三相PWM整流器雙閉環(huán)PI調節器的新型設計

摘要：通過(guò)分析三相脈寬調制( PWM) 整流器在d-q 旋轉坐標系下的數學(xué)模型，設計了具有前饋解耦控制的PWM 整流器雙閉環(huán)控制系統。根據系統對電流內環(huán)的控制要求設計電流比例積分( PI) 調節器，提出按閉環(huán)幅頻特性峰值( Mr) 最小準則來(lái)確定調節器參數的方法;根據系統對電壓外環(huán)的控制要求，采用模最佳整定法來(lái)設計電壓PI 調節器。最后對整個(gè)PWM 整流器雙閉環(huán)控制系統進(jìn)行仿真，仿真結果驗證了PI 調節器設計的正確性。

　　0 　引　言

　　PWM 整流技術(shù)在抑制諧波及無(wú)功補償方面有很強的優(yōu)勢，具有網(wǎng)側電流輸入接近正弦，網(wǎng)側功率因數可控，能量雙向傳輸，動(dòng)態(tài)響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛采用的是基于電壓定向的PWM 整流器。電壓型PWM 整流器要控制的變量有兩個(gè)，一是整流器的直流電壓輸出，二是整流器的輸入電流，基于d-q 坐標變換的矢量控制通過(guò)對PWM 整流器有功和無(wú)功電流控制，達到控制輸入電流的目的。因此，如何合理的設計控制兩個(gè)變量的調節器參數以保證在電源電壓波動(dòng)范圍內能實(shí)現良好的控制性能很重要。

　　本文在分析PWM 整流器工作原理和數學(xué)模型基礎上，建立前饋解耦控制系統框圖，提出電流環(huán)和電壓環(huán)PI 調節器參數設計方法，并給出simulink 仿真結果。

　　1 　PWM整流器工作原理及數學(xué)模型

　　三相PWM整流器主電路如圖(1) 所示， ea ， eb ， ec為電源電壓， ua ， ub ， uc 為整流器整流側輸出電壓，其中整流器交流側輸入電感L 起到濾波和升高直流電壓的作用，直流側電容C 作為儲能元件并起到穩壓作用。三相PWM 整流器在d2q 坐標系下的數學(xué)模型為:

圖1 　PWM整流器電路結構

　　由上式，同步旋轉坐標系中，以d 軸電源電壓矢量定向(矢量圖如圖2 ，把對電網(wǎng)相電流的控制轉化為對電流is在d 軸和q 軸的直流分量的控制，從而簡(jiǎn)化了PWM 整流系統控制器的設計) 的PWM整流器模型為:

　　式中，ω為旋轉角速度; sd ，sq 為開(kāi)關(guān)函數。

圖2 　d 軸電網(wǎng)電壓定向的PWM整流器矢量圖

　　從式(1) 數學(xué)模型看出， d-q 軸變量相互耦合，不但電壓無(wú)法進(jìn)行單獨控制，而且給控制器的設計帶來(lái)一定的困難。為此，引入id 、iq 的前饋解耦控制，對ud 、uq 進(jìn)行前饋補償，得到電流控制的兩相旋轉坐標系下電壓指令為式(2) 。前饋解耦控制框圖如圖3 所示。

圖3 　前饋解耦控制框圖