三相桥臂选取输出电压外环电 感电流内环的双闭环控制策略，其中电压外环采用基于2、6倍谐振频率的比例积分 谐振控制器，第四桥臂采用基于基波频率的改进PR控制器。PIR控制器传递函数为：
[0034] 式中，KP、KnKRh分别为比例系数、积分系数和谐振系数，《。为截止频率（兼顾谐 振点处的增益和带宽），谐振角频率；
[0035]PR控制器传递函数为
[0036] 式中，KP、KAV别为比例系数和谐振系数，《。为截止频率，《。为基波角频率。
[0037] (3)由于d、q轴具有对偶性，可以得到d轴系统控制框图如图4所示。其中％、 <和分别为控制系统输出电压参考值、电感电流参考值和调制信号参考值的d轴分量； Ud、1^1和I别为逆变器交流侧相电压、电感电流，负载输出电压和输出电流的d轴分 量；1、&分别为电压外环和电流内环控制器传递函数；K_为逆变器等效增益。
[0038] (4)可以得到在给定输入电压信号IC、负载电流扰动信号Icid同时作用下，输出电 压Ucid的闭环传递函数为
[0040] (5)本实用新型以具体实例来说明该方法的有效性，各具体参数如下：低压直流 运行电压Ude= 800V，VSI输出相电压U。= 220V，开关频率为8kHz，滤波电感L= 2mH，滤波 电容C= 50uF，中线电感Ln=ImH，阻尼系数I= 0. 707,中频带宽度h= 10,逆变器等效 增：Kpwm= 0? 8。
[0041] (6)控制器采用分频段参数整定方法。
[0042] (7)首先，对基于直流PI的电压电流双闭环控制器参数进行设计。忽略负载电流 扰动的影响，系统的开环传递函数为
[0043]
可以看出该系统是一个II型系统，其中包含两个一阶微分 环节和一个二阶振荡环节。令上式开环传递函数为
[0044]
[0045] (8)逆变器输出LC滤波器谐振角频率
将内环PI控制器的零点设 置在滤波器的谐振角频率处，即有K21A2p=COras，根据阻尼系数I关系可以计算出内环PI参数。
[0046] (9)接着选择合适的中频带宽度h=T1A2和开环增益K值，即可算出外环PI参 数。
[0047] (10)利用Matlab软件中的系统设计工具SISODesignTool，选取补偿环节C(S) =K=L15XIO5时，可以得到外环参数Kip= 0? 0248,K11= 7. 8545和内环参数K2p= 21. 6， K21= 68300〇
[0048] (11)根据系统的稳态性能和动态性能指标对上述电压电流双闭环PI参数进行验 证。作出系统的对数频率特性曲线如图5所示，以及时域阶跃响应曲线如图6所示，系统 相位裕度为Pm= 51. 9°，超调量小于20%，调节时间为0. 2s，说明该PI参数的有效性。
[0049] (12)其次，对谐振控制器R的参数进行设计，为了保持系统的稳定性，可以利用上 文选定的电压环PI参数作为PIR控制器的比例和积分系数。
[0050](13)根据系统对稳定性的要求，利用根轨迹法来确定谐振系数KRh的上限取值范 围。图7给出了KRh变化时对应的闭环传递函数极点分布趋势情况。可以看出，随着1^的 增大，有一对共辄极点逐渐进入了S域右半平面，使得系统出现不稳定。所以，电压环谐振 系数KRh临界稳定上限值时为16. 7。
[0051] (14)根据系统对稳态误差的要求，来确定谐振系数KRh的下限取值范围。根据 输出电压Ucid与给定电压信号1/1,、电流扰动信号Icid的关系，得知输出电压中谐波分量 仅由负载电流谐波产生，设h次谐波电流处的相对稳态幅值误差为elh(h= 2, 6)。则有
[0052] (15)结合逆变器等效输出阻抗Zd(S)的数学表达式，可以得到
[0053]
IG1(j?h)I分别为电压环PIR和电流环PI控制器在h次谐波处的增益值；
[0054] (16)将比例积分谐振控制器作如下简化，谐振频率的相对增益可表示为 GpiR(jwh)IKp+KRh
[0055] (17)由于负载电流谐波小于直流分量，可假设负载谐波输出电压相对稳态误差要 求eih= 5%(h= 2, 6)。可以计算得到Kr2彡0. 22，KR6彡2.1。所以，电压环谐振参数KRh 应满足此下限值，才能确保系统谐波电压分量的稳态误差在所设要求以内。
[0056] (18)结合系统的稳定性和稳态误差要求，文中取谐振系数Kr2=KR6= 2. 5。
[0057] (19)综上整个控制器的参数已经得出，其中电压外环PIR控制器传递函数为
[0059] 电压内环PI控制器传递函数
[0060] (20)根据上述控制器参数，画出系统的Bode如图8所示。系统相位裕度为40dB， 确保了系统的稳定性，验证了参数设计的合理性。
[0061] 本实用新型不局限于以上所述的【具体实施方式】，以上所述仅为本实用新型的较佳 实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修 改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种适应不平衡和非线性负载的电力电子变压器，所述的电力电子变压器拓扑结构 包括输入级、中间隔离级和输出级，输出级为三相四桥臂结构的逆变器，所述逆变器包括四 桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述的四桥臂逆变电路由直流电解电容和八个带反并联二 极管的IGBT构成，所述的LC滤波电路由三相LC滤波器和第四桥臂中线电感构成，负载中 性点通过中线电感与第四桥臂中点相连；其特征在于：前三相桥臂的控制电路设有电压外 环PIR控制器和电流内环的PI控制器，第四桥臂的控制电路设有中线电流的PR控制器。2. 根据权利要求1所述的一种适应不平衡和非线性负载的电力电子变压器，其特征在 于：所述输出级的控制电路包括： 第一采样电路，用于获取低压直流侧母线电压并将低压直流侧母线电压u d。发送给 DSP核心处理器； 第二采样电路，用于获取逆变器三相输出电压11。3、iu、u。。，并将三相输出电压 Ucia、iu、 Ucic发送给DSP核心处理器； 第三采样电路，用于获取逆变器三相电感电流iu、U、L、三相负载电流U、U、icJ口 中线电流in，并将三相电感电流ila、ilb、it。、三相负载电流i M、U、i。。和中线电流i n发送给 DSP核心处理器； IGBT驱动电路，用于接收DSP核心处理器发出的PffM脉冲并进行信号放大来驱动 IGBT ； 硬件保护电路，用于对相关电压电流值进行硬件电路保护。3. 根据权利要求1所述的一种适应不平衡和非线性负载的电力电子变压器，其特征在 于：输入级每相采用级联H桥拓扑，每相级联H桥由n个单相PffM整流模块组成，中性点采 用星形连接方式。4. 根据权利要求1所述的一种适应不平衡和非线性负载的电力电子变压器，其特征 在于：所述中间隔离级为双主动桥结构。
【专利摘要】本实用新型提供了一种适应不平衡和非线性负载的电力电子变压器，一种适应不平衡和非线性负载的电力电子变压器，所述的电力电子变压器拓扑结构包括输入级、中间隔离级和输出级，输出级为三相四桥臂结构的逆变器，前三相桥臂采用基于PIR控制器的输出电压外环和基于PI控制器的电感电流内环的双闭环控制策略，第四桥臂采用基于PR的中线电流独立控制器。本实用新型控制外环采用比例积分谐振电压控制器，能有效解决dq旋转坐标系下PI控制器针对交流量增益有限的问题，减小稳态误差；控制内环采用比例积分控制器，有效地提高了系统的动态性能；第四桥臂独立采用改进比例谐振控制器，能对基频不平衡电流进行有效控制。
【IPC分类】H02J3/26
【公开号】CN204886199
【申请号】CN201520382747
【发明人】周柯, 帅智康, 王凯, 葛俊, 杨理才, 兰征, 楚红波, 郭敏, 王晓明, 陈铭, 周卫, 孙志媛, 刘光时
【申请人】广西电网有限责任公司电力科学研究院, 湖南大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年6月4日