第55卷第1期2021年1月
电力电子技术
Power Electronics
石榴套袋技术Vol.55,No.l
January2021一种提高电网适应性的前馈加权滤波控制策略 盛虎郭建鑫1.2，方飞1.2
(1.深圳麦格米特电气股份有限公司，广东深圳518057；
2.西安麦格米特电气有限公司，陕西西安710075)
摘要：为了提高三相Vienna整流器在不同电网条件下的适应性，在此提出前馈加权滤波的控制策略。该控制策略的电网电压前馈由实时值和滤波值两部分组成，通过选取合适的加权系数兼顾抑制电网背景谐波和提髙弱电网适应性。首先建立了弱电网下Vienna整流器的数学模型，其次利用系统开环传递函数波特图和根轨迹对比分析了弱电网下直接前馈控制、前馈低通滤波、前馈加权滤波的控制性能，得岀前馈 加权滤波具有更好的电网适应性，最后搭建20kW充电模块实验平台，实验结果证明了该控制策略的可行性与正确性。
关键词：整流器；弱电网；电网电压前馈；加权滤波
中图分类号:TM461文献标识码：A文章编号:1000-100X(2021)01-0049-04
A Strategy of Feedforward Weighted Filtering Control for
Improving Grid Adaptability
SHENG Hu12,GUO Jian-xin12,FANG Fei12
(1.Shenzhen Megmeet Electric Co.,Ltd.,Shenzhen518057,China)
Abstract:In order to improve the grid adaptability of three-phase Vienna rectifiers,a feedforward weighted filtering control strategy is proposed.The grid voltage feedforward of this control strategy consists of real-time and filtering values,by selecting appropriate weighting coefficients.Take into account the suppression of background harmonics of the power grid and improve the adaptability of weak grids.Firstly,the mathematical model of Vienna rectifier under weak grid is established.Secondl
y,the control performance of direct feedforward control,feedforward low-pass filtering, and feedforward weighted filtering under weak grid is compared and analyzed using the system open-loop transfer function Bode diagram and root locus.The feedforward weighted filtering has better grid adaptability.Finally,a20kW charging module experimental platform is built.The experimental results prove the feasibility and correctness of the control strategy.
Keywords:rectifier；weak grid；grid voltage feedforward；weighted filtering
Foundation Project:Supported by Shaanxi Provincial Key New Product Development Project
(No.(MR750-40)-(2017-197))
1引言
近年来，新能源电动汽车产业的飞速发展使得动力电池充电装置成为研究热点，三相三电平Vienna整流器具有功率因数高、输入电流总谐波畸变率低、可靠性高、成本低等优点E，作为充电桩电源整流部分拓扑具有明显优势。由于配电网中存在大量的非线性负载，使得配电网中含有背景谐波，电网电压前馈策略可以有效抑制电网背景谐波对整流器输入电流的影响，增强整流器抗
基金项目：陕西省重点新产晶开发项目
（MR750-40）-（2017-197号）
定稿日期:2020-05-28
作者简介：盛虎（1986-），男，陕西西安人，硕士研究生，工程师，研究方向为电力电子装置的数字化控制技术。电网扰动的能力，提高输入电流质量，在整流器控制中广泛应用。同时，由于配电侧大量变压装置存在以及长距离传输线等影响，整流器的输入源呈现弱电网特性，在弱电网下，电网电压前馈控制会造成整流器的系统（输入电流）带宽下降，影响其控制稳定性3）。
已有文献从不同角度对电网阻抗变化和电网电压前馈控制耦合引起系统鲁棒稳定性问题进行了研究。文献［4］分析了前馈补偿对并网逆变器在弱电网下稳定性的影响，指出弱电网下前馈补偿将会引入电流的正反馈通路，进而导致系统不稳定。文献［5］提出谐振前馈控制策略，通过对前馈电压进行选频处理，降低电网阻抗在谐振频率处的幅值影响，从而提高弱电网下系统的稳定性，但该方法对电网基波以外的其他谐波成分起抑制作
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第55卷第1期2021年1月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.55,No.l
January2021
用，因此必然会导致前馈对电网背景谐波的抑制能力降低同。文献［7］提出前馈加带通滤波器控制策略，在前馈通道引入带通滤波环节对基波以外的信号进行幅值衰减，实现增益镇定，进而提高弱电网适应性。文献［8］针对LCL滤波器提出了利用二阶广义积分器(SOGI)的陷波前馈控制策略来提高并网逆变器对电网阻抗的适应能力。
在上述研究的基础上，为了解决电网阻抗变化较大时传统直接电网电压前馈对系统鲁棒稳定性差的问题，提出了基于前馈加权滤波的控制策略。该控制策略电网电压前馈由实时值和滤波值两部分组成，通过选取合适的加权系数兼顾抑制电网背景谐波和提高弱电网适应性。
2三相Vienna整流器数学模型
图1为三相Vienna整流器的拓扑结构，主电路由功率开关管V D,~VD6和开关管V交流侧滤波电感厶和滤波电容C、直流侧电容G和C2构成。心为阻尼电阻；厶2为共模电感漏感，备~ e”为三相电网电压；人和亿为电网阻抗Zg,Zg=心+心，"8~"咤为公共耦合点(PCC)电压，殆~殆为输入三相电流；为整流器
输出电压。
图1Vienna整流器拓扑结构
Fig.1Topological structure of Vienna rectifier
图1中电流控制器釆用电压前馈策略。图2为采用电网电压直接前馈的电流环控制框图。
K叭为整流器增益，通常取l o
图2电网电压直接前馈的电流环控制框图
Fig.2Direct feedforward control block diagram of current loop 图2中G(s)为PI调节器，即：
G：(s)=知+民/s(1)式中：i P,4，分别为电流环比例系数和积分系数。
Gds)为控制器采样和控制延时环节，设采样和控制周期为7；，则：
Gd(s)=e"g~i/(1+1.57>)(2)由图2可知订到i”的开环传递函数为：
G°(s)=Gj(s)Gd(s){(L^s+Z g)［1+£!Cs2/
(1+RjCs)］+Z,|S-ZgGd(s)«砂}(3)此处所用实验样机的参数为：电网电压380V，额定功率代=20kW，釆样频率f=25kHz, L i=0.18mH,C=13.8p,F,£2=5|1H,/?d=300mil,k p= 2.4,k,=96o
3前馈控制对电网适应性的影响
电压前馈一方面可有效抑制电网电压中的背景谐波对输入电流的影响，提髙电流质量；另一方面在Z&M0时，电压前馈会额外引入一条输入电流正反馈回路，使系统的稳定裕度大幅下降，使得系统对电网阻抗的鲁棒稳定性降低。
3.1直接前馈对电网适应性机理分析
由图2可以得到如图3所示的等效控制框图，由于Z&中心有利于系统稳定，人不利于系统稳定，所以只考虑人对系统稳定性的影响。
Fig.3Direct feedforward control equivalent block diagram
根据实验样机参数，图4a,b为无前馈和电压直接前馈人分别为0mH(即理想电网)，1mH,2mH 时，系统的开环幅频特性。
/ZHz
(a)无前馈控制
图4系统波特图
Fig.4Bode diagram of system
102104I06
y?Hz
(b)电压直接前馈控制
弧形门由图4a可见，无电网电压前馈时，随着电网阻抗的增大，系统的相位裕度下降很小，说明系统对电网的适应性较好；但系统的低频增益随着么的增大而显著下降，说明系统对基波的跟踪能力和对电网谐波电压的抑制能力较差。图4b表明，在引入电压直接前馈控制后，耳对系统在低频段的增益影响很小，说明系统对基波的跟踪能力和
50
一种提高电网适应性的前馈加权滤波控制策略
对电网谐波电压的抑制能力较好；然而随着心逐 渐增大，相位裕量从理想电网的57。降到14。和
10%由此可见，采用电压直接前馈控制后，提高了 对电网谐波电压的抑制能力，但也降低了系统对 弱电网的适应性。
3.2滤波前馈对电网适应性机理分析
通过给电压前馈支路增加低通滤波环节可以
提高系统的相位裕度。采用电网电压滤波前馈的
电流环控制框图如图5所示，其中G(s)为一阶低
通滤波器：
G 『(s ) = 1/(1+ts )
(4)
式中:7=1/(2-^),/，为一阶低通滤波器的截止频率。
策略实现简便，兼顾电压直接前馈控制对电网背
景谐波适应性以及电压滤波前馈控制对弱电网稳
定性的提升，图7为电压加权滤波前馈控制的电 流环控制框图，其中为加权系数。
eg
|1/(厶2$+石7
图7电压加权滤波前馈控制框图
Fig. 7 Voltage weighted filter feedforward control block diagram
卜£
图5滤波前馈的电流环控制框图
Fig. 5 Filter feedforward control block diagram of current loop
由图5可知到的开环传递函数为：
G°(s )=G(s )G(s 圧呗/{ (Z ”+“)[1+厶C s2/
(1 +R<iCs )]+厶[S-ZgGr(s )Gd(s [K pwm } (5)
取厶=lmH，图 6 为办为 30Hz, 100Hz,3000Hz
时，电压直接前馈和滤波前馈的对比图。从图中可
以看出，直接前馈的控制带宽为940 Hz，相位裕度
为13。，滤波前馈的相位裕度分别为77°,68°, 19。。滤波前馈以减小部分系统低频段的相位裕度 来提高中频段的相位裕度，选择合适的/>，可以兼
容中低频相位裕度，提高系统稳定性。
200
0-200-135-225315 I
102 I04
刃Hz
图6电压直接前馈和滤波前馈波特图
Fig. 6 Voltage direct feedforward and filter control Bode diagram
然而，由于滤波前馈降低了电流环的控制带
宽及开环增益，因此，电压滤波前馈会降低系统对 电网背景谐波的抑制能力。除此之外，随着的持
续增大，对提高中频段相位裕度的作用越来越小, 故办选为50 Hz 。
4前馈加权滤波控制策略
4.1基于开环传递函数的稳定性分析
基于上述分析，所提出的前馈加权滤波控制
录播服务m i s
(。§疋
./0=3 000 H z 『［接前馈
I Hz)X19°.7r%Hz)(68：335 Hz)
Z»f30Hz
340 Hz)
由图7可知汗到i *的开环传递函数为： 6攵)=6心疋山圧叭/{(母+")[1+/<；心2/(1 +
RdCs ) ]+"-ZJKNGf (s ) -1 ]+1}Gd (s )«叭} (6)
图 8a 为&为 0.3,L g 分别为 0 mH,1 mH,2mH 时，采用电压加权滤波前馈控制时的开环传递函
数波特图。与图4a 对比，可以看出，采用电压加权
滤波前馈控制，人分别为0mH,l mH,2m H 时，相
md2.pub
位裕度分别为54。，61。，54。，相位裕度得到很大提 升，系统的稳定性得到明显提高。相对于电压滤波 前馈控制，电压加权滤波控制略微降低系统的稳
定裕度，但仍满足相位裕度45。~60。的要求。
图8b 给出L=1 mH,>o=5O Hz，在不同K 『时, 电压加权滤波前馈控制的开环传递函数波特图。
由图可见，分别为0,0.1,0.3,0.5，可以看出随
着的增大，相位裕度由13。变为52。。相对于电 压滤波前馈，电压前馈加权滤波提高了系统的带
宽和低频增益。
o o -2T
2000-200
-135-225-315
中央空调通风管道102 104
."Hz
(a)不商电网阻抗
o
IO 2 I04 500
/7Hz
(b)不同加权系数
• Kf 厶.5恳训
|£^0.1
rw 尊：兀一
T T T
e s s C E S I 700 900 I 100
"Hz
(c)中住频放大图
三?拿弟乞0.1.Kf 匚0.3
0.5
757770?^
Hz)
图8不同人,&的波特图
Fig. 8 Bode diagrams of different Q,
4.2基于根轨迹的闭环传递函数稳定性分析
为了对含有前馈控制时，系统对电网阻抗的
适应性进行具体分析，图9a 给出了采用直接电压
51
前馈控制下，随着人变化时系统的闭环根轨迹图。由图可见，随着人的增大，2对共辘极点以及1个实轴极点向s右半平面移动，当£6=2.7mH, 1对共轨极点穿越虚轴，进入s右半平面，系统进入不稳定状态。图9b给出了K『=0.3时,/)=50Hz，采用前馈加权滤波电压控制下，随着L g变化时系统的闭环根轨迹图。
(a)电压直接前馈控制下(b)电压加权滤波前馈控制下
图9电网阻抗变化时系统的根轨迹
Fig.9Root loci with grid impedances variation
图10为虚轴附近局部放大图。
图10虚轴附近局部放大图
Fig.10Enlarged image near the imaginary axis
从图10中可以看出，随着厶g的增大，1对共轨极点和1个实轴极点向S左半平面移动，1对共辄极点和一个实轴极点向s右半平面移动，当厶产13.3mH，其穿越虚轴，进入s右半平面，系统进入不稳定状态。对比图8可以看出，采用前馈加权滤波算法时，同样的控制参数，系统对弱电网的适应性得到很大提升。
5实验
为了验证理论分析的正确性以及所提控制策略的可行性和有效性，根据实验平台参数，搭建了一台20kW的充电桩模块验证平台，充电桩模块主控芯片釆用TMS320F28062型DSP。采用Chroma61860交流电源设置特殊波，验证电网背景谐波适应能力，在此选取谐波含量很高的阶梯波来验证，验证弱电网通过给市电串联1.2mH三相工频电感器。加权滤波算法中，低通滤波的截止频率/)=50Hz。图11为输入源为阶梯波时，不同&值的输入电流波形。从图中可知，当K『=l时，即采用前馈全滤波控制时，对电网背景谐波的适应能力很差，在输入电压阶跃跳变时，电流尖刺超过50A，很容易触发输入电流过流保护。而随着
逐渐减小，即滤波作用减小，背景谐波的适应能力在增强，电流尖刺降到10A以下，验证了第4节&对电网背景谐波适应性的结论。
S/A00C?
//(10ms/格)
(a)Kf=l
(
建
a
(
嬰
v
o
1)2
〃(10ms/格)
(b)/Q=0.3
(
萝
Ooe)/M
(
養
v
o
w
/
/(10ms/格)
(c)Kf=0
图11阶梯波实验波形
Fig.11Ladder wave experimental waveforms 图12为市电串联1.2mH电感模拟弱电网，不同K『值的输入电流波形。由图可知，当K「=0.01时，即采用直接前馈控制时，对弱电网的适应能力很差，输入电流出现明显的振荡。而随着K『逐渐增大，即滤波作用增大，弱电网的适应能力在增强，当K『=l，即前馈全滤波时，输入电流已看不出振荡，验证了第4节对弱电网适应性的结论。
(
萝
蒙
(
進
V
一)
、
g
〃(】0ms/格)
(a)Kf=0
(
豹
、
A
等
£
、<
-
)
4
//(10ms/格)
(b)Kf=0.3
f/(10ms/格)
(c)Kf=l
£
、V
O
I
)
二
图12弱电网实验波形
Fig.12Weak grid experimental waveforms
由图11,12可以看出，为了兼顾对电网背景谐波和弱电网的适应能力，&选取0.3比较合适，这也验证了前馈加权滤波控制策略的正确性。
6结论
首先建立弱电网下Vienna整流器的数学模型，分析了电网阻抗对系统相位裕度(下转第56页)
52
由图可见，所提考虑累计调节量同期策略可 实现VSG 并联同期时因部分VSG 掉线恢复后的
均匀出力。图7为同期过程中并网开关两侧的电
压和VSG 总输出电流i 。，其中图7a 为总体过程,
图7b 为同期过程并网前局部细节图。可见，同期 过程中微网电压知与电网电压叫逐步逼近重合, 图7c 为并网时刻局部细节图。可见，并网时刻，微
网电压与电网电压已经重合，此时开关闭合，VSG 电流略有过冲并逐步回落至后台给定指令值。整
usb转音频个同期过程平滑且未出现大电流冲击。由图7可 见，所提方法可实现多VSG 并联准同期并网。
(耀A 00等
(枣 V 00
一
)=//(50 ms/格)
(a)同期并网过程
(萝
00z)=
(建 <001)=
//(10 ms/格)(b)并网前局部
(萝00等
垂 V 00
一)、-//(10 ms/格)
(c)并网时刻局部
图7 开关两侧电压及电流波形
Fig. 7 Voltage and current waveforms on both sides of switch
5结论
针对实际工程中多机并联的虚拟同步机同期
时部分机器掉线恢复后无法均匀出力的工况，这
里提出了一种考虑累计调节量的虚拟同步机准同
期方法，其参考整个同期过程的累计调节量，计算
得出此次调节步长并与当前的同期指令进行综合 判断，最终得出调节方向。实验结果表明该方法可
满足当前时刻同期调节量的同时兼顾考虑实现该
机与整个同期过程的出力差距，最终实现各机均
匀出力，完成准同期并网。
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(上接第52页)的影响。针对传统电压直接前馈对
系统电网阻抗适应性较低的问题，提出了基于电 压前馈加权滤波控制策略，并采用系统开环传递
函数波特图和根轨迹分析了该策略优缺点。理论
分析和实验结果都证明，电压前馈加权滤波控制
可以有效地兼容整流器对电网背景谐波的抑制和 弱电网的适应性，实现方法简单，具有较高的工程 应用价值。
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