[发明专利]一种三相电压源型PWM整流器的电流控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有源整流/逆变换流器的控制方法，尤其涉及一种带电感-电容-电感（LCL）型滤波器的三相电压源型PWM整流器的电流控制方法。

背景技术

目前，基于全控型开关器件与脉宽调制（PWM）技术的电力电子整流器得到了广泛的应用，且系统容量还在不断增大。其应用领域包括不间断电源（UPS）、有源电力滤波器（APF）、静止同步无功补偿器（STATCOM）、动态电压恢复器（DVR）、柔性高压直流输电（VSC-HVDC）等，这些设备的基本原型常常采用电压源型整流器。

三相整流器的控制一般采用双闭环的矢量控制。利用坐标变换技术，在同步旋转坐标系或两相静止坐标系下，控制系统的外环控制有功功率或直流电流、无功功率或交流电压；而内环控制注入电网的电流。矢量控制系统的内环很大程度上决定了三相整流器的控制性能。

在大功率应用中，通常使用LCL型或LC型滤波器（LC型与线路阻抗一起可等效成LCL型）作为整流器与电网的接口电路，用于滤除高频开关谐波，同时有效地控制滤波器的体积和重量。然而LCL型滤波器中包含了多个电感、电容的串并联结构，存在固有的震荡模式，称为LC震荡，不利于整流器的安全稳定运行。为了提高整流器运行的稳定性，需要增加电气系统阻尼，目前采用的技术大致可分为无源阻尼与有源阻尼两种方式。前者需要在滤波器中增加电阻，具有简单可靠的优点，但会增大功率损耗，降低整流器运行效率和滤波性能；后者通过改进控制，利用控制软件实现各种有源阻尼算法，受到了研究者的青睐。

Pekik Argo Dahono在文献“P A Dahono.A control method for DC-DC converter that has an LCL output filter based on new virtual capacitor and resistor concpts[C].Proc.of PESC’04,2004,1：36-42”中首次提出了一种“虚拟电阻”的主动阻尼控制策略，即通过变换传递函数，在控制器中虚拟出一个等效的电阻。专利CN101141100A提出了一种基于LCL滤波器的电压型有源整流器稳定控制系统及方法，同时采集电网侧与整流器侧电流及电网电压，通过虚拟电阻算法的计算后对三相电压源型整流器进行主动阻尼控制。专利CN102437753A提出一种LCL滤波的三相PWM整流器三环控制方法，利用增加的电流传感器以及第三个控制回路，实现虚拟电阻控制方法。虚拟电阻方法概念清晰，使用简单，对抑制LC振荡具有一定效果。虚拟电阻方法也存在一些不足，例如需要增加传感器数量，从而增加了整流器的硬件成本。另外，虚拟电阻方法与实物电阻方法类似，在抑制LC震荡的同时，需要牺牲部分滤波性能，即并需要在控制性能与稳定性之间进行适当权衡。受整流器参数不确定性等的影响，这种权衡一般需要凭经验进行现场调试，费时费力。

M.Malinowski在文献“Malinowski M,Kazmierkowski M P,Szczygiel W,Bernet S,Simple sensorless active damping solution for three-phase PWM rectifier with LCL filter[C].IEEE32th Industrial Electronics Society,2005：987-991”中利用变流器侧电流和控制电压对电容电压进行估测，从而降低了传感器数量，但由于在控制算法中采用了电流微分环节，很容易引入干扰，甚至导致整流器运行不稳定。

以上方法都是通过解析的方法研究整流器的控制规律，且控制参数依赖于实际经验，往往不能保证所设计的控制器是最优的。而现代鲁棒控制理论强调通过控制器的最优设计，使得反馈控制系统在一定（结构，大小）的参数或外部干扰的摄动下，仍然能够满足某些控制性能的要求。自20世纪80年代开始兴起的H∞控制理论为现代鲁棒控制走向工程实际提供了一系列有用的数学工具。基于H∞理论的控制器设计方法的精髓是对闭环控制系统的频域特性进行回路整形（Loop shaping），从而使得闭环控制系统传递函数的H∞范数达到最优，并满足鲁棒控制的性能要求。对电压源型整流器进行H∞最优控制设计，需要解决整流器建模以及权函数选择等关键问题。

发明内容