侯兆然

（許昌學院，河南 許昌 461000）

0 引言

PWM整流技術相對于二極管靜態(tài)整流具有先天的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，可以將電能回饋到電網(wǎng)中，對快速變化的負載具有快速響應能力等優(yōu)點[1-2]。目前在工業(yè)應用中PWM整流技術已經(jīng)得到了較多的應用，但是PWM整流器在成本上的劣勢也是比較明顯的[3]。

當前，多數(shù)應用的是三相電壓型PWM整流器，采用的控制方案多為電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法。這種控制方案，需要檢測三相輸入電流、直流母線電壓以及電網(wǎng)測相電壓。電流檢測通常采用霍爾元件，電流量的檢測通常不能省略，因為電流傳感器提供控制器所需要的電流反饋輸入信號，而且過流、過載保護都需要電流反饋來實現(xiàn)[4]。直流母線電壓的檢測通常采用光電隔離放大器設計的檢測電路，母線電壓是控制母線電壓穩(wěn)定必須的電壓反饋輸入，而且過壓、欠壓保護通過電壓反饋來完成，同樣不能省略[5-6]。電網(wǎng)電壓檢測電路的作用主要是通過對電網(wǎng)電壓的檢測計算得到同步旋轉坐標系變換的角度信息。

在無電網(wǎng)電壓傳感器的控制方案中，只需通過其他的物理量觀測出所需要的角度信息，就可以按照電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法進行控制了。從文獻研究中我們可以得出，主要可以通過三個方面來達到角度觀測的目的，一是直接觀測相電壓的角度；二是觀測電網(wǎng)電壓然后通過鎖相環(huán)一類的技術計算角度；三是通過觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈來得到角度信息[7-8]。通過比較，觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈的方法不僅能夠準確地觀測所需的量，而且因為自身有積分環(huán)節(jié)的存在對測量過程中的干擾有一定的抑制作用[9]。在觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈的過程中，存在初始值的問題，如果不對觀測的初始值進行處理，觀測值會出現(xiàn)偏差，導致控制效果變差甚至控制失敗。本文提出一種觀測初始值的處理方法，可以有效地解決初始值給觀測器帶來的誤差。試驗結果驗證了本文所提出的方案能夠在無電網(wǎng)電壓傳感器的情況下采用虛擬電網(wǎng)磁鏈的方法實現(xiàn)PWM整流控制，且控制器具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)快速性。

1 虛擬磁鏈原理

三相PWM整流器的主拓撲結構如圖1所示，拓撲結構中Vdc為母線電壓，R為等效電阻，L為儲能濾波電感，ua，ub，uc為三相電網(wǎng)電壓。交流電機控制拓撲結構如圖2所示，虛線圈內(nèi)為交流電機的等效結構。對比兩份圖，不難發(fā)現(xiàn)，PWM整流器的網(wǎng)側部分與三相交流電機有著莫大的相似之處。PWM整流器中的網(wǎng)側電壓相當于三相交流電機的反電動勢，網(wǎng)側電感相當于電機繞組的漏感，等效電阻相當于電機繞組的電阻[10]。因此可以類比于交流電機磁鏈觀測的方法來觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈。

圖1 PWM整流器拓撲結構Fig.1 PWM rectifier topology

圖2 交流電機控制拓撲結構Fig.2 AC motor control topologies

忽略三相電網(wǎng)電壓的不平衡量，忽略線路阻抗，PWM整流器在兩相靜止αβ坐標系下的電壓方程為

理論上可以用上式進行電網(wǎng)電壓觀測并進行相應的無電網(wǎng)電壓傳感器的控制方法。但是，這種觀測方法包含了電流的微分量，在實際控制系統(tǒng)中容易放大噪聲干擾，對系統(tǒng)控制不利，需要對可能引入的干擾進行處理。令

將上述的電壓方程兩邊同時積分可得

式中，ψα、ψβ分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的α、β分量。設電網(wǎng)電壓矢量表達式為U=uα+juβ，虛擬電網(wǎng)磁鏈矢量表達式為ψ=ψα+jψβ，則電網(wǎng)電壓超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈，超前角度為π/2。

2 虛擬電網(wǎng)磁鏈的PWM整流器控制方法

結合上文中的分析，PWM整流器控制數(shù)學模型在同步旋轉坐標系下包含虛擬電網(wǎng)磁鏈的矢量關系圖如圖3所示，圖中的角度θ為需要觀測的物理量。

圖3 虛擬電網(wǎng)磁鏈矢量圖Fig.3 Virtual grid flux vector

根據(jù)圖中各量關系，可以得到

進而可以計算得到相位角度為

在完成對相位角的估計后，我們就可以按照傳統(tǒng)的PWM整流器控制方法進行控制。參照傳統(tǒng)的PWM整流器控制方案，容易得到基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的控制方案，控制框圖如圖4所示。

圖4 基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的PWM整流器控制框圖Fig.4 Rectifier PWM control block diagram based on virtual grid flux

不難發(fā)現(xiàn)，在虛擬電網(wǎng)磁鏈的觀測中存在積分環(huán)節(jié)，如果在初值未知的情況下直接采用積分的方式來計算，很可能因為初值帶來直流偏置使積分快速飽和，使觀測結果出現(xiàn)偏差。角度觀測結果的偏差，將直接影響PWM整流器整體的控制效果，甚至使控制系統(tǒng)失效導致整流器故障報警。

為了解決傳統(tǒng)積分方法存在的弊端，可以借用PID控制器的思想，將PID控制器的抗積分飽和思想移植到虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測的積分運算中。首先需要合理設置虛擬電網(wǎng)磁鏈的輸出限值，這部分的限值可以根據(jù)實際的電網(wǎng)側電壓情況計算得到，再者積分調節(jié)器的輸出值要作為反饋量輸入到積分調節(jié)器，作為抗積分飽和計算的參考反饋輸入。積分器的具體設計可以參照圖5中的方法。

圖5 虛擬電網(wǎng)磁鏈積分器Fig.5 Virtual grid flux integrator

3 實驗分析

基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的PWM整流器控制方案是基于電網(wǎng)電壓定向的PWM整流器控制方案設計的，為了驗證上訴方案的可行性以及性能，可以采用當前現(xiàn)有的PWM整流器硬件平臺進行試驗驗證?，F(xiàn)有的硬件平臺采用圖1的拓撲結構，具有獨立的電網(wǎng)相位檢測電路和網(wǎng)測電壓檢測電路。試驗選用30 kW的PWM整流器，網(wǎng)側電抗器電感為1 mH，電網(wǎng)電壓為400 V AC，直流母線電容容量為2 800 μF，直流母線電壓設定值為600 V，負載設計為電機對拖平臺。驅動端電源采用虛擬電網(wǎng)磁鏈控制方法，負載端的電源采用傳統(tǒng)控制方案。該PWM整流器采用TI的TMS320F2812為主要控制核心。

PWM整流器穩(wěn)態(tài)運行時網(wǎng)測電流正弦度和功率因數(shù)是衡量其性能的一個重要指標。圖6給出了在平穩(wěn)負載的情況下，PWM整流器A相電流與A相電壓的測量波形圖。從圖中可以看出，在采用虛擬電網(wǎng)磁鏈的控制方式下，PWM整流器可以穩(wěn)定地運行，相電流與相電壓的相位基本不存在差別，近似實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行，符合了PWM整流器的基本要求。

圖6 PWM整流器穩(wěn)態(tài)運行時A相電壓與A相電流波形圖Fig.6 PWM rectifier steady-state operation A phase voltage and current waveforms diagram

PWM整流器動態(tài)響應是衡量其性能的另一重要指標。通常的方法是快速改變負載，測試PWM整流器的動態(tài)跟蹤情況。通過對比兩種控制方案在相同的測試條件下的響應情況可以從這方面評判VFOC方案的性能。圖7、圖8分別給出了在同一時間對電機突加負載的情況下，作為整流模式的基于虛擬電網(wǎng)磁鏈控制方式的PWM整流器和作為回饋模式下的基于傳統(tǒng)控制方法模式下的PWM整流器相電流及母線電壓的跟蹤情況（調整負載變化方向，使電源工作在不同的模式下得到類似的響應結果）。兩份圖采用軟件采集，橫坐標為采樣次數(shù)，不對應具體時間單位，故不做單位標注；縱坐標分別為電流的幅值和電壓的幅值，均采用標幺值表示，也不做單位標注。從圖中可以看到，在突加負載時，處于整流模式下的基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的整流器經(jīng)過短暫的調整時間后恢復穩(wěn)定，與傳統(tǒng)的控制方法保持基本一致的響應速度。

圖7 基于虛擬電網(wǎng)磁鏈負載突變響應Fig.7 Mutation load response based on virtual grid flux

圖8 基于傳統(tǒng)方法負載突變響應Fig.8 Mutation load response based on traditional methods

4 結論

三相電壓型PWM整流器的網(wǎng)側部分與三相交流電機有著莫大的相似之處。通過將三相電壓型PWM整流器中各部分與三相交流電機做對比處理，可以將PWM整流器網(wǎng)側部分等效成受驅動器控制的電機側。因此可以類比于交流電機磁鏈觀測的方法來觀測虛擬電網(wǎng)磁鏈。相比電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法可以省略電網(wǎng)電壓傳感器，降低了三相PWM整流器的成本。本文分析了虛擬電網(wǎng)磁鏈的觀測方法，針對觀測方法中存在的積分環(huán)節(jié)可能帶來的直流偏置，設計了類似于抗飽和積分PID調節(jié)器方法的抗積分飽和積分器，可以有效地解決積分初值帶來的問題。本文應用現(xiàn)有PWM整流器在不增加硬件的情況下，采用基于虛擬電網(wǎng)磁鏈的方案進行實驗測試，結果表明采用這種方案的PWM整流器穩(wěn)態(tài)運行良好，并且動態(tài)調整較好，與采用電網(wǎng)電壓定向控制方法的PWM整流器性能相近。但是這種方案仍然有不足之處，需要后續(xù)更多的研究，但是是比較好的一種技術方案。

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