid voltage estimated by this algorithm has errors, the predictive current control strategy is used to construct the control system. Aiming at the signal lag problem in the acquisition and processing stage of the actual system, a two-step predictive current method is proposed. Finally, the control strategy is proposed for the simulation analysis and experimental verification. The results show that the grid side input current has low harmonic content, the DC output voltage can accurately track the given value and keep running unit power factor, and the system has good dynamic and steady state performance.

Vienna rectifier, grid voltage-sensorless, virtual flux, predictive current control

TM461

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191855

重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（cstc2016jcyjA1527）和重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJZD-K201901102）資助。

2020-01-01

2020-03-05

肖蕙蕙 女，1964年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、新能源發(fā)電與控制等。E-mail: xhh@cqut.edu.cn

郭 強(qiáng) 男，1984年生，博士，講師，研究方向?yàn)榇蠊β收髌?、新型逆變器、汽車電子等。E-mail: guoqiang@cqut.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）