一種新的三相電壓型PWM整流器控制方法

摘要：針對采用常規控制方式的PWM整流器存在動(dòng)靜態(tài)性能較差的問(wèn)題，提出了一種PWM整流器的新型控制方法。該方法電壓外環(huán)采用滑模控制，電流內環(huán)采用內?？刂?，結合了滑?？刂坪蛢饶？刂频膬?yōu)點(diǎn)，即充分利用滑?？刂频聂敯粜詮?、對負載的擾動(dòng)具有很好適應性的優(yōu)點(diǎn)，以及內?？刂频牧己酶櫺阅芎洼^高的穩態(tài)精度，使系統具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。以基于LCL濾波的三相電壓型PWM整流器為研究對象，對其電流內環(huán)和電壓外環(huán)進(jìn)行了設計與分析，仿真和實(shí)驗結果證明了所提方法的有效性和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：整流器；濾波器；內?？刂?；滑?？刂?br />
1 引言
電壓型PWM整流器具有網(wǎng)側電流為正弦、網(wǎng)側功率因數可控、電能雙向傳輸、動(dòng)態(tài)性能較快等優(yōu)點(diǎn)，因此在有源電力濾波、統一潮流控制器、超導磁能儲能等很多領(lǐng)域均有廣泛應用。
PWM整流器最常用的控制方式是基于電網(wǎng)電壓矢量定向的PI控制。為了得到良好的動(dòng)態(tài)性能和解耦控制，需引入前饋補償項，影響了控制系統的魯棒性。由于內?？刂凭哂辛己玫母櫺阅芎洼^高的穩態(tài)精度，在靜止坐標系下不存在耦合項和前饋補償項；滑?？刂凭哂恤敯粜詮?、對負載擾動(dòng)有很好的適應性的優(yōu)點(diǎn)，因此這里提出了一種新的PWM整流器控制策略，即電流內環(huán)采用內?？刂?，電壓外環(huán)采用滑?？刂?，使系統同時(shí)具有滑?？刂坪蛢饶？刂频膬?yōu)點(diǎn)。

2 三相電壓型PWM整流的數學(xué)模型
基于LCL濾波的三相PWM整流器的拓撲結構如圖1所示。

對式(1)進(jìn)行兩相靜止到兩相旋轉坐標變換，可得d，q坐標系下的數學(xué)模型為：


3 控制系統設計
3．1 電流內環(huán)的設計
由式(1)的數學(xué)模型變形得到：

基于內?？刂芇WM整流器的電流環(huán)控制結構框圖如圖2所示，如果內?？刂破髟黾右粋€(gè)比例增益，系統的動(dòng)態(tài)性能會(huì )變得更好。

當λ=0．008時(shí)，畫(huà)出電流內環(huán)的根軌跡，按二階最優(yōu)原理，使系統的阻尼系數為0．707，可知比例增益K=8．34，再畫(huà)出系統的波特圖，由圖可知系統的相角裕度γ=63．6°，截止頻率fc=242 Hz，滿(mǎn)足fn≤fc≤10fn，控制器符合設計要求，系統穩定。
3．2 電壓外環(huán)的設計
為了提高電壓型PWM整流器直流側電壓的動(dòng)態(tài)響應和魯棒性，采用滑模變結構控制設計電壓環(huán)。三相電壓型PWM整流器在d，q坐標系下
的數學(xué)模型為式(2)，將其改寫(xiě)為狀態(tài)方程：

由式(7)可知，PWM整流器有sd，sq兩個(gè)控制量，其中sd用來(lái)控制PWM整流器直流側電壓udc，sq用來(lái)控制無(wú)功電流iq以獲得期望的功率因數。對于式(7)期望輸入正弦電流，且功率因數為1，輸出電壓為設定值，故可選取udc和iq為系統輸出，則式(7)改寫(xiě)為：

根據式(12)來(lái)設計滑?？刂破?。

4 仿真和實(shí)驗結果
4．1 仿真驗證
在Matlab／Simulink中建立仿真模型，控制結構如圖3所示，采用傳統的雙閉環(huán)結構，電壓外環(huán)采用滑?？刂?，電流內環(huán)采用內?？刂?，仿真參數：電源電壓有效值為60 V，直流側電壓為150 V，開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz，直流側濾波電容值為3 000μF，負載為30 Ω，系統的阻尼電阻為8Ω。

由整流器電網(wǎng)側電壓和電流仿真波形及電流頻譜分析可知，電壓電流工作在單位功率因數，且網(wǎng)側電流畸變很小。由整流器直流側電壓仿真波形可知，外環(huán)采用滑?？刂?，內環(huán)采用內?？刂频目刂品椒ū入p環(huán)都采用內?？刂茣r(shí)的調節時(shí)間更短，動(dòng)態(tài)響應快。

圖4a為突加負載時(shí)直流側電壓波形，圖4b為突加電壓給定時(shí)直流側電壓波形，由圖可知，外環(huán)采用滑?？刂?，內環(huán)采用內?？刂频聂敯粜宰顝?，PI控制次之，內?？刂频聂敯粜宰畈?。圖4c為突加濾波電感時(shí)直流側電壓波形，由圖可知，外環(huán)采用滑?？刂?，內環(huán)采用內?？刂茖Ρ豢貙ο蟮臄祵W(xué)模型精度要求最低，內?？刂拼沃?，PI控制對被控對象的數學(xué)模型精度要求最高，由此說(shuō)明外環(huán)采用滑?？刂?，內環(huán)采用內?？刂频目刂品椒蓪煞N控制方法的優(yōu)點(diǎn)結合在一起，有更好的控制效果。
4．2 實(shí)驗結果
為了進(jìn)一步驗證以上控制方法的正確性，搭建了以TMS320F2812為控制核心的三相電壓源型PWM整流器的實(shí)驗平臺。系統參數與仿真一致，所得到的波形如圖5所示。圖5a為穩態(tài)時(shí)整流器網(wǎng)側a相電壓和電流實(shí)驗波形，由圖可見(jiàn)，整流器的網(wǎng)側電壓與電流幾乎是同相位的，且正弦度很好，功率因數接近于1。圖5b為突加負載時(shí)整流器直流側電壓波形，由圖可見(jiàn)，系統的魯棒性很強，達到了控制目的。

通過(guò)仿真和實(shí)驗，證明了外環(huán)采用滑?？刂?，內環(huán)采用內?？刂频碾p閉環(huán)控制系統可以充分結合兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)性能。

5 結論
這里提出了一種PWM整流器控制策略，即電壓外環(huán)采用滑膜控制，電流內環(huán)采用內?？刂?，使系統不僅具有滑?？刂茖ω撦d擾動(dòng)和系統參數漂移的良好適應性以及良好的快速性，而且具有內?？刂茖Ρ豢貙ο髤狄滥托孕?、能獲得良好跟蹤性能和較高穩態(tài)精度的優(yōu)點(diǎn)，因此系統具有優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)性能。仿真分析和實(shí)驗表明了所提出方法的有效性和優(yōu)越性。