PWM整流器前饋解耦控制策略

0 引 言

三相 PWM 整流器與傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相 控整流相比可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化和可控的功率因數(shù)，同時(shí) 可降低輸入電流諧波，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。三相 PWM 整流 器與 PWM 逆變器組成的雙 PWM 變換器在電氣傳動(dòng)和電源變 換領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，另外在分布式能源中也獲得了廣泛應(yīng) 用。在 PWM 整流器的應(yīng)用中，直流電壓的穩(wěn)定至關(guān)重要，當(dāng) 負(fù)載急劇變化時(shí)，提高直流電壓的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響 應(yīng)速度對(duì)提高 PWM 整流器的性能至關(guān)重要，所以提高 PWM 整流器的穩(wěn)態(tài)性能成為 PWM 整流器研究的重要內(nèi)容。 

整流器的控制通常采用 PI 直接電流控制，但由于 PWM 整流器存在非線性耦合，且整流器在工作過程中易受外界負(fù)載 的擾動(dòng)，使得傳統(tǒng) PI 控制不能很好地適用于整流器的實(shí)際應(yīng) 用。許多專家學(xué)者都試圖用先進(jìn)的控制理論取代傳統(tǒng)的 PI 控 制，但難以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

1 三相電壓型 PWM 整流器電流環(huán)和電壓環(huán)的設(shè)計(jì) 

三相電壓型 PWM 整流器電流環(huán)和電壓環(huán)的設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

對(duì)圖 1 所示的電路結(jié)構(gòu)，建立有開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模 型，如式（1）所示。由于交流側(cè)為交流時(shí)變量，采用 PARK 變換到（d，q）坐標(biāo)系中，以對(duì)直流變量進(jìn)行控制。

式中：Sj（j=a，b，c）為橋臂的二值邏輯開關(guān)函數(shù) ；Sj（j=a，b， c）的值為 1，表示橋臂 j（j=a，b，c）上橋臂導(dǎo)通，Sj（j=a，b，c） 的值為 0，表示橋臂 j（j=a，b，c）下橋臂導(dǎo)通。 PARK 變換后三相 VSR 在坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：ed、eq 為三相 VSR 電網(wǎng)交流電動(dòng)勢(shì)矢量 Edq 的 d、q 分量； id、iq 為三相 VSR 電網(wǎng)交流電動(dòng)勢(shì)矢量 Idq 的 d、q 分量；p 為微 分算子。

PARK 變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流量的直接控制，但變換后系統(tǒng) 的 d，q 軸變量存在耦合，所以必須采用解耦策略來消除變換 后對(duì)控制器的不利影響，本文采用前饋解耦方法實(shí)現(xiàn)對(duì)控制 器的解耦控制。

式中：id*、iq* 為 id、iq 的電流給定值，Vd、Vq 為交流側(cè)電壓矢量的 d、q 軸分量。

將式（4）帶入式（2）可得化簡(jiǎn)后的基于前饋解耦的整流 數(shù)學(xué)模型如下：

電流內(nèi)環(huán)是功率因數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)，在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電 壓外環(huán)設(shè)計(jì)是穩(wěn)定直流電壓的關(guān)鍵，電流內(nèi)環(huán)根據(jù)電壓外環(huán) 的輸出值和給定值的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，三電平整流器的前饋控制 解耦圖如圖 2 所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 

采用前饋解耦方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 3 所示。 

從圖 3 中可以看出，在前饋解耦的策略下實(shí)現(xiàn)了整流器 直流端直流電壓的穩(wěn)定控制，驗(yàn)證了控制策略的正確性。 

3 結(jié) 語

本文介紹了三相 VSR 的數(shù)學(xué)模型，提出了前饋解耦控制 方式，并通過 Matlab/SimuLink 進(jìn)行了仿真，證明了該算法的 正確性。