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基于滑模控制的三電平PWM整流器建模及仿真

作者: 時間:2012-05-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201540.htm

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

滑模變結(jié)構(gòu)控制(SMC)是一種非連續(xù)性控制,其控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下,沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動,即“滑模”運(yùn)動。由于具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化不靈敏、抗干擾能力強(qiáng),實(shí)現(xiàn)簡單等本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn),SMC在非線性系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用[4][5]。

本文基于三電平PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),為了提高系統(tǒng)魯棒性和輸出電壓動態(tài)響應(yīng),采用器設(shè)計了電壓外環(huán),與常規(guī)PI控制器的電流內(nèi)環(huán)組成了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。結(jié)果表明:在大功率且負(fù)載大范圍變化的情況下,較常規(guī)PI控制器,采用

結(jié)果

依照前面所述數(shù)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)行了研究。仿真參數(shù)如下:輸入電感20mH,直流母線上下電容4000/2μF,輸入相電壓220V,直流母線電壓600V,電網(wǎng)頻率50Hz,開關(guān)頻率2kHz,輸出功率5kW,在0.135s時突然加載,在0.25s時,系統(tǒng)開始工作于能量回饋電網(wǎng)模式。圖4給出了三電平PWM整流器母線電壓波形。其中,圖4(a)給出了a相網(wǎng)側(cè)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(shù)在0.99以上;圖4(b)給出了滿載情況下,網(wǎng)側(cè)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(cè)線電壓波形;圖4(d)和(e)分別給出了采用常規(guī)PI控制和滑模控制的直流母線電壓(Vdc)波形,可以看出:在突加負(fù)載情況下,兩種控制策略下的直流母線電壓均有跌落,但采用滑模控制下的直流母線電壓變化較小,并且迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

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

仿真結(jié)果表明:采用滑??刂撇呗?,能夠?qū)崿F(xiàn)三電平PWM整流器的單位功率因數(shù)控制,系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。從直流母線電壓波形可以看出,直流環(huán)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)比較快,負(fù)載加載的突變引起母線電壓近18V的跌落。

5結(jié)語

本文建立了三電平PWM整流器的數(shù)學(xué)模型,并基于滑??刂圃碓O(shè)計了電路的控制策略。從仿真結(jié)果可知,該控制策略能較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定,輸入電流正弦、單位功率因數(shù),具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1]章浩,謝運(yùn)祥等.基于滑模控制的三相高功率因數(shù)整流器.電氣應(yīng)用,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(tǒng)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(jié)構(gòu)控制在三相整流器中的應(yīng)用.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,24(3):139-142.■



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