基于滑?？刂频娜娖絇WM整流器建模及仿真

1引言

隨著(zhù)電力電子裝置的廣泛應用，大量低功率因數的二極管不控整流和晶閘管相控整流設備，僅能實(shí)現能量的單向輸送，對電網(wǎng)的諧波污染嚴重?？赡?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PWM">PWM整流器不僅具有能量可雙向傳輸、網(wǎng)側電流正弦及達到單位功率因數等特點(diǎn)，還解決了傳統整流裝置中存在的諸多問(wèn)題，近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注，具有廣闊的應用前景[1]。在中高壓大功率的應用場(chǎng)合，三電平PWM整流器應用較為廣泛，它的功率因數達到1，相對于兩電平PWM整流器，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）每一個(gè)主功率開(kāi)關(guān)管上承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的1/2；（2）三電平PWM整流器有27個(gè)工作狀態(tài)，使得輸入側電流波形在開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)也能保持一定的正弦度；（3）在相同開(kāi)關(guān)頻率及控制條件下，三電平PWM整流器輸人電流的諧波遠遠小于兩電平整流器，它更適合于高壓大功率的場(chǎng)合。目前三電平PWM整流器通常采用同步旋轉d-q坐標系下雙閉環(huán)PI控制算法，但由于PWM整流器是一個(gè)非線(xiàn)性、時(shí)變不確定系統[2][3]，故采用常規PI控制很難達到理想的控制效果，動(dòng)態(tài)性能較差。

滑模變結構控制（SMC）是一種非連續性控制，其控制特性可以迫使系統在一定條件下，沿規定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運動(dòng)，即“滑模”運動(dòng)。由于具有快速響應、對參數變化不靈敏、抗干擾能力強，實(shí)現簡(jiǎn)單等本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)，SMC在非線(xiàn)性系統中得到了越來(lái)越多的應用[4][5]。

本文基于三電平PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統，為了提高系統魯棒性和輸出電壓動(dòng)態(tài)響應，采用仿真結果表明：在大功率且負載大范圍變化的情況下，較常規PI控制器，采用

圖1三電平PWM整流器主電路拓撲

省略公式推導，可得a-b-c坐標系下系統的數學(xué)模型為：

式中：

其中，

基于a-b-c坐標系下的數學(xué)模型物理意義明晰，但模型交流側變量均為時(shí)變的交流量，不利于控制系統的設計。而在同步旋轉d-q坐標系下，三相對稱(chēng)系統中各個(gè)交流量均可以等效為直流量。為此，引入坐標變換，得到d-q坐標系下的數學(xué)模型。

式中：

設vd和vq為旋轉d-q坐標系下網(wǎng)側電壓的d軸和q軸分量，則有：

式中是微分算子。

忽略母線(xiàn)上下電容之間的誤差，認為Cd1=Cd2=Cd，則有：

根據上述模型，得到d-q坐標系下三電平PWM整流器的等效電路如圖2所示。對于直流側，三電平整流橋相當于兩個(gè)電流源，而對于交流側，三電平整流橋則相當于兩個(gè)電壓源。

圖2d-q坐標系下三電平整流器等效電路

3電壓外環(huán)

將參考值和實(shí)際變量之間的誤差帶入式（5）得

式中，eig=iqref–iq；eVdc=Vdcref–Vdc；eΦ=Φref–Φ；Φ是擾動(dòng)量；

由式（6）和已知的兩個(gè)控制自由度選擇如下滑模面可保證閉環(huán)系統的魯棒性。

式中，是和直流電壓一階響應相關(guān)的參數。

由式（3）、（4）將變?yōu)?/p>

在d-q旋轉坐標系中，，eq=0，在理想的滑模狀態(tài)下由式（5）計算sq，并將結果簡(jiǎn)化得：

同理，在理想滑模面上，輸出電壓精確跟蹤參考值，Vdc=Vdcref，并根據功率平衡可得到：

將式（10）和式（11）代入式（9），得：

則sd和sq與滑模面的選擇沒(méi)有很大聯(lián)系，簡(jiǎn)化了滑?？刂破鞯脑O計?；Ｃ鏋椋?/p>

由式（12）和式（14）得出電壓外環(huán)控制器控制方程

因此，采用如下控制策略實(shí)現三電平PWM整流器的滑模變結構控制：設定iqref，采用PI控制器對電流環(huán)進(jìn)行控制；電壓外環(huán)控制采用滑模變結構控制算法，以實(shí)際輸出電壓Vdc和給定電壓Vdcref為控制器輸入，控制器輸出作為電流環(huán)PI調節器的參考電流idref，實(shí)現滑模變結構控制與電壓定向矢量控制的有效結合。其控制結構框圖如圖3所示。

圖3三電平整流器滑?？刂圃砜驁D

4仿真結果

依照前面所述數學(xué)模型和控制策略，對本文提出的控制方法的有效性進(jìn)行了仿真研究。仿真參數如下：輸入電感20mH，直流母線(xiàn)上下電容4000/2μF，輸入相電壓220V，直流母線(xiàn)電壓600V，電網(wǎng)頻率50Hz，開(kāi)關(guān)頻率2kHz，輸出功率5kW，在0.135s時(shí)突然加載，在0.25s時(shí)，系統開(kāi)始工作于能量回饋電網(wǎng)模式。圖4給出了三電平PWM整流器母線(xiàn)電壓波形。其中，圖4（a）給出了a相網(wǎng)側相電壓（ea）、電流（ia）仿真波形，可以看出：電壓電流相位一致，經(jīng)計算功率因數在0.99以上；圖4（b）給出了滿(mǎn)載情況下，網(wǎng)側電流波形及其頻譜，諧波畸變率為2.00%；圖4（c）給出了交流側線(xiàn)電壓波形；圖4（d）和（e）分別給出了采用常規PI控制和滑?？刂频闹绷髂妇€(xiàn)電壓（Vdc）波形，可以看出：在突加負載情況下，兩種控制策略下的直流母線(xiàn)電壓均有跌落，但采用滑?？刂葡碌闹绷髂妇€(xiàn)電壓變化較小，并且迅速達到穩態(tài)。

圖4三電平整流器滑?？刂品抡娼Y果圖：（a）網(wǎng)側相電壓、電流；（b）網(wǎng)側電流及其頻譜；（c）網(wǎng)側線(xiàn)電壓；（d）常規PI控制條件下直流母線(xiàn)電壓波形；（e）滑?？刂茥l件下直流母線(xiàn)電壓波形

仿真結果表明：采用滑?？刂撇呗?，能夠實(shí)現三電平PWM整流器的單位功率因數控制，系統具有良好的穩態(tài)性能。從直流母線(xiàn)電壓波形可以看出，直流環(huán)節的動(dòng)態(tài)響應比較快，負載加載的突變引起母線(xiàn)電壓近18V的跌落。

5結語(yǔ)

本文建立了三電平PWM整流器的數學(xué)模型，并基于滑?？刂圃碓O計了電路的控制策略。從仿真結果可知，該控制策略能較好地實(shí)現系統輸出電壓穩定，輸入電流正弦、單位功率因數，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩態(tài)響應。

參考文獻

[1]章浩，謝運祥等．基于滑?？刂频娜喔吖β室驍嫡髌鳎姎鈶?，2008，第27卷第10期．

[2]張穎超．中點(diǎn)箝位三電平雙PWM變頻器控制技術(shù)研究．清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文，2008，47-49．

[3]張海濤．基于IGCT的三電平變頻器的控制系統研究．清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文，2006，47-49．

[4]金紅元．三電平PWM整流器研究．華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2006，51．

[5]胡慶，于海燕，夏桂文．滑模變結構控制在三相整流器中的應用．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24(3)：139-142．■