余發(fā)山，劉根鋒，張宏偉，耿　沖

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

單相PWM整流器前饋解耦控制策略研究

余發(fā)山，劉根鋒，張宏偉，耿沖

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000)

考慮到單相電壓型PWM整流器只有一相的特殊性,提出了一種基于旋轉坐標變換的前饋解耦控制策略，通過構建正交虛擬電流完成網(wǎng)側電流的單相旋轉坐標變換和采用前饋解耦控制，實現(xiàn)網(wǎng)側電流的矢量控制和穩(wěn)定直流母線電壓。在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型和基于RT-LAB的半實物仿真實驗平臺，結果表明該控制策略能夠滿足系統(tǒng)要求，驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。

單相PWM整流器；前饋解耦控制；單相坐標旋轉；單位功率因數(shù)

隨著電力電子器件性能的不斷提高，脈寬調(diào)制(PWM)整流器因具有諧波含量低、可實現(xiàn)網(wǎng)側電流正弦化且運行于單位功率因數(shù)還具有能量雙向流動等優(yōu)勢，在越來越多的場合獲得了廣泛的應用[1-2]。其中，在某些特定場合單相PWM整流器用的還是比較多，因而其控制策略也成為研究的熱點。目前單相電壓型PWM整流器主流的控制方法是基于PI、P調(diào)節(jié)器的雙環(huán)控制[3]，但無法實現(xiàn)電流的無靜差控制；比例諧振控制[4-5]不便實現(xiàn)有功、無功功率非獨立控制；基于旋轉坐標單相PWM整流器控制[6]輸入量之間相互耦合等控制策略存在一些不足。

本文采用的是基于坐標變換[7]的前饋解耦控制策略，實現(xiàn)單相PWM整流器有功、無功功率獨立控制、網(wǎng)側單位功率因數(shù)運行及穩(wěn)定直流母線側電壓。在MATLAB中進行建模仿真和RT-LAB的半實物實驗，結果表明此系統(tǒng)能夠達到控制要求，驗證了此控制策略的正確性和有效性。

1　單相PWM整流器的數(shù)學模型

單相PWM整流器的拓撲結構如圖1所示。

其中us、is、d為交流側電網(wǎng)電壓、電流和占空比，Ls為交流側電感，起能量傳遞、抑制網(wǎng)側高頻諧波以及平衡電網(wǎng)電壓與直流輸出電壓的作用；Rs為交流側等效電阻，一般比較??；udc為直流側電壓；V1～V4為全控型功率開關管；VD1～VD4為依次并聯(lián)在V1～V4上的續(xù)流二極管，以緩沖PWM過程中無功能量；電容C為直流濾波電容，為高次諧波電流提供低阻抗通路以及減少直流電壓紋波。通過功率開關管的控制，電路可以工作在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)。

由圖1可知，運用電路原理可得單相電壓型PWM整流器拓撲結構的占空比數(shù)學模型為：

設單相PWM整流器交流側電壓和電流分別為：

任意單相正弦向量x(t)分解后可得：

將Xd和Xq視作為d-q旋轉坐標系中的直流量，由于單相PWM整流器系統(tǒng)只有一個自由度，無法直接進行坐標變化，為此可以虛擬一個與單相系統(tǒng)交流量正交的交流量iv來滿足坐標變化的兩個自由度條件，從而可以構成虛擬的兩相靜止坐標系，然后可以用旋轉坐標變化將輸入電流轉化為旋轉坐標系下的直流量[8]。虛擬交流電流量可通過將實際的交流電流量延遲π/2然后乘以－1得到：

(2)式和(6)式可表示成(5)式的形式：

將(9)式帶入(1)式可得到單相電壓型PWM整流器在旋轉坐標系下的數(shù)學模型：

2　單相PWM整流器前饋解耦控制策略

從式(10)式可以看出，id、iq相互耦合，不能實現(xiàn)獨立控制，可以借鑒三相型PWM整流器中常用的前饋解耦控制方式，將其引入到單相電壓型PWM整流器的控制中，其控制數(shù)學模型為：

將式(11)帶入式(12)可得：

式(12)中：id、iq完全解耦，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立控制，其中id*為有功電流指令值，由電壓外環(huán)給出；iq*為無功電流指令值，設其為零即可實現(xiàn)單相電壓型PWM整流器網(wǎng)側運行于單位功率因數(shù)。其系統(tǒng)控制框圖如下圖2所示。

圖2　旋轉坐標變換的前饋解耦控制框圖

3　仿真和實驗驗證

3.1仿真分析

本文搭建了MATLAB/Simulink仿真模型，仿真參數(shù)為：網(wǎng)側電壓為交流us=220 V，頻率為50 Hz；交流側電感為Ls= 5 mH，交流側等效電阻為Rs=0.1 Ω；直流側電容為C=3 mF；直流母線電壓的直流值為Udc*=400 V，負載電阻為R=178 Ω；PWM整流器的輸出功率為900 W，仿真時間是0.5 s。

圖3　單相PWM整流波形

圖4　單相PWM逆變波形

圖3是單相PWM整流器整流狀態(tài)的網(wǎng)側電壓電流is和直流母線側電壓us波形。由圖可以看出直流母線電壓udc在0.25 s左右時系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，直流母線側電壓穩(wěn)定在400 V左右，并且網(wǎng)側電壓電流能夠?qū)崿F(xiàn)同相位運行且波形接近正弦波。圖4所示是單相PWM整流器逆變狀態(tài)的網(wǎng)側電流電壓波形。從圖中可以看出網(wǎng)側電壓電流能夠?qū)崿F(xiàn)反相位運行且波形接近正弦波。這說明了此前饋解耦控制算法能夠使單相PWM整流器運行在近單位功率因數(shù)，達到了控制要求且波形很好。

3.2實驗結果分析

為了進一步驗證所提出控制策略的正確性，搭建了基于RT-LAB的半實物仿真實驗平臺。RT-LAB是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套工業(yè)級的分布式實時系統(tǒng)平臺，可以在這個平臺上實時仿真，快速控制原型與硬件進行回路測試，實現(xiàn)工程項目的設計。

實驗電路參數(shù)：交流電壓有效值220 V，頻率50 Hz，交流側電感5 mH，直流側電容為3 000 μF，直流母線電壓指令400 V,負載178 Ω；主電路采用IXFH28N60P3 MOSFET管，驅(qū)動模塊采用IR2110，電流檢測用傳感器HBA10-SP，電壓檢測用HV25-P。

圖5是整流時直流母線側的電壓udc波形，直流母線側電壓能穩(wěn)定在400 V。圖6所示是在整流時交流側電壓us電流is波形，圖中顯示的波形接近正弦波，且電壓電流同相位，圖7是逆變時交流側電壓us電流is波形，波形接近正弦波，且電壓電流同反相位。說明此控制策略能達到控制要求，使網(wǎng)側電流正弦化和輸出穩(wěn)定在400 V。

圖5　直流母線udc波形

圖6　整流us與is波形

圖7　逆變us與is波形

4　結束語

本文分析了單相PWM整流器的工作原理，針對其特殊性，提出了一種基于單相坐標旋轉及其輸入電流前饋解耦的控制策略，并在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型和基于RT-LAB的半實物實時實驗平臺。仿真和實驗結果顯示，系統(tǒng)能夠運行在單位功率因數(shù)和維持直流側電壓的穩(wěn)定，驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。

[1]張興.PWM整流器及其控制策略的研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學，2003.

[2]YU F S,LIU G F,ZHANG H W.The design of monitoring system for Li-ion battery formation equipment[J].Advanced Materials Research,2014,953/954:780-785.

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Research on feed-forward decouple control strategy for single-phase PWM rectifier

YU Fa-shan,LIU Gen-feng,ZHANG Hong-wei,GENG Chong
(School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo Henan 454000,China)

Due to the only one phase of the single-phase voltage source PWM rectifier,a feed-forward decouple control strategy based on rotating coordinates transform was proposed,by constructing virtual current to complete single phase rotating orthogonal coordinate transformation of net side current.Finally,the MATLAB/Simulink simulation model and simulation experiment platform based on RT-LAB were built up.The results show that the control strategy can satisfy the system requirements,which verifies the correctness and validity of the proposed control strategy.

single-phase PWM rectifier;feed-forward decoupling control;single-phase coordinate rotation;unit power factor

TM 461

A

1002-087 X(2016)10-2068-03

2016-03-01

余發(fā)山(1952—)，男(土家族)，湖北省人，教授，博士生導師，主要研究方向為過程控制、電力電子傳動等。