LCL滤波的电压型有源整流器新型主动阻尼控制

2008年9 月 电 工 技 术 学 报 Vol.23 No. 9

第23卷第9期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2008

LCL滤波的电压型有源整流器 新型主动阻尼控制

黄宇淇 姜新建 邱阿瑞 （清华大学电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084）

摘要 提出一种主动阻尼控制方法，在传统电压空间矢量控制中引入变流器侧电感电压高频分量反馈消除LCL滤波三相电压型有源整流器电流谐振现象。考虑采样保持、运算和脉宽调制引入的控制延时，建立了包括电流控制和LCL滤波器在内的存在一个采样周期延时的简化离散模型，在z平面分析其稳定性，通过调节反馈系数调整零极点，实现了系统的稳定控制。为不增加传感器的数量，利用参数估计得到变流器侧电感电压和网侧电压，大大减少了所需的电压/电流传感器的个数。最后，给出LCL滤波三相电压型有源整流装置的仿真及实验结果，证明了提出的主动阻尼控制及稳定性分析方法的可行性。 关键词：有源整流 LCL滤波器 主动阻尼 被动阻尼 电压空间矢量控制 中图分类号：TM461

A Novel Active Damping Control Scheme for a Three-Phase Active Rectifier With LCL-Filter Huang Yuqi Jiang Xinjian Qiu Arui （State Key Laboratory of Security Control and Simulation of Power Systems and Large Generation Equipments Tsinghua University Beijing 100084 China）

Abstract A novel active damping control scheme is developed to eliminate stability problems arisen in the current control of a three-phase voltage source active rectifier (VSR) with LCL-filter. A converter side inductance voltage feedback loop is introduced in the traditional voltage oriented control to stabilize VSR. A simplified discrete model including the current control loop and LCL-filter is established with one sample delay, considering time delays induced by S/H (sampling and holding), processing and modulation. The amplification coefficient of the converter side inductance voltage feedback loop is tuned up to change the unstable poles of LCL-filter. Parameter estimate methods are used to remove unnecessary sensors. Simulation and experiment of VSR with LCL-filter demonstrate the proposed active damping control scheme and the stability analyses. Keywords：Active rectifier, LCL-filter, active damping, passive damping, voltage oriented control

1 引言 电压型有源整流器（Voltage Source active

Rectifier，VSR）具有直流电压可控，网侧输入电流畸变率低，高功率因数以及能量双向流动等优点[1]，

在可再生能源并网发电[2-3]，混合并联型有源电力滤波器[4-5]和统一潮流控制[6-7]等工业领域得到了广泛

的应用。 VSR网侧输入电流含有脉宽调制引入的高频谐波。这些高频分量可能对线路中连接的对电磁干扰特别敏感的设备产生不利影响。近年来，LCL滤波器作为VSR的输入滤波器成为一种相当有吸引力的解决方案，其拓扑如图1所示。该方案使用较 台达电力电子科教发展基金（DREG2005002）资助项目。 收稿日期 2007-08-25 改稿日期 2008-01-28 第23卷第9期 黄宇淇等 LCL滤波的电压型有源整流器新型主动阻尼控制 87 小的总电感量就能得到很好的衰减谐波的效果，在成本上具有优势。

图1 LCL滤波三相VSR拓扑 Fig.1 Topology of three-phase VSR with LCL filter LCL滤波器存在由其物理参数决定的谐振频率。中小功率等级的整流器一般采用滤波电容Cf

支路串联阻尼电阻的办法使系统稳定。这种技术被

称之为“被动阻尼”（Passive Damping，PD）[8-9]。被动阻尼简单可靠，不需要改变控制器结构及参数，在工业上得到广泛应用，但也存在一些不足：由于阻尼电阻的损耗，系统效率降低，若应用于高压大功率VSR，阻尼电阻发热严重，需要强制风冷。 无需阻尼电阻，通过改变控制器结构使系统稳定的“主动阻尼”技术（Active Damping，AD）受到研究人员越来越多的关注。Dahono提出的一种被称为“虚拟电阻”（virtual resistor）[10]的AD策略由于简明的物理意义，在工业上得到了一定的应用。该方法提出了阻尼电阻可能安置的四个位置，并通过信号流程图的变换将实际存在的电阻转移到控制器结构中去，其中最常用的还是在滤波电容支路串联虚拟电阻，但需要添加电流传感器采集滤波电容电流。同时，“虚拟电阻”理论没有考虑控制系统可能存在的延时。实际上，控制延时使信号流程图的变换非常困难。Blasko提出串联超前-滞后模块（Lead-Lag）的滤波电容电压反馈AD方法[11]，该

方法需要传感器采集滤波电容电压，且Lead-Lag模块参数需不断重复校验计算。Liserre提出不需添加任何电压/电流传感器的AD方法[12]，该方法基于遗

传算法，但由于算法的复杂性在工业上还难以得到应用。 本文提出一种引入变流器侧电感电压高频分量反馈的AD方法，利用参数估计得到电网侧电压信号及变流器侧电感电压，大大减少了传感器的数量，并在考虑实际控制时延的基础上利用z平面分析系统可能产生的稳定性问题。由于无需在LCL滤波器的滤波电容支路安装电流传感器或电压传感器，甚至电网侧电压传感器也可以省略，使LCL滤波VSR

易于整合。 2 LCL滤波的电压型有源整流器 2.1 LCL滤波器的数学模型 LCL滤波器由三个元件组成，分别是电网侧电感L

g、滤波电容Cf以及变流器侧电感L。LCL滤波

器的数学模型如图2所示。图中ug、ucf、ui分别为

网侧、滤波电容及变流器交流侧电压，ig、icf、ii分别是网侧、滤波电容支路及变流器侧电感电流。

图2 LCL滤波器的数学模型 Fig.2 The model of LCL-filter 2.2 电压型有源整流器的VOC控制 电感滤波的VSR已得到广泛研究，同步旋转坐标系下的电压空间矢量控制（VOC）[13-14]是常用的

控制方法之一。考虑到LCL滤波器的滤波电容Cf

对工频电流的阻抗远比网侧电感Lg大，滤波电容支

路对工频电流相当于开路，故VOC也可应用于LCL

滤波VSR。记L∑=Lg+L，直流母线电容为Cd，其电

压为Udc，负载电流为IL，电网三相电压为uga/gb/gc，ud、uq为电网三相电压的d、q轴分量；变流器电流

iia/ib/ic，id、iq为变流器电流的d、q轴分量；uid、uiq

为变流器交流电压d、q轴分量。SPLL为软锁相环，

输出与电网电压同频率同相位的角度信号，与硬件锁相电路相比具有更好的抗干扰能力。控制器采用双环控制策略，其外环为直流母线电压环，主要作用是控制直流电压；内环为电流环，按直流母线电压环的输出进行电流控制，实现q轴对功率因数的控制及d轴对有功电流的控制，控制框图如图3所示。 2.3 主动阻尼的引入 若无阻尼，LCL滤波VSR会产生严重的电流谐振现象，威胁变流器的安全运行。假设存在阻尼器使系统中包括谐振频率在内的谐波电压/电流得到衰减，就可以有效避免谐振现象的发生。 本文提出一种引入变流器侧电感电压高频分量反馈的主动阻尼。变流器侧电感电压经数字高通滤波器得到线路中存在的电压高频谐波分量，控制器根据此反馈信号抑制变流器输出的高频谐波的含量。采用此方法的主动阻尼模块如图3所示。变流器侧电感电压d轴、q轴分量uLd、uLq经过高通滤