基于滑模控制的三相PWM整流器的研究

2019-04-17郭珍奇

通信电源技术 2019年3期

郭珍奇

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨 150022）

0 引言

PWM整流器具有降低网侧交流电流谐波、实现单位功率因数运行、直流侧电压控制恒定以及能量双向流动等优点，广泛应用于电力传动、工业直流电源等领域。由于三相PWM整流器是典型的非线性系统，采用纯线性控制方法研究整流器的控制问题已不适用[1]。为提高PWM整流器的运行特性，人们提出了许多控制策略。文献[2]给出了三相PWM整流器d-q坐标系下的数学模型，并进行了闭环控制分析。文献[3]借鉴矢量合成的思路，设计了无需电感参数解耦控制网络的方案，改善了PI控制器的效果，但并未考虑电压外环网络的本质非线性特征，导致外环鲁棒性差。滑模控制作为非线性控制方法，具有快速响应、对参数变化不灵敏等特点，被应用于PWM整流器控制[4]。文献[5]对电压环和电流环仅采用滑模控制，增强了系统的抗干扰能力和动态响应能力。文献[6]研究了滑模与无源性协调控制的可行性，取得了良好的效果。文献[5]中电流环趋近律和文献[6]中无源参数设计复杂，增加了控制的难度。文献[7]采用PI控制和滑模控制相结合的混和控制策略，较传统PI控制有交强的鲁棒性，验证了混合控制的正确性，但未考虑阻感参数在较大范围内变化时对系统的控制效果。本文分析了PWM整流器的数学模型，采用电流环PI控制和电压环滑模控制的混合控制策略，并在此基础上，提出了改进的滑模控制器，使系统的阻感参数在较大范围内变化时，仍具有良好的控制效果。

1 PWM整流器的数学模型

三相电压型PWM整流器的拓扑如图1所示，图中ea、eb、ec为三相电源电压，ia、ib、i为三相电源电流，L为交流测侧电感，R为电感的寄生电阻，C为直流滤波电容，RL为直流负载。

图1 三相PWM整流器拓扑结构

由图1可得，电源对称式三相静止坐标下电压型PWM整流器的开关数学模型为[8]：

根据“等功率”坐标变换原则，对式（1）进行同步变换，得d-q坐标系下电压型PWM整流器的数学模型为：

2 电压环滑模控制器设计

滑模控制本质上是一种非线性控制，具有响应速度快，抗干扰能力强的特点。PWM整流器中，电压环更易受到扰动的影响，为了使电压环的输出电压更稳定，可采用性能较好的滑模控制器。电流环受到扰动的影响相对较小，在不做较高要求的情况下，可采用PI控制[8]。

2.1 传统滑模控制器设计

由式（2）可得稳态时系统的标准型为：

式中，存在Sd和Sq两个非线性开关量，若使系统能运行于设定滑面上，可求得满足滑面S1时，Sd和Sq的理想值。由S1=0，=0和式（2）可得：

将式（6）代入式（5）可得：

2.2 改进滑模控制器

如式（4）所示，β在常用的滑模控制器中为一定值，当电路电感及其寄生电阻发生变化时，可能引起输出电压超调，导致滑模控制控制效果不理想。鉴于电压超调时，β值对电压输出波形有较大影响，改进滑模控制器，设计β参数为：

3 仿真及结果分析

为了验证滑模控制的优越性和改进方法的有效性，本文采用MATLAB/Simulink软件对基于PI控制、滑模控制以及改进滑模控制的三相PWM整流器进行了仿真实验。设置系统参数：交流测电压有效值为220 V，频率为50 Hz，电感L=3 mH，电阻R=0.2 Ω，直流侧给定电压为600 V，电容C=4 000 μV，RL=50 Ω，系统开关频率为10 kHz，电流内环PI控制参数Kp=50，Ki=1，电压外环滑面参数β=6.67，改进后参数为β1=6.67，β2=0.006。

为检验采用滑模控制时电压环的静态和动态特性，0.2 s时将直流侧负载由50 Ω突变为33 Ω，并进行对比仿真实验。如图2所示，采用双闭环PI控制时，输出电压有超调且在约0.1 s时实现电压跟踪；采用滑模控制时，输出电压无超调且在0.05 s前实现电压跟踪。负载突变时，采用双闭环PI控制的输出电压下降并在0.15 s后恢复，而采用滑模控制的输出电压几乎无变化。这说明外环采用滑模控制的PWM整流器具有更快的动态响应速度和更强的抗干扰能力。