黃輝先　龐達(dá)凌　周鵬　羅骎

摘要：提出基于功率控制的三相電壓型PWM（pulse width modulation）整流器控制器設(shè)計方法。根據(jù)能量守恒原理建立的VSR（voltage source rectifier）數(shù)學(xué)模型可通過忽略回路電阻及電感充放電所消耗的能量等效成線性定常系統(tǒng)。系統(tǒng)外環(huán)采用電容儲能控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制，同時引入直流負(fù)載功率補(bǔ)償，實現(xiàn)對電容儲能變化率的直接控制。電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦PI（proportionalintegral）控制，將內(nèi)環(huán)等效成一階慣性環(huán)節(jié)。電容儲能外環(huán)采用PI控制，利用代數(shù)分析及根軌跡分析，提出外環(huán)PI參數(shù)的設(shè)計方法。VSR系統(tǒng)整體等效為二階系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：本文所提出的控制器設(shè)計方法能使得VSR達(dá)到優(yōu)異的性能。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；功率控制；電容儲能；功率補(bǔ)償；控制器設(shè)計

中圖分類號：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：This paper presented the controller design for threephase voltage source PWM rectifier based on power control. The mathematical model of VSR was established in accordance with principle of conservation of energy， and it can be equivalent to linear time-invariant system by omitting loop resistances energy and the energy consumed by charging and discharging of inductors. Capacitiveenergystorage control was adopted in outer loop of the system， and a current control in the inner loop. Meanwhile， power compensation of DCload was also used to control the change rate of capacitor energy storage directly. In the inner loop， feed forward decoupling control method with PI regulator was used to make the loop equivalent to a firstorder inertial element. PI control was adopted in the outer loop， and algebraic analysis and root locus analysis were used to provide PI parametric design method. The whole VSR system is equivalent to a secondorder system， and the simulation results show that the controller design method proposed can bring VSR an excellent performance.

Key words：PWM rectifier； power control； capacitance energy storage； power compensation； controller design

1引言

整流器是一類重要電力電子變流裝置，與傳統(tǒng)相控型整流器相比，PWM整流器能提供高質(zhì)量的直流電源，僅產(chǎn)生易于濾除的高次諧波，并能實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

近年來，國內(nèi)外同行提出了多種控制方案，主要集中于兩類，即直接功率控制[2-4]和基于電流電壓雙閉環(huán)的矢量控制[1]。但直接功率控制和矢量控制的關(guān)鍵區(qū)別在于功率控制的實現(xiàn)。矢量控制通過調(diào)節(jié)電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)有功和無功。而直接功率控制通過選擇整流橋開關(guān)函數(shù)實現(xiàn)對有功無功的直接控制。這些都是針對內(nèi)環(huán)的控制方案。文獻(xiàn)[1]提出了VSR數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)，即采用電壓平方代替原有的電壓，但僅用很少量篇幅，也沒有指明電壓平方的物理意義。文獻(xiàn)[4]采用電壓平方作為系統(tǒng)外環(huán)的控制目標(biāo)，但是文獻(xiàn)[4]的主要研究內(nèi)容是電流內(nèi)環(huán)。

姜衛(wèi)東等學(xué)者提出了直流負(fù)載反饋和負(fù)載功率前饋的控制策略[5，6]，本文稱之為功率控制。文獻(xiàn)[5]主要應(yīng)用于DC/DC的boost變換器。文獻(xiàn)[6]主要應(yīng)用于AC/DC的boost變換器，即本文所述的PWM整流器。文獻(xiàn)[5]、[6]思路一致，僅應(yīng)用對象不同。文獻(xiàn)[5]、[6]并沒有詳細(xì)敘述控制器的設(shè)計方法，僅參考文獻(xiàn)[2]的方法，將VSR系統(tǒng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng)，且敘述篇幅少。并且，所提出的通過忽略電阻消耗功率和電感儲能吸收功率來簡化系統(tǒng)模型，其合理性，并沒有驗證。

本文將VSR系統(tǒng)設(shè)計成二階系統(tǒng)，因為對二階系統(tǒng)性能的研究最為簡便。

2三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

其中ea、eb、ec為互差120deg的三相交流電網(wǎng)電壓，ia、ib、ic為三相交流側(cè)電流，va、vb、vc為整流器三相交流側(cè)電壓，R為交流等效電阻、L為交流電感、udc為直流側(cè)電壓，idc為負(fù)載電流，RL為負(fù)載電阻，C為直流電容，sa、sb、sc為整流橋開關(guān)函數(shù)。

5數(shù)字仿真

前文討論了基于功率控制的VSR控制策略及控制器的設(shè)計，在控制器設(shè)計中簡化了VSR數(shù)學(xué)模型?；贛ATLAB平臺，數(shù)字仿真分為兩部分：1. 利用POWER SYSTEM工具箱進(jìn)行電力電子系統(tǒng)仿真，驗證控制策略的有效性；2.對VSR簡化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行基于傳遞函數(shù)的數(shù)字仿真，并與電力電子系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證模型簡化的合理性。

5.1電力電子系統(tǒng)仿真

利用MATLAB平臺POWER SYSTEM工具箱進(jìn)行10kW電力電子系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。主要仿真參數(shù)為：

直流電壓UDC=700 V；電網(wǎng)電壓EN=220 V；

交流電流最大值（峰值）IACmax =idmax =30 A；

交流電感L=4 mH；交流電阻R=0.15 Ω；

直流電容C=2350 uF；負(fù)載電阻RL=49 Ω。

傳感器采樣周期Ts=（1/18000） s；

電容儲能外環(huán)參數(shù)：KQCP=960KQCI=96；

電流內(nèi)環(huán)參數(shù)：KiP=24KiI=900；

由上圖可知，基于傳遞函數(shù)的數(shù)字仿真與電力電子系統(tǒng)仿真波形非常接近，由計算得到，誤差小于5%。兩次仿真的結(jié)果僅在VSR負(fù)載突變瞬間有一定的差異。這是因為在電流突變瞬間，電感充放電會吸收（釋放）能量，也僅在此刻，前述的模型簡化會帶來一定誤差。但總體而言，模型的簡化是合理的。

6結(jié)論

本文提出了基于功率控制的三相電壓型PWM整流器控制器設(shè)計方法，在控制器設(shè)計中，通過簡化模型，將VSR系統(tǒng)整體等效成二階系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的控制器設(shè)計方法能使VSR達(dá)到優(yōu)異的性能，并且，設(shè)計過程中的模型簡化是合理的。

參考文獻(xiàn)

[1]張崇巍， 張興. PWM 整流器及其控制[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.

[2]李子欣，李耀華，王平，等. PWM整流器在靜止坐標(biāo)系下的準(zhǔn)直接功率控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，09：47-54.

[3]王久和， 李華德. 一種新的電壓型PWM整流器直接功率控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2005， 25（16）：47-52.

[4]王恩德，黃聲華. 三相電壓型PWM整流的新型雙閉環(huán)控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，15：24-30.

[5]姜衛(wèi)東， 吳志清， 胡楊，等. 直流電容儲能反饋和負(fù)載功率前饋的Boost變換器控制策略[J]. 電力自動化設(shè)備， 2014， 34（8）：103-107.

[6]姜衛(wèi)東， 李王敏， 佘陽陽，等.直流電容儲能反饋和負(fù)載功率前饋的PWM整流器控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2015， 30（8）：151-158.

[7]MARTINEZRODRIGUEZ P R，ESCOBAR G， VALDEZFERNANDEZ A A， et al. Direct Power Control of a ThreePhase Rectifier Based on Positive Sequence Detection[J]. Industrial Electronics IEEE Transactions on， 2014， 61（8）：4084-4092.

[8]GE J，ZHAO Z，YUAN L，et al.Direct Power Control Based on Natural Switching Surface for ThreePhase PWM Rectifiers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（6）：2918-2922.

[9]JIANG D，WANG F.CurrentRipple Prediction for ThreePhase PWM Converters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2014， 50（1）：531-538.

[10]鄧衛(wèi)華， 張波， 丘東元，等. 三相電壓型PWM整流器狀態(tài)反饋精確線性化解耦控制研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報， 2005， 25（7）：97-103.

[11]黃望軍. PWM整流器的雙采樣控制策略研究[J]. 湘潭大學(xué)：自然科學(xué)學(xué)報，2011，02：28-32.