双PWM变换器功率前馈控制方法

王秋梅，尹 赟，宋文祥

（1.应天职业技术学院，江苏 南京210046；2.上海大学，上海200072）

1 概述

双PWM变换器采用PWM可控整流技术，以电网侧功率因数可调、能量可双向流动、直流母线电压稳定为控制目标，在新能源技术、风力发电和太阳能发电的并网等领域得到广泛的应用。双PWM变换器系统结构如图1所示。

图1 双PWM变换器结构图

当前，双PWM变换器控制策略主要分为直接控制和功率协调控制两大类。直接控制即传统的直流母线电压反馈控制，当系统输入和输出功率不平衡造成直流母线电压波动时，通过母线电压的反馈信号来调节PWM整流器的输入功率。由于直流母线电压的响应滞后于负载功率的变化，因而当负载发生变化时，直流母线电压会发生很大的波动[1-2]，加大母线电容的尺寸可以解决波动问题，但单纯靠提高电容容量来稳定直流母线电压的做法具有严重的缺陷[3-4]。

功率协调控制又包括直接功率控制[5-7]和功率前馈控制。直接功率控制策略，类似于变频调速技术中的直接转矩控制（DTC），它是通过实时比较瞬时有功功率、瞬时无功功率与给定值之间的差值，然后通过查寻提前制定的开关状态表来产生PWM调制信号。该种基于滞环控制结构的控制策略，省去了传统矢量控制中的旋转坐标变换单元以及电流内环的PI调节器，简化了算法，提高了系统动态响应性能。然而这种基于滞环控制方法不可避免地带来开关频率不稳定的问题。

为解决上述问题，本文提出了一种功率前馈控制的双PWM变换器感应电机变频调速方案，在整流侧有功电流的给定值中加入逆变器有功功率对应的补偿量，在感应电机运行状态发生改变时将不会直接改变直流侧电容电压的大小，而是改变整流侧有功电流的大小，减小直流母线电压的波动，提高系统的动态响应性能，使得减小直流母线电容大小成为可能。最后，对该控制方案进行了Matlab/Simulink仿真研究，验证了其正确有效性。

2 功率前馈控制

假设电源是对称（平衡）的三相电压：

式中：Vm电压相电压的幅值，ωe表示整流器同步旋转坐标系角速度。

dq旋转坐标系下，整流器的输入有功和无功功率分别为：

对于平衡的三相系统，有：

因而：

而逆变器的输出功率可以表示为：

式中：W为直流母线电容储能值，C为直流母线电容值，Vdc为直流母线电压值。

直流侧电容能量储存的变化情况为：

忽略器件的功率损耗，可以得到：

由式（6）可以看出，控制整流器输入到直流侧的功率与直流侧输入到逆变器的功率达到平衡，就可以减小直流侧电压的波动，进而可以减小直流侧的电容容量。要做到这一点必须使整流器侧的输入电流能满足系统输出功率的变化。

对于二极管不可控整流的AC-DC-AC变换器，Prec是不可控的，因而，当电机运行状态发生改变（例如从电动模式变成发电模式）时，将会产生很大的Pcap，从而母线电压波动变大。但采用PWM可控整流时，Prec是可控的。如果系统能调节Prec，使得Prec=Pinv，则Pcap一直为0。这也就意味着在电压平衡条件下直流母线电压能维持稳定，并且直流母线电容能得到有效减小。

由式（8）可得ed：

由式(9)可以看出，如果在整流器侧有功电流的给定值中加入逆变器有功功率对应的补偿量，则当异步电机运行状态发生改变时将不会直接改变直流侧电容电压的大小，而是直接改变整流器侧有功电流的大小。

图2 双PWM变换器控制系统结构框图

图3 功率前馈控制结构框图

根据式（9），构造整流器侧有功电流的给定值为：

式中：KP、KI分别为整流器侧有功电流PI调节器的比例和积分系数。

如图2所示为本文提出的具有功率前馈环的双PWM变换系统控制结构框图。其中，功率前馈控制结构框图如图3所示。

3 仿真验证

整流侧参数为：三相电压源电压幅值为220V，输入电感L=8mH，母线电压给定为540V，直流母线电容C=470uF。

逆变侧电机参数为：额定功率Pe=3.7kW，额定电流Ⅰe=8A，额定电压Ve=380V，Ls=155mH，Lr=155mH，Lm=147mH，额定转速ne=1500r/min（对应于转子输出角频率约为157rad/s），额定转矩Te=23.5N·m，极对数np=2，转动惯量J=0.0131kg·m2，电机摩擦系数f=0.002985。

仿真条件为：0～0.12s为电机的励磁时间，0.12s时刻给定转速，0.3s时刻突加额定负载，0.5s时刻突减额定负载，0.7s时刻突加发电性质额定负载。

图4～图5为基于传统母线电压反馈控制和基于功率前馈控制的仿真结果对比图。可以看到，电机负载所需功率越小时，直流母线电压波动越小；在电机运行状态和模式发生变化时，采用功率前馈控制的母线电压，明显比采用传统母线电压反馈控制的母线电压平稳，母线电压的波动现象不明显，显著抑制了系统动态过程中母线的电压冲击。

4 结束语

本文首先研究了常规的基于母线电压反馈控制的双PWM变换器感应电机变频调速系统，针对其在动态过程中直流母线电压大幅度波动的现象进行了理论分析，在此基础上通过采用文中提出的有功功率前馈控制策略实现对整流器的控制，有效地抑制了直流母线电压的波动，实现了良好的控制效果，仿真结果验证了文中控制策略分析的正确性和控制方法的有效性。

图4 双PWM变换器两种控制策略仿真结果对比（40Hz）

图5 双PWM变换器两种控制策略仿真结果对比（5Hz）

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