一種新的三相電壓型PWM整流器控制方法

摘要：針對(duì)采用常規(guī)控制方式的PWM整流器存在動(dòng)靜態(tài)性能較差的問題，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(nèi)環(huán)采用內(nèi)模控制，結(jié)合了滑?？刂坪蛢?nèi)?？刂频膬?yōu)點(diǎn)，即充分利用滑模控制的魯棒性強(qiáng)、對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)具有很好適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，以及內(nèi)?？刂频牧己酶櫺阅芎洼^高的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)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(duì)象，對(duì)其電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)模控制；滑模控制

1 引言
電壓型PWM整流器具有網(wǎng)側(cè)電流為正弦、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(tǒng)一潮流控制器、超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能等很多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)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(bǔ)償項(xiàng)，影響了控制系統(tǒng)的魯棒性。由于內(nèi)?？刂凭哂辛己玫母櫺阅芎洼^高的穩(wěn)態(tài)精度，在靜止坐標(biāo)系下不存在耦合項(xiàng)和前饋補(bǔ)償項(xiàng)；滑?？刂凭哂恤敯粜詮?qiáng)、對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有很好的適應(yīng)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(nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂?，電壓外環(huán)采用滑?？刂?，使系統(tǒng)同時(shí)具有滑模控制和內(nèi)?？刂频膬?yōu)點(diǎn)。

2 三相電壓型PWM整流的數(shù)學(xué)模型
基于LCL濾波的三相PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)式(1)進(jìn)行兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，可得d，q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：


3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)
由式(1)的數(shù)學(xué)模型變形得到：

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

當(dāng)λ=0．008時(shí)，畫出電流內(nèi)環(huán)的根軌跡，按二階最優(yōu)原理，使系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為0．707，可知比例增益K=8．34，再畫出系統(tǒng)的波特圖，由圖可知系統(tǒng)的相角裕度γ=63．6°，截止頻率fc=242 Hz，滿足fn≤fc≤10fn，控制器符合設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)穩(wěn)定。
3．2 電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)
為了提高電壓型PWM整流器直流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)電壓環(huán)。三相電壓型PWM整流器在d，q坐標(biāo)系下
的數(shù)學(xué)模型為式(2)，將其改寫為狀態(tài)方程：

由式(7)可知，PWM整流器有sd，sq兩個(gè)控制量，其中sd用來控制PWM整流器直流側(cè)電壓udc，sq用來控制無功電流iq以獲得期望的功率因數(shù)。對(duì)于式(7)期望輸入正弦電流，且功率因數(shù)為1，輸出電壓為設(shè)定值，故可選取udc和iq為系統(tǒng)輸出，則式(7)改寫為：

根據(jù)式(12)來設(shè)計(jì)滑?？刂破?。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4．1 仿真驗(yàn)證
在Matlab／Simulink中建立仿真模型，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)采用滑?？刂疲娏鲀?nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂疲抡鎱?shù)：電源電壓有效值為60 V，直流側(cè)電壓為150 V，開關(guān)頻率為5 kHz，直流側(cè)濾波電容值為3 000μF，負(fù)載為30 Ω，系統(tǒng)的阻尼電阻為8Ω。

由整流器電網(wǎng)側(cè)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(shù)，且網(wǎng)側(cè)電流畸變很小。由整流器直流側(cè)電壓仿真波形可知，外環(huán)采用滑?？刂?，內(nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂频目刂品椒ū入p環(huán)都采用內(nèi)?？刂茣r(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

圖4a為突加負(fù)載時(shí)直流側(cè)電壓波形，圖4b為突加電壓給定時(shí)直流側(cè)電壓波形，由圖可知，外環(huán)采用滑模控制，內(nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂频聂敯粜宰顝?qiáng)，PI控制次之，內(nèi)?？刂频聂敯粜宰畈?。圖4c為突加濾波電感時(shí)直流側(cè)電壓波形，由圖可知，外環(huán)采用滑?？刂疲瑑?nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂茖?duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型精度要求最低，內(nèi)?？刂拼沃?，PI控制對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型精度要求最高，由此說明外環(huán)采用滑?？刂疲瑑?nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂频目刂品椒蓪煞N控制方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，有更好的控制效果。
4．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了進(jìn)一步驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)參數(shù)與仿真一致，所得到的波形如圖5所示。圖5a為穩(wěn)態(tài)時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)a相電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形，由圖可見，整流器的網(wǎng)側(cè)電壓與電流幾乎是同相位的，且正弦度很好，功率因數(shù)接近于1。圖5b為突加負(fù)載時(shí)整流器直流側(cè)電壓波形，由圖可見，系統(tǒng)的魯棒性很強(qiáng)，達(dá)到了控制目的。

通過仿真和實(shí)驗(yàn)，證明了外環(huán)采用滑模控制，內(nèi)環(huán)采用內(nèi)?？刂频碾p閉環(huán)控制系統(tǒng)可以充分結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)性能。

5 結(jié)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(nèi)環(huán)采用內(nèi)模控制，使系統(tǒng)不僅具有滑模控制對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)漂移的良好適應(yīng)性以及良好的快速性，而且具有內(nèi)?？刂茖?duì)被控對(duì)象參數(shù)依耐性小、能獲得良好跟蹤性能和較高穩(wěn)態(tài)精度的優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)具有優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)性能。仿真分析和實(shí)驗(yàn)表明了所提出方法的有效性和優(yōu)越性。