三相電壓型PWM整流器新型雙閉環(huán)控制策略研究

任科明　黃輝先　胡超

摘 要： 針對三相電壓型PWM整流器交流側(cè)電感值實際控制系統(tǒng)中存在誤差，往往忽略掉耦合項，以及系統(tǒng)參數(shù)變化影響整流器的動、靜態(tài)性能等問題，提出了一種新型的雙閉環(huán)控制策略。其中電流內(nèi)環(huán)采用同步旋轉(zhuǎn)d?q坐標(biāo)系下無電感L參數(shù)的解耦控制與內(nèi)?？刂葡嘟Y(jié)合的方法，電壓外環(huán)采用滑?？刂?，在Matlab中利用Simulink工具箱搭建三相電壓型PWM整流器數(shù)值仿真數(shù)學(xué)模型，數(shù)值仿真結(jié)果表明系統(tǒng)仍獲得了較好的動、靜態(tài)性能，魯棒性強。并通過實驗平臺驗證該控制策略的正確性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： PWM整流器； 無電感值控制系統(tǒng)； 內(nèi)?？刂疲↖MC）； 滑模控制

中圖分類號： TN35?34； TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0115?05

Abstract： A novel dual closed?loop control strategy is proposed in view of the problems that AC inductance value of the three?phase voltage?source PWM rectifier exists error and often ignores the coupling term in the actual control system， and the change of system parameters affects the dynamic and static performance. The hybrid mode of decoupling current control without exact value of the boost inductor in d?q synchronous frame and internal model control is adopted in the current inner loop. The sliding mode control is adopted in the voltage outer loop. The three?phase voltage?source PWM rectifier simulation model is build with Simulink toolbox in Matlab. The simulation results show that system can still obtain the excellent dynamic and static performance. And the system robustness is strong. The validity and superiority of the proposed control scheme were verified by experimental results of the physical platform.

Keywords： PWM rectifier； no inductance value control system； internal model control； slide mode control

0 引 言

三相電壓型 PWM整流器具有網(wǎng)側(cè)電流諧波小、雙向電能傳輸?shù)葍?yōu)勢[1]，已成為近年來一大研究熱點。內(nèi)?？刂启敯粜詮?，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)受干擾時，仍能獲得優(yōu)良的電流跟隨性能和很好的動態(tài)效果，控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，且結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，已在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。

早期的控制方案以三相[a?b?c]靜止坐標(biāo)系模型為基礎(chǔ)，主要采用滯環(huán)控制[2]、預(yù)測電流控制[3]、自適應(yīng)控制[4]和相位幅值控制[5]等方法，采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對電壓和電流的控制，但常規(guī)PI調(diào)節(jié)器存在穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能、快速性與超調(diào)量等方面的矛盾，難以得到很好的解決，往往造成實際應(yīng)用中PI參數(shù)的整定困難[6?7]。近年來提出了內(nèi)?？刂芠8]以改進(jìn)控制性能，已在工程中得到成功的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]提出一種在同步旋轉(zhuǎn)d?q坐標(biāo)系下基于無電感L參數(shù)的電流解耦控制的方法，解決了工程中制作電感時工藝存在差異，電感參數(shù)值發(fā)生變化等問題，但這種新的方法仍然難以保持系統(tǒng)良好的動態(tài)性。文獻(xiàn)[10]提出了電流內(nèi)環(huán)在[αβ]靜止坐標(biāo)系下采用內(nèi)模控制，實現(xiàn)了電流的無靜差跟蹤控制。文獻(xiàn)[11]電壓外環(huán)采用滑模控制方法，該方法對模型偏差、控制對象參數(shù)改變以及外部擾動具有較強的不敏感性。

在學(xué)者研究的基礎(chǔ)之上，本文提出了將無電感[L]參數(shù)的電流解耦控制和內(nèi)?？刂葡嘟Y(jié)合設(shè)計了一種新的電流內(nèi)環(huán)控制器，并建立了數(shù)學(xué)模型。為了驗證方法的準(zhǔn)確性和優(yōu)越性，進(jìn)行了數(shù)值仿真和實物平臺驗證。

1 PWM整流器的dq數(shù)學(xué)模型

圖1為電壓型 PWM整流器（VSR）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。如圖所示[ea，][eb，][ec]為交流側(cè)三相電壓；[ia，][ib，][ic]為交流側(cè)三相電流；[udc]為直流側(cè)電壓；[iL]為負(fù)載電流。

2 電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計

三相電壓型PWM整流器必須對指令電流進(jìn)行無靜差跟蹤控制，本文首先在d?q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中采用無電感值[L]參數(shù)的電流解耦控制[9]，使得解耦控制在電感值[L]的變化時電流內(nèi)環(huán)也能完全解耦，然后在兩相[αβ]靜止坐標(biāo)系中采用內(nèi)?？刂芠10]，使得系統(tǒng)參數(shù)變化時能獲得很好的動態(tài)效果和優(yōu)良的電流跟隨性能。

2.1 無電感值[L]解耦控制

2.2 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計

在[αβ]坐標(biāo)系中，電流內(nèi)環(huán)控制過程中的指令信號為正弦波信號[iαβ=Iαβmsin（ω0t+φαβ）]，是以基波角頻率[ω0]形式變化的，顯然在[αβ]靜止坐標(biāo)系中采用比例或者傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器，無法實現(xiàn)對[iαβ]的無靜差跟蹤控制。于是采用內(nèi)?？刂苼碚{(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)，圖3表示為電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)圖。

4 數(shù)值仿真驗證

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

在Matlab/Simulink工具箱中搭建仿真平臺，對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：工頻380 V三相正弦輸入，輸出直流電壓700 V，單位功率因數(shù)運行。額定功率12 kW，直流側(cè)電容3 400 μF，線路等效阻抗0.075 Ω，輸入電感4 mH。

4.2 仿真波形及分析

4.2.1 系統(tǒng)啟動響應(yīng)

系統(tǒng)啟動波形圖響應(yīng)如圖5所示。由圖5（a）和圖5（b）可以得出直流電壓響應(yīng)速度快（0.014 s），無超調(diào)，無穩(wěn)態(tài)誤差；輸入電流為平穩(wěn)正弦，且與電壓相位保持一致。

4.2.2 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖6為負(fù)載突變情形下的直流電壓及a相電流、電壓波形圖。系統(tǒng)啟動時負(fù)載為12 kW，在0.05 s時負(fù)載突減到6 kW，直流電壓跌落至699.5 V，經(jīng)0.006 s即恢復(fù)至穩(wěn)定值，輸出電壓無穩(wěn)態(tài)誤差；在0.2 s時負(fù)載從6 kW突加到12 kW，直流電壓上升到701.5 V，經(jīng)0.008 s即恢復(fù)至穩(wěn)定值。

4.2.3 電感參數(shù)變化下動態(tài)響應(yīng)

實際系統(tǒng)運行過程，電感參數(shù)會存在一定的漂移，本文考察了電感參數(shù)偏移時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。圖7為系統(tǒng)電感參數(shù)突變時直流電壓和a相電流波形。在0.06 s時，電感由4 mH突變?yōu)?0 mH。當(dāng)電感突變時，直流輸出電壓有微小抖動，約0.006 s后恢復(fù)至穩(wěn)定值，突變時相電流[ia]也有微小抖動，約0.008 s恢復(fù)至穩(wěn)定值，對系統(tǒng)無影響。

5 實驗驗證結(jié)果

前述理論分析中獲得了比較好的仿真效果，搭建了2 kW小功率樣機對該方法進(jìn)行實物驗證。經(jīng)過三相調(diào)壓器將三相工頻輸入380 V調(diào)到43.3 V，相電壓有效值為25 V，輸出直流電壓設(shè)定值60 V，輸入電感為4 mH，直流側(cè)電容為3 400 μF?？刂葡到y(tǒng)DSP采用TMS320F2812，其時鐘頻率為150 MHz，如圖8所示。

采用泰克示波器和高壓筆采樣波形，其中高壓筆可以有效地將示波器和信號調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行隔離，可以實時采取波形，并可以對波形進(jìn)行任意衰減。

從實驗波形可以看出，電流波形正弦化，功率因數(shù)接近為1，直流電壓穩(wěn)定在60 V。在負(fù)載突變情況下，直流電壓基本保持恒定，獲得了滿意的動態(tài)性能。

6 結(jié) 語

本文把內(nèi)?？刂茟?yīng)用到三相電壓型PWM整流器的電流跟蹤控制中，實現(xiàn)了三相電壓型PWM整流器對正弦交流信號的無差跟蹤控制，并且在d?q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，實現(xiàn)了電流內(nèi)環(huán)無電感L參數(shù)電流解耦控制，仿真實驗時，電流內(nèi)環(huán)控制采用文中所述的新方法，仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)啟動快，輸出直流電壓無超調(diào)；穩(wěn)定運行時，輸出直流電壓無穩(wěn)態(tài)誤差，電流畸變率小，單位功率因數(shù)；對負(fù)載的擾動和電感參數(shù)攝動魯棒性強。同時，本文所提控制算法在實物平臺上得到了很好的驗證。

參考文獻(xiàn)

[1] EUGENIO W， ATSUO K. A high frequency AC/DC converter with unity power factor and minimum harmonic distortion [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1991， 6（3）： 364?370.

[2] GREEN A W， BOUS J T. Hysteresis current?forced three?phase voltage sourced reversible rectifier [J]. IEEE Journal， Part B， 1989， 136（3）： 113?120.

[3] WU R， SHASHI B D， GORDON R S. Analysis of a PWM AC to DC voltage source converter under the predicted current control with a fixed switching frequency [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1991， 27（4）： 756?764.

[4] 周鑫，郭源博，張曉華，等.基于自適應(yīng)跟蹤控制的三相電壓型PWM整流器[J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（27）：76?82.

[5] 王英，張純江，陳輝明.三相PWM整流器新型相位幅值控制數(shù)學(xué)模型及其控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2003，23（11）：85?89.

[6] VLADIMIR B， VIKRAM K. A new mathematical model and control of a three?phase AC?DC voltage source converter [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（1）： 116?113.

[7] 蘇玉鑫，段寶巖.一種新型非線性PID控制器[J].控制與決策，2003，18（1）：126?128.

[8] 宋文祥，尹赟.一種基于內(nèi)?？刂频娜嚯妷盒蚉WM整流器控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（12）：94?101.

[9] 王恩德，黃聲華.三相電壓型PWM整流的新型雙閉環(huán)控制策 略[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（15）：24?30.

[10] 張興，季建強，張崇巍，等.基于內(nèi)?？刂频娜嚯妷盒蚉WM整流器不平衡控制策略研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（13）：50?56.

[11] 帥定新，謝運詳，王曉剛.三相PWM整流器混合非線性控制研究[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29（12）：30?35.

[12] 黃凱征，汪萬偉，王旭.基于滑?？刂频腜WM整流器建模與仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：18?22.

[13] 趙葵銀.PWM整流器的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（7）：49?53.

[14] 陳瑤，金新民，童亦斌.基于滑?？刂频娜嚯妷盒蚉WM整流器系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（8）：1849?1852.

[15] 陳耀軍，鐘炎平.基于合成矢量的電壓型PWM整流器電流控制研究[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26（2）：143?148.

[16] 郎永強，徐殿國，HADIANAMREI S R，等.三相電壓型PWM整流器的一種改進(jìn)型前饋控制策略[J].電機與控制學(xué)報，2006，10（2）：160?170.