基于滑模變結(jié)構(gòu)及前饋解耦的PWM整流器仿真

顧欣 曹舉

摘要：針對傳統(tǒng)控制下三相PWM整流器超調(diào)量高，抗干擾能力差的特點，設(shè)計了電壓、電流雙閉環(huán)控制方案。其中電壓外環(huán)為滑模變結(jié)構(gòu)控制，電流內(nèi)環(huán)為前饋解耦PI控制，調(diào)制方法采用SVPWM。文章給出了三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上重點設(shè)計了電壓外環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)控制器。仿真結(jié)果表明，交流側(cè)電流呈正弦形，諧波含量小于5%，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，且能適應(yīng)負(fù)載的擾動，具有良好的動靜態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；雙閉環(huán)控制；滑模變結(jié)構(gòu)；前饋解耦；SVPWM

中圖分類號：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）22-0279-03

Abstract： In view of the characteristics of high overshoot and poor dynamic anti-interference capability of three-phase PWM rectifier under traditional control， a double closed-loop control scheme of voltage and current is designed. The voltage outer loop is a sliding mode variable structure control， the current inner loop is feedforward decoupling PI control， and the modulation method adopts SVPWM. In this paper， the mathematical model of three-phase PWM rectifier is given， and a voltage sliding mode variable structure controller is designed. The simulation results show that the current of the AC side is sinusoidal， the harmonic content is less than 5%， the response speed of the system is fast， and the system can adapt to the disturbance of the load， and it has good dynamic and static characteristics.

Key words： PWM rectifier； double closed-loop control； sliding mode variable structure； Feedforward decoupling； SVPWM

1 引言

PWM整流器擁有交流側(cè)電流可控和能量雙向流動等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用，比如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、不間斷電源、儲能系統(tǒng)等[1-3]。而PWM整流器的核心是控制策略，如何提高功率因數(shù)和改善交流側(cè)電流波形是重中之重。本文采用的滑模變結(jié)構(gòu)控制（Sliding Mode Control，SMC）是由蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov提出的，初期主要是針對二階線性系統(tǒng)[4]，從結(jié)構(gòu)上來說它是一種特殊的非線性控制，在控制過程中要求不斷地切換控制狀態(tài)，因此具有高頻開關(guān)的性質(zhì)。與其他控制方法不同的是SMC系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不一成不變的，而是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)（系統(tǒng)變量的偏差和各階導(dǎo)數(shù)）向預(yù)期的目標(biāo)不斷變化。該控制方法的“滑動模態(tài)”能夠被設(shè)計，具有很好的抗干擾能力，另外它還可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的降階和解耦[5-6]。PWM整流器本身就是耦合度高、控制系統(tǒng)不斷隨時間變化的非線性結(jié)構(gòu)，并且處于工作狀態(tài)時，還需要快速切換開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，這些問題都可以很好地被滑模變結(jié)構(gòu)控制解決，故該方法適用于三相電壓型PWM整流器（Voltage Source PWM Rectifier，VSR）的控制。

本文將滑模變結(jié)構(gòu)+PI控制應(yīng)用于PWM整流器，與傳統(tǒng)控制策略相比，具有對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界擾動不敏感，物理實現(xiàn)簡單，魯棒性較好的優(yōu)點。仿真實驗結(jié)果表明，直流側(cè)能夠快速達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，交流側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)接近于1，抗干擾性能強(qiáng)。

2 PWM整流器數(shù)學(xué)模型

圖1為三相VSR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中ea、eb、ec為星型連接的三相電源側(cè)電壓，L為交流側(cè)電感，R為交流側(cè)電感的寄生電阻，整流電路是由6個帶反并聯(lián)二極管的IGBT構(gòu)成，C為直流側(cè)電容，RL為負(fù)載，Si（i=a、b、c）為三相PWM整流器開關(guān)管的開關(guān)信號，Si=1時表示上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管關(guān)斷；Si=0表示下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，上橋臂開關(guān)管關(guān)斷。

3 控制策略研究

基于三相VSR的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中控制系統(tǒng)主要是由電壓外環(huán)和有功、無功電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成[7-8]。電壓外環(huán)中通過引入直流反饋并經(jīng)過滑模變結(jié)構(gòu)控制器可實現(xiàn)無靜差控制。電流內(nèi)環(huán)中d軸坐標(biāo)下的電流給定值i*d可用于有功功率調(diào)節(jié)，q軸坐標(biāo)下的給定值i*q是根據(jù)向電源側(cè)輸送的無功功率得出來的，為了實現(xiàn)整流器工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)，令i*q=0。下面對電流內(nèi)環(huán)過程進(jìn)行簡單介紹，交流側(cè)電流的采集值經(jīng)過坐標(biāo)變換得到dq坐標(biāo)下電流分量id、iq，然后與給定值i*d、i*q做偏差，再經(jīng)過各自對應(yīng)的PI控制器完成對id、iq的無靜差控制，由dq坐標(biāo)系下的PWM整流器數(shù)學(xué)模型可知，電流內(nèi)環(huán)之間存在耦合，本文采用交流側(cè)電壓的前饋控制以補(bǔ)償電網(wǎng)電壓變化對系統(tǒng)控制的影響。電流內(nèi)環(huán)輸出的ud、uq經(jīng)過坐標(biāo)變換得到SVPWM的輸入電壓，最后生成PWM整流器的驅(qū)動信號。

3.1 滑模變結(jié)構(gòu)電壓控制器

滑模變結(jié)構(gòu)+PI控制下的仿真結(jié)果如下所示。從圖4可以看出，交流側(cè)電流快速跟蹤上交流側(cè)電壓，接近正弦波且兩者同相位。圖5為a相電流FFT分析，可以得出THD為3.27%，功率因數(shù)接近于1，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。從圖6可以看出，直流側(cè)電壓在t=0.04s左右達(dá)到穩(wěn)定電壓，脈動小且無超調(diào)量。圖7為0.1s時刻負(fù)載增加為原來的一倍時直流側(cè)電壓波形，輸出功率增大，但直流側(cè)電壓基本保持不變，顯示了很好的抗干擾性能。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合三相VSR的特點，采用了滑模變結(jié)構(gòu)控制，可以有效減小超調(diào)量，且與對象參數(shù)依賴性不強(qiáng)。仿真結(jié)果表明，輸入側(cè)電壓、電流同頻同相，基本實現(xiàn)單位功率因數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，并且具有強(qiáng)魯棒性，驗證了滑模變結(jié)構(gòu)+PI控制方案的有效性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】