三相PWM整流器的双闭环前馈解耦控制研究

黄强，唐杰，林立，刘兴，张英洪

(1.邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳，422000； 2.广州金升阳科技有限公司，广东 广州，510663)

在电力电子器件应用越来越广泛以及在各种清洁电源兴起背景下，电能质量越来越受到人们的重视。传统的整流桥采用不可控二极管整流桥或相控可控硅整流桥，虽然具有鲁棒性强[1-3]、成本低等优点，但给电源注入了非正弦电流和高次谐波，污染了电网，影响了电能的质量。国内外学者对能实现能量双向流动、得到接近正弦波的输出电流、输出单位功率因数的PWM整流器引起了广泛兴趣，并成为研究热点[4-8]。

PWM调制技术有很多种，如正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)、增量调制技术等。理论分析和实验证明，SVPWM技术能达到更好的控制效果[9-12]。SVPWM具有降低谐波、降低开关损耗和提高直流母线利用率等优点[13-16]。本文针对传统电气设备通常采用二极管、可控硅等器件前端供电，从而导致网侧电流、电压畸变、高次谐波等问题，设计了一种带有前馈解耦控制器的双闭环控制策略。该控制策略利用实际电流与给定电流的误差作为调节器的输入量，通过调节器得到整流器交流侧的指令电压矢量，从而控制开关管的导通，实现系统的稳定运行。该控制策略还可以实现无静差调节，仿真结果表明系统具有良好的动静态性能，并可以实现电流解耦，简化了电流控制。

1 三相PWM整流器数学模型

三相电压型PWM整流器的主电路拓扑图如图1所示。PWM整流器的所有优点都是在输入三相平衡电压条件下实现的。交流侧输入是理想的三相对称电压源UA，电阻和滤波电感L，均为线性元件。三相整流桥由IGBT和二极管组成。输出负载由电容C和电阻RL组成。

图1 三相PWM整流器的主电路拓扑图Fig.1 Main circuit topology diagram of three-phase PWM rectifier

利用开关函数可以得到三相VSR在三相静止坐标系下的一般数学模型为

(1)

通过坐标变换将三相abc静止坐标系转换成与电网基波频率相同的旋转两相坐标系，可以实现无静差控制，提高控制精度。VSR在两相同步旋转坐标系下的数学模型为

(2)

2 三相PWM整流器的前馈解耦双闭环控制

由于电感的存在使得两相旋转坐标轴存在耦合关系，从而d轴与q轴的电流之间存在相互作用，相互影响。所以，必须通过解耦控制使d轴与q轴的电流之间分离。三相PWM整流器的同步旋转模型的表达式为

(3)

从上面的表达式可以看出，两相旋转坐标电流还受到电感与网侧电流的影响，所以，简单的负反馈控制不能使d轴与q轴的电流相互独立，设计整流器比较麻烦，可以采用前馈解耦控制方法。电流内环采用PI调节，则vd和vq的具体控制方程如下：

(4)

(5)

省略一些环节进行近似等效，得到如图2所示的电流环结构。

图2 电流内环结构Fig.2 Architecture of current inner ring

从图2可以看出，将方框里所有的函数相乘即可得到电流内环开环传递函数为

(6)

电流环的设计是否恰当，不仅关系到交流侧的波形是否接近正弦函数以及对功率因数的控制，还会影响整流侧的电压跟随能力以及负载变化时系统的抗干扰性。为了提高系统的响应速度以及抗干扰性，采用典型Ⅱ型系统，可设计恰当的中频宽hi，工程应用时，通常取hi=τi/(1.5Ts)=5，根据Ⅱ型系统参数整定关系有

(7)

解上述表达式且考虑电流环比例环增益和积分增益的关系，可以得到

(8)

省略一些环节进行近似等效，三相整流器的电压环简化结构如图3所示。

图3 电压外环结构Fig.3 Architecture of voltage outer loop

电压外环的作用使整流器的输出直流电压趋于稳定，所以，为了稳定就必须增强系统抗干扰性能力，采用典型Ⅱ型系统进行整定参数。通过图3中所有框图的函数相乘可以得到电压环开环传递函数为：

(9)

与电流环相同，可以得到电压环中频宽hv并且取hv=τv/Tev=5，有

(10)

根据典型Ⅱ型系统参数整定关系可以得到

(11)

再利用电压环比例增益和积分环节增益的关系可以得到它们的计算公式为

(12)

通过上述公式推导，可以得到电压环和电流环所有整定参数的表达式，设定相应的值可以快速整定参数，避免了选择参数的随机性，简化了工作量，做到了快速有效地整定参数。

3 仿真及实验分析

利用Matlab/Simulink对前馈解耦双闭环控制器进行了仿真，验证了该模型所描述的整流器性能。整流系统的过程被模拟为离散控制系统。仿真模型如图4和图5所示。

图4 前馈解耦双闭环控制器Fig.4 Feed-forward decoupling double-closed-loop control device

图5 三相PWM整流器仿真模型Fig.5 Simulation model of three-phase PWM rectifier

其中图4所示为解耦双闭环控制策略在仿真系统中实现的控制器图，图5所示为整个整流系统的仿真结果。系统搭建在三相平衡电压频率为50Hz的电源下，具体相关参数设定见表1。

表1 三相电压型PWM整流器相关参数
Table 1 Related parameters of three-phase voltage type PWM rectifier

参数数值三相交流线电压峰值/V311.13RMS输入线路电压/V220直流侧输出电压/V560交流侧电感/H0.002交流侧电阻/Ω0.1直流侧电阻/Ω13开关频率/Hz500

在前馈控制中给定直流电压为560 V，进行系统仿真，得出如图6所示的直流电压波形。从图6可见系统响应时间在预期范围以内，并在0.02 s左右得到稳定的直流输出。

图6 前馈解耦双闭环控制策略下的电压电流波形Fig.6 Voltage and current waveform under feed-forward decoupling double closed-loop control strategy

本文设计的前馈解耦双闭环控制的PWM整流器与传统的未使用前馈解耦双闭环控制的整流器输出直流波形比较，具有巨大优势。传统整流器输出直流波形如图7所示。很明显，传统的整流器输出电压波形纹波较多，没有控制在单位功率因数上，很难得到稳定无谐波的电压输出。

具有前馈解耦双闭环控制的PWM整流器输出电压波形如图8所示。在控制过程中，0.2 s时突然加入负载。电压在0.21 s时恢复稳定，稳定时间控制在0.02 s以内，可见系统鲁棒性较好，并能实现电网侧电压电流相位一致，电流波形接近于正弦波，功率因数控制在单位功率因数。

图7 传统SVPWM整流策略下的电压输出波形Fig.7 Voltage output waveform under traditional SVPWM rectifier strategy

图8 前馈解耦双闭环控制策略下的电压输出波形Fig.8 The voltage output waveform of the feed-forward decoupling double closed-loop control strategy

4 结论

针对传统电气设备通常采用二极管、可控硅等器件前端供电，从而导致网侧电流、电压畸变、高次谐波等问题，设计了一种具有前馈解耦双闭环控制三相电压型整流器。并在Matlab/Simulink搭建了前馈解耦双闭环控制三相电压型整流器仿真模型。仿真结果表明：该控制策略无论在直流量还是在无功功率控制中都能达到很快的响应速度，整流器输出电压在突然加入负载后的0.01 s时恢复稳定，稳定时间控制在0.02 s以内，可见系统鲁棒性较好，并能实现电网侧电压电流相位一致，电流波形接近于正弦波，实现单位功率因数控制。最后与传统的控制方式行了比较，验证了控制策略的优越性。