PWM整流器系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制

國網(wǎng)吉林省電力有限公司集安市供電公司 李軒宇

由于傳統(tǒng)前饋解耦控制方法電壓外環(huán)模型復雜，導致解耦控制時間較長，研究PWM整流器系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制的新方法。利用分量輸入電壓解耦dp坐標系，采用合并小時間常數(shù)和轉(zhuǎn)換PI調(diào)節(jié)器的形式，實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計，通過簡化直流側(cè)電流的原始算法得到新的算法，構(gòu)建電壓外環(huán)解耦控制模型。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，單相PWM整流器中的本文方法的解耦控制時間平均為0.298s，傳統(tǒng)方法平均為0.899s，在三相PWM整流器中本文方法的解耦控制時間平均為0.424s，傳統(tǒng)方法平均為1.04s，本文設(shè)計的PWM整流器系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制方法更快。

PWM整流器系統(tǒng)成為了傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的替代產(chǎn)品，在太陽能發(fā)電等眾多電力領(lǐng)域都有著廣泛的應用。由于系統(tǒng)在運行的過程中需要輸入指令來操控某一部分進行活動，但這種指令的輸入不是一次性的，在活動的過程中，還需要向受控的部位利用捷徑的方式傳遞前饋信號，受控部位在接收原始指令的同時也需要接收前饋信號，可以保證活動的準確執(zhí)行。前饋信號的傳遞由于不是單一輸入得到單一輸出的，因此多個信號同時輸入就會出現(xiàn)耦合的情況，會使得信號的傳輸發(fā)生紊亂，受控部位會接收不正確的信號。因此如何解除前饋信號傳遞過程中出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象就變得十分的重要。

1 雙向運行前饋解耦控制方法

1.1 分量前饋解耦旋轉(zhuǎn)坐標系

PWM整流器dq坐標系中的軸變量是相互耦合的，因此需要對該數(shù)學模型進行解耦。控制系統(tǒng)的指令電壓是交流輸入電壓在坐標軸上的分量，有功與無功電流相互耦合，采用電流解耦的方式實現(xiàn)控制。在dq坐標系中，交流的側(cè)電壓的表達式如下列公式(1)所示。

在公式(1)中，ud代表d坐標軸中的側(cè)電壓，ld代表分量電壓，Vad表示有功電流的轉(zhuǎn)速，ad表示有功電流，s為時間，C為長度，α為有功電流的長度系數(shù)。在q坐標中字母代表的意思與d坐標中字母代表的意思相同。將指令電壓在兩個坐標軸中進行分量，可以得到下列公式(2)。

通過調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)電流的實際值和給出的原始值可以得到下列公式(3)。

在公式(3)中，Qj為電流的實際值，Qz為給定值，i為電流經(jīng)過的路程，為d軸上的交流側(cè)指令電壓。lq0為q軸上的交流側(cè)指令電壓。將上述公式(3)代入公式(2)中，再將公式(2)代入公式(1)中，就能得到模型。在該坐標中，將電網(wǎng)電壓的初始值設(shè)定為d軸的初始值，交流側(cè)電流的初始量與電網(wǎng)電壓的初始值呈相關(guān)關(guān)系，因此，只有d軸需要進行分量，q軸的分量則為0。

1.2 設(shè)計電流內(nèi)環(huán)

設(shè)系統(tǒng)采樣的時間為T，電流無法進行實時采樣，電流采樣一般都具有滯后性，因此，整流器就成為了一個小的慣性環(huán)節(jié)。交流側(cè)就會成為一個積分環(huán)節(jié)。將指令電壓輸入電流內(nèi)環(huán)，得到滯后的電流采樣，通過整流橋等效增益得到整流器的小慣性環(huán)節(jié)，將d軸中的側(cè)電壓和分量電壓分別輸入電流內(nèi)環(huán)，得到有功電流。將整個電流控制環(huán)結(jié)構(gòu)中的小時間常數(shù)進行合并，再將PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換到零極點這種形式，則可以使整個流程不經(jīng)過滯后的電流采樣環(huán)節(jié)，而是基于合并后的小時間常數(shù)和PI調(diào)節(jié)器的零極點形式直接在輸入側(cè)電壓和分量電壓后，得到有功電流，當忽略電網(wǎng)電壓的干擾時，為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，將電流內(nèi)環(huán)采用Ⅱ型系統(tǒng)，將中寬頻設(shè)置為5，提高電流的響應速度。

1.3 構(gòu)建電壓外環(huán)解耦控制模型

PI調(diào)節(jié)器的輸出會被認定為指令電流，電壓外環(huán)的電壓可以用下列公式(4)來表示。

而當單位功率呈現(xiàn)出因數(shù)狀態(tài)的時候，電網(wǎng)的電壓將會與交流側(cè)電流一致，即為公式(5)所示。

每個交流側(cè)電流與開關(guān)函數(shù)相乘之后，再全部相加起來，便得到了直流側(cè)電流，只考慮該函數(shù)的低頻分量，此時這個函數(shù)可以用下列公式(6)來表示。

在公式(6)中δ為初始相位角，x為調(diào)制比，調(diào)制比最大不能超過1。將公式(5)和公式(6)代入直流側(cè)電流的運算公式中，會簡化直流側(cè)電流的原始公式，得到一個新的簡便公式，如下列公式(7)所示。

因為電壓的采樣同電流一樣都具有滯后性，所以，電壓采樣環(huán)節(jié)同樣可以看成是一個慣性環(huán)節(jié)，且此慣性環(huán)節(jié)的滯后時間為3倍。輸入原始電壓，通過采樣環(huán)節(jié)，經(jīng)歷3倍的采樣時間，利用公式(7)通過加入側(cè)電流和分量電流最終得到有功電壓。依舊和電流內(nèi)環(huán)一樣將調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為零極點模式，合并小時間常數(shù)。調(diào)整后的整個流程不經(jīng)過滯后的電壓采樣環(huán)節(jié)，而是基于合并后的小時間常數(shù)和PI調(diào)節(jié)器的零極點形式直接在輸入側(cè)電流和分量電流后，得到有功電壓。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，將電壓外環(huán)采用Ⅱ型系統(tǒng)，將中寬頻設(shè)置為5。根據(jù)上述算法設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，確定基本參數(shù)，在實際系統(tǒng)中還需要對調(diào)節(jié)器進行參數(shù)的微調(diào)，以提高控制準確性。

2 實驗分析

為驗證本文研究的PWM整流器系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制方法的解耦控制時間，選擇單相三相兩種整流器分別進行實驗測試，選取本文設(shè)計的解耦控制方法為實驗組，傳統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)為對照組，對兩種方法解耦控制的時間進行實驗。第一組在單相PWM整流器中進行系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制實驗。為防止出現(xiàn)偶然性及其他因素的影響，提高實驗結(jié)果的說服力和可靠程度，故進行10次實驗，10次實驗輸入的指令逐漸復雜。表1為兩種方法解耦控制時間。

表1 單相PWM整流器解耦控制時間(s)

根據(jù)表1的實驗數(shù)據(jù)可以看出，實驗組比對照組的解耦控制時間更快。第二組在三相PWM整流器中進行系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制實驗。表2為兩種方法解耦控制時間。

表2 三相PWM整流器解耦控制時間(s)

根據(jù)表2的實驗數(shù)據(jù)可以看出，實驗組比對照組的解耦控制時間更快。通過以上兩組實驗數(shù)據(jù)可以得出，本文所用的前饋解耦控制方法所需要的時間都小于傳統(tǒng)前饋解耦控制方法。

結(jié)束語：本文給出新的PWM整流器系統(tǒng)雙向運行前饋解耦控制方法，該方法在理論上比傳統(tǒng)方法解耦控制的速度更快，解耦控制效果更好。但本文僅從解耦時間上進行對比實驗，實驗以單相PWM整流器和三相PWM整流器為對象，對比傳統(tǒng)解耦控制方法和本文解耦控制方法在控制時間上的差異，得到本文的解耦控制方法比傳統(tǒng)解耦控制方法用時更短的結(jié)論。