三相電壓型PWM整流器前饋解耦控制策略

1.引言

本文在分析三相電壓型PWM整流器工作原理的基礎上，建立了dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下三相電壓型PWM整流器的數(shù)學模型，分別設計了基于前饋解耦控制的電流內(nèi)環(huán)控制器和電壓外環(huán)控制器。最后通過仿真和實驗驗證該控制策略的正確性和有效性。　　

PWM整流器與傳統(tǒng)的不控整流或相控整流方式相比，具有網(wǎng)側(cè)電流諧波含量少、功率因數(shù)高、能量可雙向流動、動態(tài)響應快等優(yōu)點，成為當今電力電子領域研究的一個熱點。因此，研究高性能的PWM整流器控制策略具有重要現(xiàn)實意義?！　?/P>

2.三相電壓型PWM 整流器數(shù)學模型

三相電壓型PWM 整流器的原理圖如圖1 示，圖1中各物理量定義如下：ea、eb、ec 為電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic 為交流側(cè)各相電流，Udc 代表直流側(cè)電壓，ua、ub、uc 為PWM 整流器交流側(cè)輸入電壓。假設三相電網(wǎng)電壓平衡，則可得：

將上述abc 三相靜止坐標系下的PWM 整流器數(shù)學模型變換到dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標下的數(shù)學模型：

3.三相電壓型PWM 整流器雙閉環(huán)控制策略　　

3.1 三相電壓型PWM 整流器電流內(nèi)環(huán)控制器　　

由(3)式整理得：

從上述d-q 數(shù)學模型可知，d、q 軸變量相互藕合，因而給控制器設計造成一定困難。為此，可采用前饋解耦控制策略，引進的PI 調(diào)節(jié)器，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定控制。其控制方程為：

由式(6)可知，在電流內(nèi)環(huán)控制器中引入電流狀態(tài)反饋解耦控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)有功電流和無功電流的解耦控制。電流內(nèi)環(huán)控制器框圖如圖2 所示。

3.2 三相電壓型PWM 整流器電壓外環(huán)控制器　　

根據(jù)瞬時功率理論，在dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的有功功率P 和無功功率Q 可表示為：

由(8)式可知，id 和iq 分別與有功功率P 和無功功率Q 呈線性比例關(guān)系，調(diào)節(jié)id 和iq 就可分別獨立地控制PWM 整流器的有功功率和無功功率，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。為了穩(wěn)定PWM 整流器的直流側(cè)電壓，直流電壓外環(huán)采用PI 控制，其簡化的控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示[6]。按照典型II 型系統(tǒng)來設計調(diào)節(jié)器可以得到PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為

4.仿真研究　　

在Matlab/Simulink 的仿真平臺中搭建了三相電壓型PWM 整流器仿真模型。仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)相電壓有效值110V，電網(wǎng)電壓頻率50Hz，變壓器為升壓型隔離變壓器，三相濾波電感3mH，直流側(cè)負載24 Ω ，直流側(cè)給定電壓300V。為檢驗系統(tǒng)的抗干擾性，在3s 時，負載突增，阻值由24 Ω 突變?yōu)?2 Ω 。此時直流母線電壓略微下降，并能在較短時間內(nèi)恢復穩(wěn)定，如圖6 所示。圖6 為負載發(fā)生突變時A 相電壓和電流仿真波形，由圖可知，負載發(fā)生突變時，交流側(cè)輸入電流迅速增大以保證整流器輸入、輸出功率平衡，而系統(tǒng)仍運行于單位功率因數(shù)，體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的動態(tài)響應。

5.實驗研究　　

搭建一臺三相電壓型PWM 整流器樣機進行實驗驗證。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同。開關(guān)頻率為10kHz，死區(qū)時間為2us。整流器主控芯片為TI 公司的TMS320F28335?！　?/P>

圖7 為Fluke435電能質(zhì)量測試儀記錄下的三相電壓型PWM 整流器直流母線電壓實驗波形。圖8 為用Fluke 記錄下的A 相電壓和電流實驗波形(幅值大的為電壓波形)。圖9 為用Fluke 測得電流總諧波含量圖，電流諧波含量(THD)為2.7%。實驗結(jié)果表明，采用本文提出的控制策略能夠有效地抑制諧波電流，實現(xiàn)高功率因數(shù)運行，直流母線電壓具有較小波動(波動在5V 以內(nèi))，基本穩(wěn)定在300V，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

6.結(jié)論　　

本文在分析三相電壓型PWM整流器數(shù)學模型的基礎上，分別設計了電流內(nèi)環(huán)控制器和電壓外環(huán)控制器。仿真和實驗結(jié)果表明，PWM整流器基本運行于網(wǎng)側(cè)單位功率因素，有效地抑制了網(wǎng)側(cè)輸入諧波電流。系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性。因此該控制策略是一種有效的控制策略，具有一定的實用價值。