三相PWM整流器雙滑模控制策略研究

摘 要：三相電壓源型PWM整流器（Three-Phase Voltage-Source PWM Rectifier，三相VSR）具有很強(qiáng)的非線性，但在抗干擾能力方面存在極大的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，從三相VSR的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，利用Park變換，將其轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系中，并根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)交直軸電流分量實(shí)現(xiàn)前饋解耦控制。在此控制過(guò)程中，用電壓、電流雙滑模閉環(huán)控制器取代傳統(tǒng)PI控制器，再將輸出結(jié)果由Park逆變換后經(jīng)SVPWM控制得到三相VSR的控制信號(hào)。最后，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了所提基于雙滑模控制的PWM整流器閉環(huán)控制策略的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；雙閉環(huán)控制；前饋解耦；滑?？刂?/p>

中圖分類號(hào)：TM461" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）17-0006-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.002

0" " 引言

隨著半導(dǎo)體器件及電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，三相VSR因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性好、功率因數(shù)高、輸出電壓紋波小，且交流側(cè)與直流側(cè)之間的能量能夠相互流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在新能源發(fā)電與利用、有源電力濾波以及大功率通用變頻器等領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位[1-3]。但在實(shí)際應(yīng)用中，受外界各種干擾等其他因素的影響，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，在不同程度上極易對(duì)三相VSR產(chǎn)生不同程度的沖擊。在三相VSR控制策略中，研究較多且廣泛使用的控制方法是電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)共同控制的雙閉環(huán)PI控制策略[2-4]，通過(guò)前饋解耦的方法，將交流側(cè)電流變換成有功分量和無(wú)功分量后通過(guò)PI控制器分別加以控制，而電壓環(huán)則采用PI控制實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電流進(jìn)行控制。在這種PI控制器中，當(dāng)PI參數(shù)整定不合適時(shí)，容易造成系統(tǒng)的振蕩，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)瓜到y(tǒng)發(fā)生崩潰。文獻(xiàn)[5]在PWM的同步坐標(biāo)模型中引入串聯(lián)補(bǔ)償消除內(nèi)環(huán)與外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)零點(diǎn)，在保證功率因數(shù)和降低網(wǎng)側(cè)諧波的基礎(chǔ)上，PI參數(shù)的整定得以簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)[6]將電壓外環(huán)的給定電壓改為電壓的平方，使給定值與實(shí)際值的偏差以幾何倍數(shù)增加，在一定程度上能降低輸出電壓的超調(diào)量。

滑?？刂疲⊿liding Mode Control，SMC）又稱變結(jié)構(gòu)控制，是解決非線性系統(tǒng)控制問(wèn)題的重要方法之一，因其抗擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[7]。文獻(xiàn)[8]為克服PMSM因外界干擾變化造成的電感參數(shù)變化等影響，提出了一種基于滑模觀測(cè)器的電流偏差解耦控制策略，解決了PMSM電壓前饋解耦抗擾性差，魯棒性能弱等問(wèn)題；文獻(xiàn)[9]提出采用神經(jīng)元自適應(yīng)與滑模變結(jié)構(gòu)相結(jié)合的控制策略，有效解決了傳統(tǒng)PID引起的控制滯后性和穩(wěn)定性問(wèn)題；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)出一種具有積分滑?？刂扑惴ㄌ鎿Q外環(huán)PI控制策略，在傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制策略的基礎(chǔ)上提升了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾能力，降低了網(wǎng)側(cè)電流諧波，證明了積分滑模控制策略比傳統(tǒng)PI控制器具有更強(qiáng)的抗擾能力；文獻(xiàn)[11]針對(duì)三相VSR中電壓環(huán)抖振大、難以收斂等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型指數(shù)趨近率的滑?？刂破?，在保證魯棒性與響應(yīng)速度的同時(shí)使抖振得以削弱。

本文從三相VSR基本數(shù)學(xué)模型出發(fā)，在雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合電流解耦控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)，提出電壓電流環(huán)雙滑?？刂撇呗?，以期在能夠抑制滑模控制器的抖振同時(shí)，更有效地提高系統(tǒng)的輸出響應(yīng)速度、瞬穩(wěn)態(tài)性能以及魯棒性能。

1" " 三相VSR的數(shù)學(xué)模型

三相VSR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)基爾霍夫定律，可以得到式（1）所示的數(shù)學(xué)模型[12]：

2" " 前饋解耦控制

由式（2）可知，交流電流的d、q軸分量之間存在相互耦合的關(guān)系，在設(shè)計(jì)控制器時(shí)有一定的難度，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將前饋解耦控制策略[13]引入控制系統(tǒng)中，根據(jù)式（2），其控制公式為：

可見(jiàn)，通過(guò)前饋解耦，d、q軸電流分量之間再無(wú)任何耦合關(guān)系，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。通過(guò)式（3）可見(jiàn)，按照PWM整流器電壓方程，通過(guò)引入d、q軸電流的耦合量作為補(bǔ)償，這樣就實(shí)現(xiàn)了d、q軸電流分量的單獨(dú)控制，并且還能夠提高系統(tǒng)的控制精度。

3" " 三相VSR雙滑模控制器設(shè)計(jì)

3.1" " 電流環(huán)滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)在控制中實(shí)質(zhì)上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，其主要功能是使實(shí)際電流跟蹤指令電流，有效快速跟蹤指令電流。因而，在電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，若參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，將使交流電流含有較多的高次諧波，而且造成直流側(cè)輸出響應(yīng)速度慢，穩(wěn)壓效果不好，影響整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)，因此采用滑?？刂破鞔鍼I控制器。

首先，定義兩個(gè)滑模面：

只要合適選擇該滑模控制參數(shù)，就可以使控制量從任意位置都能可靠地到達(dá)滑模面。

3.2" " 電壓環(huán)滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)能夠較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跟隨特性，而電壓外環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的主要是使負(fù)載發(fā)生變化時(shí)直流側(cè)輸出電壓盡可能保持恒定，且要求其控制穩(wěn)定性好，魯棒性強(qiáng)，因此選擇電壓環(huán)滑模控制器的滑模面為：

為Park坐標(biāo)變換提供相位角，經(jīng)常采用鎖相環(huán)（Phase-locked Loop，PLL）技術(shù)鎖定三相交流電源的相位[14]，根據(jù)式（13），系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)有i* d=id，結(jié)合式（8）得到三相VSR輸入端電壓的d、q軸分量，將其經(jīng)Park變換通過(guò)SVPWM控制后即可得到PWM功率管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，該控制策略下三相VSR雙滑模閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4" " 三相VSR雙滑?？刂品抡骝?yàn)證

為驗(yàn)證本文提出方案的正確性與有效性，在MATLAB/Simulink平臺(tái)中搭建三相VSR雙滑模控制策略的仿真模型，并與傳統(tǒng)PI控制器的前饋解耦控制進(jìn)行比較，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

設(shè)定直流側(cè)給定電壓為DC800 V，0.2 s時(shí)，直流側(cè)給定電壓從800 V以一定斜率上升至1 200 V，仿真結(jié)果如圖4～圖8所示。

由圖4所示的雙滑?？刂疲⊿MC）與傳統(tǒng)PI控制直流側(cè)輸出電壓波形對(duì)比圖可見(jiàn)，兩者控制策略的穩(wěn)態(tài)誤差均比較小，都能夠滿足控制要求，但在雙滑?？刂撇呗韵拢绷鱾?cè)輸出電壓能更好地跟蹤給定電壓，且直流側(cè)輸出電壓的最大電壓偏差明顯要小于傳統(tǒng)PI控制策略；由圖5與圖6所示的交流側(cè)相電壓與相電流波形圖可知，兩控制方式下，在給定交軸電流i* q=0時(shí)，交流側(cè)相電壓與相電流的相位均能保持較好的同步，但在給定電壓上升過(guò)程中，在雙滑?？刂品绞较陆涣鱾?cè)相電流對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊明顯較小，因而有利于降低系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度；由圖7和圖8所示的仿真結(jié)果可知，采用雙滑?？刂撇呗詴r(shí)，三相VSR的輸入電流的諧波含量明顯小于傳統(tǒng)PI控制策略的輸入電流的諧波含量，因而可以提高三相VSR的功率因數(shù)與變流效率。

5" " 結(jié)論

本文提出了一種基于雙滑?？刂频娜郪SR的電流前饋解耦控制策略，該控制策略中，電壓控制外環(huán)采用指數(shù)趨近率作為滑動(dòng)模態(tài)，在使輸出電壓快速跟蹤給定輸出電壓的基礎(chǔ)上，提高了趨近率的品質(zhì)，電流內(nèi)環(huán)滑?？刂撇捎镁哂衅交€特性的反正切函數(shù)作為切換函數(shù)，能在滑模切換面附近降低切換函數(shù)的切換頻率，以達(dá)到降低系統(tǒng)抖振的目的。Simulink仿真表明，該方法能夠有效消除PWM整流器d、q軸電流之間的耦合關(guān)系，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，而且交流側(cè)電壓產(chǎn)生的諧波相對(duì)較少，有利于提高系統(tǒng)的變換效率和抗干擾性能。

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收稿日期：2024-05-06

作者簡(jiǎn)介：謝丹（1990—），女，湖南邵陽(yáng)人，講師，研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)。