三相电压型PWM整流器新型双闭环控制策略研究

任科明　黄辉先　胡超

摘 要： 针对三相电压型PWM整流器交流侧电感值实际控制系统中存在误差，往往忽略掉耦合项，以及系统参数变化影响整流器的动、静态性能等问题，提出了一种新型的双闭环控制策略。其中电流内环采用同步旋转d?q坐标系下无电感L参数的解耦控制与内模控制相结合的方法，电压外环采用滑模控制，在Matlab中利用Simulink工具箱搭建三相电压型PWM整流器数值仿真数学模型，数值仿真结果表明系统仍获得了较好的动、静态性能，鲁棒性强。并通过实验平台验证该控制策略的正确性和优越性。

关键词： PWM整流器； 无电感值控制系统； 内模控制（IMC）； 滑模控制

中图分类号： TN35?34； TM46 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0115?05

Abstract： A novel dual closed?loop control strategy is proposed in view of the problems that AC inductance value of the three?phase voltage?source PWM rectifier exists error and often ignores the coupling term in the actual control system， and the change of system parameters affects the dynamic and static performance. The hybrid mode of decoupling current control without exact value of the boost inductor in d?q synchronous frame and internal model control is adopted in the current inner loop. The sliding mode control is adopted in the voltage outer loop. The three?phase voltage?source PWM rectifier simulation model is build with Simulink toolbox in Matlab. The simulation results show that system can still obtain the excellent dynamic and static performance. And the system robustness is strong. The validity and superiority of the proposed control scheme were verified by experimental results of the physical platform.

Keywords： PWM rectifier； no inductance value control system； internal model control； slide mode control

0 引 言

三相电压型 PWM整流器具有网侧电流谐波小、双向电能传输等优势[1]，已成为近年来一大研究热点。内模控制鲁棒性强，当系统参数受干扰时，仍能获得优良的电流跟随性能和很好的动态效果，控制性能优于传统的PID控制，且结构简单易于实现，已在工程实践中得到广泛应用。

早期的控制方案以三相[a?b?c]静止坐标系模型为基础，主要采用滞环控制[2]、预测电流控制[3]、自适应控制[4]和相位幅值控制[5]等方法，采用PI调节器实现对电压和电流的控制，但常规PI调节器存在稳态与动态性能、快速性与超调量等方面的矛盾，难以得到很好的解决，往往造成实际应用中PI参数的整定困难[6?7]。近年来提出了内模控制[8]以改进控制性能，已在工程中得到成功的应用。文献[9]提出一种在同步旋转d?q坐标系下基于无电感L参数的电流解耦控制的方法，解决了工程中制作电感时工艺存在差异，电感参数值发生变化等问题，但这种新的方法仍然难以保持系统良好的动态性。文献[10]提出了电流内环在[αβ]静止坐标系下采用内模控制，实现了电流的无静差跟踪控制。文献[11]电压外环采用滑模控制方法，该方法对模型偏差、控制对象参数改变以及外部扰动具有较强的不敏感性。

在学者研究的基础之上，本文提出了将无电感[L]参数的电流解耦控制和内模控制相结合设计了一种新的电流内环控制器，并建立了数学模型。为了验证方法的准确性和优越性，进行了数值仿真和实物平台验证。

1 PWM整流器的dq数学模型

图1为电压型 PWM整流器（VSR）拓扑结构图。如图所示[ea，][eb，][ec]为交流侧三相电压；[ia，][ib，][ic]为交流侧三相电流；[udc]为直流侧电压；[iL]为负载电流。

2 电流内环控制器设计

三相电压型PWM整流器必须对指令电流进行无静差跟踪控制，本文首先在d?q旋转坐标系中采用无电感值[L]参数的电流解耦控制[9]，使得解耦控制在电感值[L]的变化时电流内环也能完全解耦，然后在两相[αβ]静止坐标系中采用内模控制[10]，使得系统参数变化时能获得很好的动态效果和优良的电流跟随性能。

2.1 无电感值[L]解耦控制

2.2 内模控制器设计

在[αβ]坐标系中，电流内环控制过程中的指令信号为正弦波信号[iαβ=Iαβmsin（ω0t+φαβ）]，是以基波角频率[ω0]形式变化的，显然在[αβ]静止坐标系中采用比例或者传统PI调节器，无法实现对[iαβ]的无静差跟踪控制。于是采用内模控制来调节电流内环，图3表示为电流内环系统图。

4 数值仿真验证

4.1 系统参数

在Matlab/Simulink工具箱中搭建仿真平台，对系统进行了数值仿真。系统仿真参数设置：工频380 V三相正弦输入，输出直流电压700 V，单位功率因数运行。额定功率12 kW，直流侧电容3 400 μF，线路等效阻抗0.075 Ω，输入电感4 mH。

4.2 仿真波形及分析

4.2.1 系统启动响应

系统启动波形图响应如图5所示。由图5（a）和图5（b）可以得出直流电压响应速度快（0.014 s），无超调，无稳态误差；输入电流为平稳正弦，且与电压相位保持一致。

4.2.2 负载瞬态响应

图6为负载突变情形下的直流电压及a相电流、电压波形图。系统启动时负载为12 kW，在0.05 s时负载突减到6 kW，直流电压跌落至699.5 V，经0.006 s即恢复至稳定值，输出电压无稳态误差；在0.2 s时负载从6 kW突加到12 kW，直流电压上升到701.5 V，经0.008 s即恢复至稳定值。

4.2.3 电感参数变化下动态响应

实际系统运行过程，电感参数会存在一定的漂移，本文考察了电感参数偏移时系统的动态响应。图7为系统电感参数突变时直流电压和a相电流波形。在0.06 s时，电感由4 mH突变为10 mH。当电感突变时，直流输出电压有微小抖动，约0.006 s后恢复至稳定值，突变时相电流[ia]也有微小抖动，约0.008 s恢复至稳定值，对系统无影响。

5 实验验证结果

前述理论分析中获得了比较好的仿真效果，搭建了2 kW小功率样机对该方法进行实物验证。经过三相调压器将三相工频输入380 V调到43.3 V，相电压有效值为25 V，输出直流电压设定值60 V，输入电感为4 mH，直流侧电容为3 400 μF。控制系统DSP采用TMS320F2812，其时钟频率为150 MHz，如图8所示。

采用泰克示波器和高压笔采样波形，其中高压笔可以有效地将示波器和信号调理系统进行隔离，可以实时采取波形，并可以对波形进行任意衰减。

从实验波形可以看出，电流波形正弦化，功率因数接近为1，直流电压稳定在60 V。在负载突变情况下，直流电压基本保持恒定，获得了满意的动态性能。

6 结 语

本文把内模控制应用到三相电压型PWM整流器的电流跟踪控制中，实现了三相电压型PWM整流器对正弦交流信号的无差跟踪控制，并且在d?q同步旋转坐标系下，实现了电流内环无电感L参数电流解耦控制，仿真实验时，电流内环控制采用文中所述的新方法，仿真结果表明该控制系统启动快，输出直流电压无超调；稳定运行时，输出直流电压无稳态误差，电流畸变率小，单位功率因数；对负载的扰动和电感参数摄动鲁棒性强。同时，本文所提控制算法在实物平台上得到了很好的验证。

参考文献

[1] EUGENIO W， ATSUO K. A high frequency AC/DC converter with unity power factor and minimum harmonic distortion [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1991， 6（3）： 364?370.

[2] GREEN A W， BOUS J T. Hysteresis current?forced three?phase voltage sourced reversible rectifier [J]. IEEE Journal， Part B， 1989， 136（3）： 113?120.

[3] WU R， SHASHI B D， GORDON R S. Analysis of a PWM AC to DC voltage source converter under the predicted current control with a fixed switching frequency [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1991， 27（4）： 756?764.

[4] 周鑫，郭源博，张晓华，等.基于自适应跟踪控制的三相电压型PWM整流器[J].中国电机工程学报，2010，30（27）：76?82.

[5] 王英，张纯江，陈辉明.三相PWM整流器新型相位幅值控制数学模型及其控制策略[J].中国电机工程学报，2003，23（11）：85?89.

[6] VLADIMIR B， VIKRAM K. A new mathematical model and control of a three?phase AC?DC voltage source converter [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（1）： 116?113.

[7] 苏玉鑫，段宝岩.一种新型非线性PID控制器[J].控制与决策，2003，18（1）：126?128.

[8] 宋文祥，尹赟.一种基于内模控制的三相电压型PWM整流器控制方法[J].电工技术学报，2012，27（12）：94?101.

[9] 王恩德，黄声华.三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策 略[J].中国电机工程学报，2012，32（15）：24?30.

[10] 张兴，季建强，张崇巍，等.基于内模控制的三相电压型PWM整流器不平衡控制策略研究[J].中国电机工程学报，2005，25（13）：50?56.

[11] 帅定新，谢运详，王晓刚.三相PWM整流器混合非线性控制研究[J].中国电机工程学报，2009，29（12）：30?35.

[12] 黄凯征，汪万伟，王旭.基于滑模控制的PWM整流器建模与仿真[J].电网技术，2009，33（8）：18?22.

[13] 赵葵银.PWM整流器的模糊滑模变结构控制[J].电工技术学报，2006，21（7）：49?53.

[14] 陈瑶，金新民，童亦斌.基于滑模控制的三相电压型PWM整流器系统仿真[J].系统仿真学报，2007，19（8）：1849?1852.

[15] 陈耀军，钟炎平.基于合成矢量的电压型PWM整流器电流控制研究[J].中国电机工程学报，2006，26（2）：143?148.

[16] 郎永强，徐殿国，HADIANAMREI S R，等.三相电压型PWM整流器的一种改进型前馈控制策略[J].电机与控制学报，2006，10（2）：160?170.