基于电流无差拍控制PWM整流器的研究

宁 铎， 张 博， 吴 辉

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



基于电流无差拍控制PWM整流器的研究

宁 铎， 张 博， 吴 辉

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

三相电压型PWM整流器可以减少用电设备对电网的谐波污染并具有比较高的功率因数，因而应用越来越广泛.通过对PWM整流器数学模型的分析，采用PI电压外环和电流无差拍控制的PWM整流方法.通过该方法不仅可以实现交流侧电流正弦化，抑制谐波分量，吸收电网无功功率;而且无差拍控制可以提高电流的响应速度和直流侧电压控制的稳定性.通过仿真和实验验证了该控制方法可以实现PWM整流控制，且具有较好的静态稳定性能和动态响应性能.

PWM整流； 无差拍控制； 电压矢量定向控制； 谐波抑制

0 引言

与传统二极管不可控整流和相控整流相比，PWM整流技术具有能量双向流动、功率因数可控、电流谐波含量低以及恒定直流电压控制等优点，因此广泛应用于整流、交流调速、有源电力滤波和新能源并网发电领域[1,2].

目前PWM整流的研究以电压型PWM整流为主，控制方法大多采用基于PI调节器的电压和电流双闭环控制[3]，两者之间实行嵌套连接构成了电流内环和电压外环.通过仿真研究发现，采用双闭环控制可以获得良好的稳态性能，但是其控制效果对PI参数的依赖性较强.而且在电网电压不平衡或负载变化的情况下，电流响应速度慢，直流侧电压难以迅速跟随给定，使得该控制方法存在较大的局限性.

电压电流双闭环控制方法通过3/2变换将三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，通过电网电压矢量定向将交流量变换为直流量进行控制，控制器设计较为简单.但是若控制器只采用PI控制，由于采样频率、零阶保持器及控制滞后一拍等的影响，在系统稳定时Kp、KI的取值范围有限，而且系统的稳定性也受到很大影响.本文在电压外环的控制基础上，为了提升系统的稳定性和响应速度，内环采用了电流无差拍控制方式.该方法可以实现电网侧高功率因数运行，改善了电能质量，并且提高了电流的响应速度.通过仿真和实验验证了该方法的可行性与实用性，提高了系统的动静态特性.

1 三相电压型PWM整流器数学建模

图1所示为三相电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier，VSR)的拓扑结构.图1中ea，eb，ec为电网电动势，ia，ib，ic为交流侧电流，L为交流侧等效电感，R为等效电阻，C为直流侧滤波电容，RL为直流侧负载，idc为直流侧电流，iL为负载电流，Udc为直流侧电压.

图1 三相VSR拓扑结构

根据图1中各变量的参考方向以及基尔霍夫电压定理，可以得到电压型PWM整流器的数学模型如式(1)：

(1)

2 控制器设计

2.1 无差拍PWM整流

无差拍控制是一种基于被控对象精确数学模型的控制方法，具有较快的动态响应速度.其控制方法主要包括了直流侧电压外环调节、网侧电流预测、内环电流无差拍调节.具体思想通过对下一周期电流信号的预测及当前输出反馈信号来推算下一个开关周期的PWM脉冲宽度，用该脉冲来控制整流桥相应功率开关管的通断，从而得到所需的交流侧电流和直流侧电压输出波形[4].

对式1进行离散化，采样周期为Ts，得到PWM整流器离散状态的方程式(2)：

(2)

无差拍控制即在一个采样周期内实现电流值对参考值的跟踪，即：

i(k+1)=i*(k+1)

(3)

式(3)中：i(k+1)为第k+1时刻电流值；i*(k+1)为对第k+1时刻电流的预测值.

将式(3)代入式(2)可得PWM整流器交流侧输出电压为式(4)：

(4)

从无差拍控制方程来看，控制变量需要对电流进行预测，所以采用预测电流控制对下一拍电流进行预测.预测电流控制是在固定采样周期内，根据实际的电流、控制系统软硬件参数及其它负载变量来预测电流趋势[5].

图2 预测电流与无差拍控制原理图

2.2 稳定性分析

图3为电流无差拍控制模型.G(z)为控制对象经零阶保持器离散化后的传递函数如式5所示，由图3可得无差拍电流环闭环z域传递函数Gi(z)如式(6)所示[5].

图3 电流无差拍控制框图

(5)

(6)

其中整流器网侧电感L=3 mH，等效电阻R=0.1 Ω，采样时间Ts=0.1 ms.由于电流控制器中采用的电感量与实际电感存在偏差，所以设电流控制器中电感量L′=k*L.为了保证电流环的稳定性，通常取L′

根据无差拍控制的电流闭环函数，可以得到其波特图如图4所示.

图4 无差拍控电流闭环波特图

从图4中可以看出系统的频带宽度较宽，说明系统的上升时间短，动态响应快[6,7].相比于传统的控制方式使得电流内环在稳定性提升的同时响应速度加快，可见系统动态响应快，系统稳定性较好.

3 仿真结果分析

图5为基于电流无差拍控制的PWM整流系统仿真图[8-10].系统由功率模块和控制模块组成.直流电压外环可以控制直流侧电压值，引入直流电压反馈并通过PI调节器即可实现直流侧电压的无静差控制.直流电压的控制是通过有功电流的控制来实现，因此直流电压外环PI调节器的输出量即是预测电流的参考量.如式(4)电流无差拍控制是根据预测电流信号及网侧反馈电流电压信号经过计算得出下一周期中功率开关器件的占空比，从而可以控制电流有很好的动态响应速度[11,12].

图5 基于电流无差拍控制的PWM整流系统仿真图

采用上面所介绍的电流无差拍控制方法进行MATLAB/Simulink建模仿真.参数为：交流侧线电压380 V，直流侧输出电压800 V，交流侧滤波电感3 mH，等效电阻0.1 Ω，直流输出滤波电容470 uF[13-16].

设置系统在0.02 s时进入无差拍PWM整流，0.1 s投入感性负载，其交流侧电流如图6(b)所示，从图6(b)中可见该方法实现了交流侧电流正弦化，当有负载变化时可以迅速调节，相比与图6(a)传统的PWM整流控制方法的电流输出图来看系统动态性能得到了很大的提升，不但响应快而且电流谐波小没有很大的冲击电流.从图7(b)可见总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)=1.38%，相比与传统控制方式图7(a)的3.14%极大的降低了对电网的谐波污染.

(a)传统控制方式

(b)无差拍控制方式图6 PWM整流交流侧电流输出波形

(a)传统控制方式输出电流FFT

(b)无差拍控制输出电流FFT图7 PWM整流交流侧电流FFT

图8所示为网侧a相电压电流波形，电流相位完全跟随电网电压，实现单位功率运行，并且在负载变化时电流可以迅速跟随，响应速度快，稳态性能稳定.

图8 a相电压电流输出波形

如图9(b)是无差拍PWM整流直流侧电压波形.在0.02 s前属于不可控整流，直流电压不稳定，采用PWM整流后可以实现直流侧电压稳定可控.相比于图9(a)传统的PWM整流控制方式，电流无差拍PWM整流方式当直流侧有较大的负载投入时,由于电流的迅速响应使得电压也可以快速响应，跟随给定实现无静差跟踪.

(a)传统控制方式

(b)无差拍整流方式图9 PWM整流直流侧电压输出波形

通过仿真验证了采用无差拍电流控制方法可以实现对PWM整流器的动态和静态过程控制，并且直流侧电压可以无静差跟踪给定，交流侧电流动态响应快且谐波含量低，可单位功率因数运行，从而证实了该方法的可行性和有效性.

4 实验结果

为了验证理论以及仿真的可行性，根据以上理论分析，采用TMS320F28335和CPLD以及相关的器件搭建硬件系统，同时编写相对应的软件，测试仪器采用FLUKE 43B电能质量分析仪.由于实验条件的限制，PWM整流器输出功率在1～2 KW之间，电网电压经过三相调压器降压后作为PWM整流器的输入.由图10(a)可知直流侧电压稳定，交流侧电流连续且实现正弦化.由图10(b)可知交流侧电流能够很好的跟随电压相位实现单位功率运行.由图11(a)可见变流器功率因数为0.99，相比于不可控整流基本实现了单位功率整流，图11(b)通过对电能质量分析可得THD=3.8%，极大的降低了整流器对电网的谐波污染.

实验证明本文采用的方法能够实现PWM整流控制，并可控制单位功率运行，谐波含量低，且有很好的动态性能.

(a)交流电流及直流电压 (b) 交流侧电压及电流图10 整流器网侧电流及直流输出电压波形

(a)功率因数输出 (b)THD分析输出图图11 整流器交流测电能质量分析图

5 结论

本文对三相电压型PWM整流器进行了研究.通过对系统进行数学建模，无差拍控制方法的理论研究，进行了外环电压PI和电流无差拍控制器的设计.在此基础之上采用MATLAB软件对整个系统进行了仿真.仿真和实验结果验证了该方法可以对PWM整流进行稳定的控制，具有静态稳定性能和动态响应性能.

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【责任编辑：陈 佳】

Research of PWM rectifier based on current deadbeat control

NING Duo, ZHANG Bo, WU Hui

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Three-phase voltage source PWM rectifier is widely applied,because it can reduce electrical equipment for power grid harmonic pollution,and has high power factor.This paper analyses the mathematical model for PWM rectifier and control method of PWM rectifier by combining the method of PI control and current inner ring no beat control.This control can realize the AC current sinusoidal,and reduce the harmonic pollution,absorption power grid reactive power.Deadbeat control can improve the response speed of current.Simulation experiment validates that compound control can make PWM rectifier control current and the control has better static stability and dynamic response performance.

PWM rectifier； deadbeat control； voltage orient vector control； harmonic

2016-08-28

陕西省科技厅科技统筹创新工程计划项目(2016KTCL01-11)

宁 铎(1955-)，男，陕西礼泉人，教授，研究方向：太阳能应用和智能仪器仪表

1000-5811(2016)06-0171-05

TM461

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