基于功率控制的三相電壓型PWM整流器控制器設(shè)計(jì)

黃輝先　龐達(dá)凌　周鵬　羅骎

摘要：提出基于功率控制的三相電壓型PWM（pulse width modulation）整流器控制器設(shè)計(jì)方法。根據(jù)能量守恒原理建立的VSR（voltage source rectifier）數(shù)學(xué)模型可通過(guò)忽略回路電阻及電感充放電所消耗的能量等效成線(xiàn)性定常系統(tǒng)。系統(tǒng)外環(huán)采用電容儲(chǔ)能控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制，同時(shí)引入直流負(fù)載功率補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容儲(chǔ)能變化率的直接控制。電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦PI（proportionalintegral）控制，將內(nèi)環(huán)等效成一階慣性環(huán)節(jié)。電容儲(chǔ)能外環(huán)采用PI控制，利用代數(shù)分析及根軌跡分析，提出外環(huán)PI參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。VSR系統(tǒng)整體等效為二階系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：本文所提出的控制器設(shè)計(jì)方法能使得VSR達(dá)到優(yōu)異的性能。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；功率控制；電容儲(chǔ)能；功率補(bǔ)償；控制器設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper presented the controller design for threephase voltage source PWM rectifier based on power control. The mathematical model of VSR was established in accordance with principle of conservation of energy， and it can be equivalent to linear time-invariant system by omitting loop resistances energy and the energy consumed by charging and discharging of inductors. Capacitiveenergystorage control was adopted in outer loop of the system， and a current control in the inner loop. Meanwhile， power compensation of DCload was also used to control the change rate of capacitor energy storage directly. In the inner loop， feed forward decoupling control method with PI regulator was used to make the loop equivalent to a firstorder inertial element. PI control was adopted in the outer loop， and algebraic analysis and root locus analysis were used to provide PI parametric design method. The whole VSR system is equivalent to a secondorder system， and the simulation results show that the controller design method proposed can bring VSR an excellent performance.

Key words：PWM rectifier； power control； capacitance energy storage； power compensation； controller design

1引言

整流器是一類(lèi)重要電力電子變流裝置，與傳統(tǒng)相控型整流器相比，PWM整流器能提供高質(zhì)量的直流電源，僅產(chǎn)生易于濾除的高次諧波，并能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外同行提出了多種控制方案，主要集中于兩類(lèi)，即直接功率控制[2-4]和基于電流電壓雙閉環(huán)的矢量控制[1]。但直接功率控制和矢量控制的關(guān)鍵區(qū)別在于功率控制的實(shí)現(xiàn)。矢量控制通過(guò)調(diào)節(jié)電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)有功和無(wú)功。而直接功率控制通過(guò)選擇整流橋開(kāi)關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)有功無(wú)功的直接控制。這些都是針對(duì)內(nèi)環(huán)的控制方案。文獻(xiàn)[1]提出了VSR數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)，即采用電壓平方代替原有的電壓，但僅用很少量篇幅，也沒(méi)有指明電壓平方的物理意義。文獻(xiàn)[4]采用電壓平方作為系統(tǒng)外環(huán)的控制目標(biāo)，但是文獻(xiàn)[4]的主要研究?jī)?nèi)容是電流內(nèi)環(huán)。

姜衛(wèi)東等學(xué)者提出了直流負(fù)載反饋和負(fù)載功率前饋的控制策略[5，6]，本文稱(chēng)之為功率控制。文獻(xiàn)[5]主要應(yīng)用于DC/DC的boost變換器。文獻(xiàn)[6]主要應(yīng)用于AC/DC的boost變換器，即本文所述的PWM整流器。文獻(xiàn)[5]、[6]思路一致，僅應(yīng)用對(duì)象不同。文獻(xiàn)[5]、[6]并沒(méi)有詳細(xì)敘述控制器的設(shè)計(jì)方法，僅參考文獻(xiàn)[2]的方法，將VSR系統(tǒng)設(shè)計(jì)成Ⅱ型系統(tǒng)，且敘述篇幅少。并且，所提出的通過(guò)忽略電阻消耗功率和電感儲(chǔ)能吸收功率來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，其合理性，并沒(méi)有驗(yàn)證。

本文將VSR系統(tǒng)設(shè)計(jì)成二階系統(tǒng)，因?yàn)閷?duì)二階系統(tǒng)性能的研究最為簡(jiǎn)便。

2三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

其中ea、eb、ec為互差120deg的三相交流電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic為三相交流側(cè)電流，va、vb、vc為整流器三相交流側(cè)電壓，R為交流等效電阻、L為交流電感、udc為直流側(cè)電壓，idc為負(fù)載電流，RL為負(fù)載電阻，C為直流電容，sa、sb、sc為整流橋開(kāi)關(guān)函數(shù)。

5數(shù)字仿真

前文討論了基于功率控制的VSR控制策略及控制器的設(shè)計(jì)，在控制器設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化了VSR數(shù)學(xué)模型?；贛ATLAB平臺(tái)，數(shù)字仿真分為兩部分：1. 利用POWER SYSTEM工具箱進(jìn)行電力電子系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證控制策略的有效性；2.對(duì)VSR簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行基于傳遞函數(shù)的數(shù)字仿真，并與電力電子系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型簡(jiǎn)化的合理性。

5.1電力電子系統(tǒng)仿真

利用MATLAB平臺(tái)POWER SYSTEM工具箱進(jìn)行10kW電力電子系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。主要仿真參數(shù)為：

直流電壓UDC=700 V；電網(wǎng)電壓EN=220 V；

交流電流最大值（峰值）IACmax =idmax =30 A；

交流電感L=4 mH；交流電阻R=0.15 Ω；

直流電容C=2350 uF；負(fù)載電阻RL=49 Ω。

傳感器采樣周期Ts=（1/18000） s；

電容儲(chǔ)能外環(huán)參數(shù)：KQCP=960KQCI=96；

電流內(nèi)環(huán)參數(shù)：KiP=24KiI=900；

由上圖可知，基于傳遞函數(shù)的數(shù)字仿真與電力電子系統(tǒng)仿真波形非常接近，由計(jì)算得到，誤差小于5%。兩次仿真的結(jié)果僅在VSR負(fù)載突變瞬間有一定的差異。這是因?yàn)樵陔娏魍蛔兯查g，電感充放電會(huì)吸收（釋放）能量，也僅在此刻，前述的模型簡(jiǎn)化會(huì)帶來(lái)一定誤差。但總體而言，模型的簡(jiǎn)化是合理的。

6結(jié)論

本文提出了基于功率控制的三相電壓型PWM整流器控制器設(shè)計(jì)方法，在控制器設(shè)計(jì)中，通過(guò)簡(jiǎn)化模型，將VSR系統(tǒng)整體等效成二階系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的控制器設(shè)計(jì)方法能使VSR達(dá)到優(yōu)異的性能，并且，設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型簡(jiǎn)化是合理的。

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