基于LCL滤波器的PWM整流器的数字控制研究

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PWM整流器具有实现能量在负载和电网之间双向流动、实现功率因素可调、输出电压稳态和动态特性好、电流动态响应快等优点,因此广泛应用于新能源和电机拖动等领域。LCL滤波器在谐振频率以上有-60dB的衰减,可以用较小的电感量达到与单L滤波器同样的滤波效果。有源阻尼是利用控制算法来抑制LCL的谐振,其中电容电流反馈有源阻尼因为简单实用而得到了广泛的应用。因为数字处理器需要一定的时间运行程序,所以会在数字控制系统中引入一个采样周期的数字控制延时,这个延时对系统稳定性和电容电流反馈有源阻尼效果都有很大的影响。直接电流控制因为有很好的动态响应特性,广泛应用于PWM整流器的控制中。  本文通过将采样点移动到尽可能靠近 PWM更新点的方式来减小数字控制延时。通过减小数字控制延时,增大了系统稳定裕度,提高了系统阻尼系数。而且数字控制延时越小,系统阻尼系数越大。另外,电感上寄生电阻对谐振也有一定的抑制作用。  本文通过取电网侧电流和变换器侧电流进行部分状态反馈,增加了控制自由度,进而增加系统稳定裕度,提高系统阻尼系数。这种方法不需要增加硬件,实现起来非常简单。将期望特征方程与实际特征方程进行比较系数,利用线性代数理论可以求出反馈矩阵系数。与传统电容电流反馈有源阻尼相比,部分状态反馈有更大的稳定裕度和系统阻尼系数。通过部分状态反馈可以将谐振极点配置到远离主导极点的位置,这样可以在设计控制器时忽略谐振极点,对被控对象进行降阶,简化控制器设计。在电网电抗比较大的情况下,部分状态反馈有源阻尼仍然可以正常工作,有很好的阻尼效果。  本文利用MATLAB辅助设计,大大简化了控制器的设计过程,而且能非常方便的调整系统带宽和相角裕度。利用负载电流前馈策略可以提高电压环在负载突变时的动态响应。  以上的理论分析均在300 kVA的PWM整流器上进行了仿真和实验验证,理论与实验结果相符。
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