鄭　宏，王哲禹，黃　俊，張　云

（1.機械工業(yè)設施農(nóng)業(yè)測控技術與裝備重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

三相PWM整流器前饋與滑模變結構控制研究*

鄭宏1，2*，王哲禹2，黃俊2，張云2

（1.機械工業(yè)設施農(nóng)業(yè)測控技術與裝備重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

針對雙閉環(huán)PI控制策略抑制負載擾動及電網(wǎng)電壓波動能力差，以及系統(tǒng)動態(tài)響應慢等問題，提出了負載電流前饋策略來提高系統(tǒng)抗負載波動能力。并且電流環(huán)采用基于PID趨近率的滑模變結構控制策略來滿足前饋控制策略對內(nèi)環(huán)響應速度的要求，并提高系統(tǒng)動態(tài)性能以及魯棒性，應用PID趨近率可以有效抑制傳統(tǒng)變結構的抖振問題。應用Matlab/Simulink軟件進行仿真，并在多功能新能源實驗平臺進行實驗結果顯示所提出控制方法可有效抑制負載變化、電網(wǎng)電壓波動以及其它干擾所對直流電壓穩(wěn)定性的影響，具有很強的魯棒性，動態(tài)響應速度快且性能穩(wěn)定。

電壓源整流器；前饋控制；變結構；PID趨近率

三相電壓型PWM整流器（VSR）具有功率雙向流通、單位功率因數(shù)運行、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、輸出直流電壓可調(diào)等諸多優(yōu)點，真正的實現(xiàn)“綠色電能變換”。PWM整流器廣泛應用于直流電源、電機調(diào)速、有源電力濾波、無功補償、超導儲能、統(tǒng)一潮流控制器、風能及太陽能新能源發(fā)電等領域［1］。

三相VSR控制目標分別是：直流電壓穩(wěn)定，響應快速；網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)運行。對與電網(wǎng)諧波大和負載功率的變化等情況會影響整流器輸入電流THD和直流電壓的穩(wěn)定性。由于PWM整流器是非線性時變系統(tǒng)，系統(tǒng)建模與分析困難，雖然提出時間最優(yōu)控制、模糊智能控制、二次最優(yōu)控制等非線性控制理論，并取得了一定效果，但其計算復雜難以數(shù)字化實現(xiàn)，因此無法推廣應用。傳統(tǒng)方法大多局限于電流環(huán)的改進，而忽略了電壓環(huán)控制策略的研究。

通過VSR原理分析，根據(jù)功率平衡原則，本文提出在電壓環(huán)加入負載電流前饋的控制理論［5-6］，通過負載電流前饋抑制負載變化對直流電壓的影響。在穩(wěn)態(tài)運行時，負載電流前饋可快速響應負載變化，進行調(diào)控。其前饋控制策略是建立在電流環(huán)響應快速的基礎之上，因此電流環(huán)采用基于PID趨近率［6-8］的滑模變結構控制方法，提高內(nèi)環(huán)響應速度，還解決電網(wǎng)諧波對整流器性能的影響。但由于系統(tǒng)慣性等因素影響，滑模變結構控制有嚴重的抖振問題，采用PID趨近率的方法可以抑制變結構的抖振問題。

1　三相VSR數(shù)學模型

三相電壓型PWM整流器（VSR）主電路圖如圖1所示。ea、eb、ec、ua、ub、uc、eb分別為三相電網(wǎng)電壓與VSR交流側(cè)電壓；ia、ib、ic為VRS交流側(cè)電流；L為濾波電感；R、C分別為輸入電阻、直流側(cè)電容；整流器負載等效為RL；iL為負載電流。

圖1　三相VSR主電路圖

三相VSR在與電網(wǎng)基波頻率同步的兩相旋轉(zhuǎn)（DQ）坐標系下的數(shù)學模型為：

式中：ed、eq為電網(wǎng)電動勢矢量的d，q分量；ud、uq為三相VSR交流側(cè)電壓矢量d，q分量；id、iq為VSR交流側(cè)電流矢量的d、q分量；p為微分算子。

圖2　傳統(tǒng)VSR雙閉環(huán)原理圖

如圖2所示，雙閉環(huán)控制由電壓環(huán)和電流環(huán)構成，其中電壓環(huán)負責穩(wěn)定直流母線電壓；電流環(huán)根據(jù)電壓輸出的指令進行電流控制。由式（1）可知，d、q軸的電流變量存在耦合，因此引入前饋解耦控制，即電流環(huán)采用PI控制得到電壓指令，的表達式：

2　負載電流前饋控制策略

傳統(tǒng)的采用PI控制器的雙閉環(huán)控制策略在負載變化及電壓波動時，直流母線電壓波動較大，響應速度慢，穩(wěn)態(tài)性能差。為了改善VSR的性能，電壓環(huán)采用負載電流前饋策略。

根據(jù)功率守恒原則，即VSR的輸入功率等于輸出功率，可得到：

式中：PC為直流母線電容功率；PL為負載功率。

若將同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸按電網(wǎng)電壓矢量E定向，此時電網(wǎng)電壓 q軸分量eq=0，d軸分量ed=Em，Em為電網(wǎng)電壓最大值。假設電流環(huán)響應速度足夠快，即id≈，則功率表達式可以表示為：

根據(jù)式（3）、式（4），有功功率電流指令值可表達為：

電容功率通過PI調(diào)節(jié)器輸出，負載功率通過前饋控制輸出，則指令電流可改寫為：

聯(lián)立式（7）、式（8）得：

當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)時，負載變化和電網(wǎng)電壓波動幾乎不會影響直流電壓穩(wěn)定性［10］。系統(tǒng)根據(jù)負載電流的前饋信號快速的跟蹤控制，維持輸入與輸出功率平衡，保持直流母線電壓的穩(wěn)定。因此前饋控制提高了穩(wěn)態(tài)時VSR的抗干擾能力以及動態(tài)性能。

3　基于PID趨近率的滑模變結構控制

前饋控制策略是建立在電流環(huán)響應快速、穩(wěn)定的基礎上，而采用PI控制器調(diào)節(jié)的電流閉環(huán)響應速度慢，魯棒性差，控制效果不佳?；Ｗ兘Y構控制本質(zhì)上是一種不連續(xù)的非線性控制，其特點是系統(tǒng)的“結構”不固定，根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)有目的變化，使系統(tǒng)按照預定“滑動模態(tài)”運動到所期望指標。其具有快速響應，對外部擾動及內(nèi)部參數(shù)變化有完全適應性，物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。但由于系統(tǒng)軌跡到達切換面時，速度有限大，因為慣性的存在，其狀態(tài)軌跡不斷地穿越滑模面，產(chǎn)生抖振，影響了系統(tǒng)穩(wěn)定性以及變結構控制的推廣應用。

圖3　優(yōu)化控制方案

通過設置PID參數(shù)使0＜ξ＜1（欠阻尼系統(tǒng)），特征方程有一對共軛復根，式（12）解為：

抖振問題只能抑制，不能消除，本文采用PID趨近率設的計方案來保證滑動模態(tài)到達過程的動態(tài)品質(zhì)，減弱系統(tǒng)抖振。

3.1PID趨近率設計

對式（10）求導得：

式（11）為二階微分方程，其特征方程為：

s（0）為初始狀態(tài)。由式（13）可看出，系統(tǒng)響應是按指數(shù)衰減振蕩規(guī)律趨近滑模面。

3.2滑模變結構控制器設計

將式（14）化為：

【病因】病原為屬于扁形動物單殖類的三代蟲（Gyrodactylus sp.）。其主要寄生在體表的有眼側(cè)。該蟲后端吸盤中央的1對短且粗的錨鉤，長度35～40μm。

式（15）中，Ad、Bd為矩陣系數(shù)，F(xiàn)d為擾動量。

系統(tǒng)的切換函數(shù)設計為：

運動點按PID趨近率到達滑模面，根據(jù)式（10）、式（16）可得到滑模變結構控制器參數(shù)為：

由式（17）得到：

式（18）中ukd為系統(tǒng)進入切換面的等效控制量。D軸按電網(wǎng)電壓定向，即ed=Em，eq=0，ukd為：

同理得到其Q軸電壓矢量uq。

4　仿真實驗

為驗證變結構優(yōu)化控制對于VSR負載功率變化和抑制電網(wǎng)電壓波動等外界擾動的能力，首先應用Matlab/Simulink軟件進行仿真，然后以多功能新能源實驗平臺進行實驗仿真。三相VSR的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。在VSR整流器運行時，突然加大負載功率，驗證負載功率變化時，整流器動態(tài)性能的變化，驗證本文提出方法的有效性。

表1　VSR參數(shù)

圖4為負載變化時PI控制、前饋控制、變結構優(yōu)化控制的直流電壓、電網(wǎng)電壓和輸入電流的仿真波形。3種方法比較可知，前饋控制抗負載變化能力強，直流電壓恢復快，但無法抑制電網(wǎng)諧波干擾，電流畸變率達。而將前饋控制和滑模變結構控制相結合的優(yōu)化控制，不僅減小負載變化所帶來的影響，還可抑制電網(wǎng)諧波的影響，電流畸變率低，動態(tài)響應速度更快。

圖4　MATLAB仿真波形

圖5展示負載變化時，3種控制方法的實驗波形。為檢驗諧波對整流器的干擾，整流器輸入電壓含有一定量的諧波。當系統(tǒng)的負載發(fā)生變化時，PI控制效果最差，直流電壓波動大，輸入電流畸變高；帶有前饋的PI控制直流母線電壓波動相對較小，但輸入電流波形畸變較高。采用PID趨緊率的優(yōu)化控制，由于提高電流內(nèi)環(huán)的響應速度，使直流母線電壓波動與恢復時間進一步減小，并且采用滑模變結構控制可以抑制電網(wǎng)電壓諧波對整流器性能干擾，其輸出電流畸變率低。

圖5　實驗波形

5　結論

本文提出了結合PID趨近率的滑模變結構控制與負載電流前饋控策略，將優(yōu)化控制方法與傳統(tǒng)PI控制進行Matlab/Simulink仿真并應用新能源實驗平臺進行實驗驗證。將仿真、實驗波形進行對比可知，負載電流前饋可以有效抑制負載變化以及電網(wǎng)電壓波動對直流母線電壓的影響；電流環(huán)采用基于PID趨近率的滑模變結構控制可有效抑制抖振問題，提高整流器的魯棒性與動態(tài)性能。

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鄭宏（1965-），男，教授，博士，研究方向為大功率電力電子變換器、分布式發(fā)電與儲能技術研究；

王哲禹（1989-），男，碩士生，研究方向為大功率電力電子變換器、光伏并網(wǎng)逆變器、PWM整流器；

黃?。?990-），男，碩士生，有源濾波裝置、分布式發(fā)電與儲能技術研究；

張云（1990-），女，碩士生，無功補償裝置，開關電源研。

Design on Feed-Forward and Variable Structure Control for Three-Phase Voltage Source PWM Rectifier*

ZHENG Hong1，2*，WANG Zheyu2，HUANG Ju2，ZHANG Yun2
（1.Key Laboratory of Facility Agriculture Measurement and Control Technology and Equipment of Machinery Industry，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2.Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

To improve the function of traditional double closed-loop PI control strategy，in which insurance load disturbance and voltage fluctuation have a great influence on the DC bus voltage，as well as dynamic response problem. Load current feed forward strategy was proposed to weaken load disturbance.Current loop uses sliding mode control based on PID trending law strategy to satisfy the requirement of load current feed-forward and improve robusness. PID trending law can minimize the vibration of sliding mode control.Simulation with Matlab/Simulink and experiment result of new energy experimental platform shows proposed method can effectively eliminate the DC bus voltage fluctuation，which caused by load change and grid voltage fluctuation，fast dynamic response and robustness.

VSR；feed-forward control；sliding mode control；PID reaching law

TM46

A

1005-9490（2016）05-1275-05

項目來源：江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目（61074019）

2015-06-27修改日期：2015-12-14

EEACC:121010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.049