基于滑模变结构及前馈解耦的PWM整流器仿真

顾欣 曹举

摘要：针对传统控制下三相PWM整流器超调量高，抗干扰能力差的特点，设计了电压、电流双闭环控制方案。其中电压外环为滑模变结构控制，电流内环为前馈解耦PI控制，调制方法采用SVPWM。文章给出了三相PWM整流器的数学模型，并在此基础上重点设计了电压外环滑模变结构控制器。仿真结果表明，交流侧电流呈正弦形，谐波含量小于5%，系统响应速度快，且能适应负载的扰动，具有良好的动静态特性。

关键词：PWM整流器；双闭环控制；滑模变结构；前馈解耦；SVPWM

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0279-03

Abstract： In view of the characteristics of high overshoot and poor dynamic anti-interference capability of three-phase PWM rectifier under traditional control， a double closed-loop control scheme of voltage and current is designed. The voltage outer loop is a sliding mode variable structure control， the current inner loop is feedforward decoupling PI control， and the modulation method adopts SVPWM. In this paper， the mathematical model of three-phase PWM rectifier is given， and a voltage sliding mode variable structure controller is designed. The simulation results show that the current of the AC side is sinusoidal， the harmonic content is less than 5%， the response speed of the system is fast， and the system can adapt to the disturbance of the load， and it has good dynamic and static characteristics.

Key words： PWM rectifier； double closed-loop control； sliding mode variable structure； Feedforward decoupling； SVPWM

1 引言

PWM整流器拥有交流侧电流可控和能量双向流动等优点，因此得到了广泛的应用，比如光伏发电、风力发电、不间断电源、储能系统等[1-3]。而PWM整流器的核心是控制策略，如何提高功率因数和改善交流侧电流波形是重中之重。本文采用的滑模变结构控制（Sliding Mode Control，SMC）是由苏联学者Utkin和Emelyanov提出的，初期主要是针对二阶线性系统[4]，从结构上来说它是一种特殊的非线性控制，在控制过程中要求不断地切换控制状态，因此具有高频开关的性质。与其他控制方法不同的是SMC系统的“结构”并不一成不变的，而是根据当前状态（系统变量的偏差和各阶导数）向预期的目标不断变化。该控制方法的“滑动模态”能够被设计，具有很好的抗干扰能力，另外它还可以实现控制系统的降阶和解耦[5-6]。PWM整流器本身就是耦合度高、控制系统不断随时间变化的非线性结构，并且处于工作状态时，还需要快速切换开关管的导通和关断，这些问题都可以很好地被滑模变结构控制解决，故该方法适用于三相电压型PWM整流器（Voltage Source PWM Rectifier，VSR）的控制。

本文将滑模变结构+PI控制应用于PWM整流器，与传统控制策略相比，具有对系统参数变化和外界扰动不敏感，物理实现简单，鲁棒性较好的优点。仿真实验结果表明，直流侧能够快速达到预期目标，交流侧电流正弦化，功率因数接近于1，抗干扰性能强。

2 PWM整流器数学模型

图1为三相VSR的拓扑结构，其中ea、eb、ec为星型连接的三相电源侧电压，L为交流侧电感，R为交流侧电感的寄生电阻，整流电路是由6个带反并联二极管的IGBT构成，C为直流侧电容，RL为负载，Si（i=a、b、c）为三相PWM整流器开关管的开关信号，Si=1时表示上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断；Si=0表示下桥臂开关管导通，上桥臂开关管关断。

3 控制策略研究

基于三相VSR的控制系统结构如图2所示，其中控制系统主要是由电压外环和有功、无功电流內环构成[7-8]。电压外环中通过引入直流反馈并经过滑模变结构控制器可实现无静差控制。电流内环中d轴坐标下的电流给定值i*d可用于有功功率调节，q轴坐标下的给定值i*q是根据向电源侧输送的无功功率得出来的，为了实现整流器工作于单位功率因数状态，令i*q=0。下面对电流内环过程进行简单介绍，交流侧电流的采集值经过坐标变换得到dq坐标下电流分量id、iq，然后与给定值i*d、i*q做偏差，再经过各自对应的PI控制器完成对id、iq的无静差控制，由dq坐标系下的PWM整流器数学模型可知，电流内环之间存在耦合，本文采用交流侧电压的前馈控制以补偿电网电压变化对系统控制的影响。电流内环输出的ud、uq经过坐标变换得到SVPWM的输入电压，最后生成PWM整流器的驱动信号。

3.1 滑模变结构电压控制器

滑模变结构+PI控制下的仿真结果如下所示。从图4可以看出，交流侧电流快速跟踪上交流侧电压，接近正弦波且两者同相位。图5为a相电流FFT分析，可以得出THD为3.27%，功率因数接近于1，满足国家标准。从图6可以看出，直流侧电压在t=0.04s左右达到稳定电压，脉动小且无超调量。图7为0.1s时刻负载增加为原来的一倍时直流侧电压波形，输出功率增大，但直流侧电压基本保持不变，显示了很好的抗干扰性能。

5 结束语

本文结合三相VSR的特点，采用了滑模变结构控制，可以有效减小超调量，且与对象参数依赖性不强。仿真结果表明，输入侧电压、电流同频同相，基本实现单位功率因数，系统响应速度快，并且具有强鲁棒性，验证了滑模变结构+PI控制方案的有效性。

参考文献：

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[3] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2011：127-130.

[4] 刘金琨.滑模变结构控制MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2015：6-9.

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[6] 刘永慧.滑模变结构控制的研究综述[J].上海电机学院学报，2016，19（2）：88-93.

[7] 康家玉，张志鹏.PWM整流器在旋转导向中的应用研究[J].国外电子测量技术，2017，36（12）：101-104.

[8] 任科明，黄辉先，胡超.三相电压型PWM整流器新型双闭环控制策略研究[J].现代电子技术，2015（1）：115-119.

【通联编辑：梁书】