三相PWM整流器启动冲击的抑制

1 引言
三相PWM整流器具有直流电压可控、功率因数高、网侧电流畸变小等优点，广泛应用于新能源发电、电动汽车充放电站等领域。目前常用的三相整流器控制策略有基于d，q旋转坐标系的直(间)接电流PI控制，基于反馈线性化的三相PWM控制法，三相PWM整流器的H∞鲁棒控制等。其中，基于d，q旋转坐标系的直接电流PI控制结构清晰、实现简单，响应速度快，且设计步骤可参考传统的PI设计经验，得到了广泛应用。直接电流PI控制应用于三相整流器时，会在启动时导致较大的冲击电流，增加了功率器件的电流应力，对器件选型及工作可靠性产生了很大影响。
针对三相PWM整流器的启动冲击问题，这里介绍了启动瞬间PI控制器的调节过程，建立了系统的动态模型，在此基础上给出了冲击电流峰值的计算公式，指出了产生启动冲击的原因和影响因素，分析了PI参数对冲击电流大小的影响，并提出了一种新型软启动算法，通过仿真和实验验证了理论分析的可行性。

2 三相PWM整流器控制与建模
三相PWM整流器的主电路拓扑为三相半桥电压源型变换器(VSC)，如图1所示，主要由LCL滤波器、三相桥臂及直流侧电容组成。

忽略R，经d，q坐标变换，系统状态方程为：
Ldid／dt=ud-ed， Ldiq／dt=uq-eq (1)
式中：ud，uq分别为桥臂电压d，q轴分量；L为Lg和Lt之和；id，iq分别为有功、无功电流分量；ed，eq分别为电网电压d，q轴分量。

图2示出系统的控制框图。当整流器正常工作时，将旋转坐标系的d轴与电网电压矢量进行同步。此时eq=0，初始条件下uq=0。假定误差及扰动均较小，则根据式(1)可知在启动过程中iq不会产生冲击。因此，在单位功率因数状态下，ed和ud是影响系统启动冲击的关键因素。
3 启动冲击分析
整流器启动瞬间电压环离散PI控制器输入输出关系表达为：

式中：kp2，ki2分别为电流环PI调节器比例系数和积分系数；，id分别为有功电流给定值与反馈值；uod为电流内环输出；ei为电流环误差信号。
假定轻载启动，，则id逐渐增大，ei恒为负。由式(3)可知，此阶段uod为负。设电流环PI调节器输出参考电压矢量在d轴上投影的最大值为Umax，则ud与uod的关系为：

Udc在启动瞬间可近似为恒定，则uod与ud成线性关系，其比例系数为。此时ed为正常数，根据式(2)～(4)，ud为负值，ud-ed的绝对值很大，id快速下降。在id从零降到的过程中，ud的值取决于电流环PI调节器中kp2，ki2的大小关系，且保持为负值。当id=时，ei=0，若此时ud仍未达到ed，id将继续下降并超过，直到ud=ed时，id达到峰值。此后ud会超过ed，根据式(1)可知，此时id开始上升，并达到。之后，直流侧电压逐渐达到稳态，过程如图3所示。为方便观察，图中有功电流及其给定均用绝对值表示。Idsat为电流环给定饱和值，I0为有功电流初始值，Ipeak为有功电流峰值。

可见，kp1，ki1对启动冲击影响有限，kP2，ki2对启动冲击具有较大影响，为简化公式，用kp和ki替代kp2和ki2。由于采用数字控制器，故各状态方程均为离散，列写系统差分方程，可求得冲击电流峰值：


4 启动冲击的抑制方法
图4示出三相整流器系统框图。其中，GPI(s)为电流环PI调节器传递函数，其表达式为：
GPI(s)=kp+ki／s (6)
1／(Ts+1)为采样延迟，整流器传递函数为：
GPWM(s)=kPWM／(0．5Ts+1) (7)
GLCL(s)为LCL滤波器传递函数，由于启动冲击为低频响应，LCL滤波器可等效为单L滤波器，故低频下GLCL(s)满足：
GLCL(s)=1／(R+LsS) (8)
式中：Ls=Lg+Lt。

启动冲击是由负常量ed和动态响应超调量两部分引起的电流冲击共同组成，故可在电流环中加入前馈量ed和第一个采样周期的比例输出，并引入高通滤波负反馈法来分别解决这两部分冲击，则此时电流环PI调节器输出初始值为：

可见，kp，kPWM下降均会导致超调量上升。当系统稳定工作时，由于直流侧为阻容放电回路，稳态加载时直流侧电压变化较慢，每个采样周期电流环给定值增量较小，冲击较低，PI参数取值范围较宽，所以设计参数时为保证带LCL滤波器的整流器不发生谐振并尽量降低损耗，PI调节器的kp往往取值较小。但整流器启动时直流侧电压远低于稳态时直流电压，电流环给定为阶跃饱和信号，且此时kPWM下降，超调量大幅上升。因此可在电流内环中加入高通滤波负反馈环节，则改进后的电流内环控制回路如图5所示。

其开环、闭环传递函数分别为：

相对于普通的基准斜坡缓起控制方法，电网电压初值前馈法无需进行PI参数的切换，提高了系统的稳定性和可靠性。

5 仿真和实验验证
基于上述分析，搭建基于Matlab／Simulink的18 kW三相整流器仿真模型，直流侧额定工作电压700 V，交流电网电压220 V／380 V／50 Hz，交流侧滤波电感分别为1．8 mH和1．2 mH，输出滤波电容20μF，开关频率5kHz。启动时id动态响应如图6a所示，调节时间约为0．03s。