國網(wǎng)吉林省電力有限公司集安市供電公司 李軒宇

由于傳統(tǒng)前饋解耦控制方法電壓外環(huán)模型復(fù)雜，導(dǎo)致解耦控制時(shí)間較長，研究PWM整流器系統(tǒng)雙向運(yùn)行前饋解耦控制的新方法。利用分量輸入電壓解耦dp坐標(biāo)系，采用合并小時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)換PI調(diào)節(jié)器的形式，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)，通過簡化直流側(cè)電流的原始算法得到新的算法，構(gòu)建電壓外環(huán)解耦控制模型。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單相PWM整流器中的本文方法的解耦控制時(shí)間平均為0.298s，傳統(tǒng)方法平均為0.899s，在三相PWM整流器中本文方法的解耦控制時(shí)間平均為0.424s，傳統(tǒng)方法平均為1.04s，本文設(shè)計(jì)的PWM整流器系統(tǒng)雙向運(yùn)行前饋解耦控制方法更快。

PWM整流器系統(tǒng)成為了傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的替代產(chǎn)品，在太陽能發(fā)電等眾多電力領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。由于系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中需要輸入指令來操控某一部分進(jìn)行活動(dòng)，但這種指令的輸入不是一次性的，在活動(dòng)的過程中，還需要向受控的部位利用捷徑的方式傳遞前饋信號，受控部位在接收原始指令的同時(shí)也需要接收前饋信號，可以保證活動(dòng)的準(zhǔn)確執(zhí)行。前饋信號的傳遞由于不是單一輸入得到單一輸出的，因此多個(gè)信號同時(shí)輸入就會(huì)出現(xiàn)耦合的情況，會(huì)使得信號的傳輸發(fā)生紊亂，受控部位會(huì)接收不正確的信號。因此如何解除前饋信號傳遞過程中出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象就變得十分的重要。

1 雙向運(yùn)行前饋解耦控制方法

1.1 分量前饋解耦旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

PWM整流器dq坐標(biāo)系中的軸變量是相互耦合的，因此需要對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解耦?？刂葡到y(tǒng)的指令電壓是交流輸入電壓在坐標(biāo)軸上的分量，有功與無功電流相互耦合，采用電流解耦的方式實(shí)現(xiàn)控制。在dq坐標(biāo)系中，交流的側(cè)電壓的表達(dá)式如下列公式(1)所示。

在公式(1)中，ud代表d坐標(biāo)軸中的側(cè)電壓，ld代表分量電壓，Vad表示有功電流的轉(zhuǎn)速，ad表示有功電流，s為時(shí)間，C為長度，α為有功電流的長度系數(shù)。在q坐標(biāo)中字母代表的意思與d坐標(biāo)中字母代表的意思相同。將指令電壓在兩個(gè)坐標(biāo)軸中進(jìn)行分量，可以得到下列公式(2)。

通過調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)電流的實(shí)際值和給出的原始值可以得到下列公式(3)。

在公式(3)中，Qj為電流的實(shí)際值，Qz為給定值，i為電流經(jīng)過的路程，為d軸上的交流側(cè)指令電壓。lq0為q軸上的交流側(cè)指令電壓。將上述公式(3)代入公式(2)中，再將公式(2)代入公式(1)中，就能得到模型。在該坐標(biāo)中，將電網(wǎng)電壓的初始值設(shè)定為d軸的初始值，交流側(cè)電流的初始量與電網(wǎng)電壓的初始值呈相關(guān)關(guān)系，因此，只有d軸需要進(jìn)行分量，q軸的分量則為0。

1.2 設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)

設(shè)系統(tǒng)采樣的時(shí)間為T，電流無法進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，電流采樣一般都具有滯后性，因此，整流器就成為了一個(gè)小的慣性環(huán)節(jié)。交流側(cè)就會(huì)成為一個(gè)積分環(huán)節(jié)。將指令電壓輸入電流內(nèi)環(huán)，得到滯后的電流采樣，通過整流橋等效增益得到整流器的小慣性環(huán)節(jié)，將d軸中的側(cè)電壓和分量電壓分別輸入電流內(nèi)環(huán)，得到有功電流。將整個(gè)電流控制環(huán)結(jié)構(gòu)中的小時(shí)間常數(shù)進(jìn)行合并，再將PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換到零極點(diǎn)這種形式，則可以使整個(gè)流程不經(jīng)過滯后的電流采樣環(huán)節(jié)，而是基于合并后的小時(shí)間常數(shù)和PI調(diào)節(jié)器的零極點(diǎn)形式直接在輸入側(cè)電壓和分量電壓后，得到有功電流，當(dāng)忽略電網(wǎng)電壓的干擾時(shí)，為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，將電流內(nèi)環(huán)采用Ⅱ型系統(tǒng)，將中寬頻設(shè)置為5，提高電流的響應(yīng)速度。

1.3 構(gòu)建電壓外環(huán)解耦控制模型

PI調(diào)節(jié)器的輸出會(huì)被認(rèn)定為指令電流，電壓外環(huán)的電壓可以用下列公式(4)來表示。

而當(dāng)單位功率呈現(xiàn)出因數(shù)狀態(tài)的時(shí)候，電網(wǎng)的電壓將會(huì)與交流側(cè)電流一致，即為公式(5)所示。

每個(gè)交流側(cè)電流與開關(guān)函數(shù)相乘之后，再全部相加起來，便得到了直流側(cè)電流，只考慮該函數(shù)的低頻分量，此時(shí)這個(gè)函數(shù)可以用下列公式(6)來表示。

在公式(6)中δ為初始相位角，x為調(diào)制比，調(diào)制比最大不能超過1。將公式(5)和公式(6)代入直流側(cè)電流的運(yùn)算公式中，會(huì)簡化直流側(cè)電流的原始公式，得到一個(gè)新的簡便公式，如下列公式(7)所示。

因?yàn)殡妷旱牟蓸油娏饕粯佣季哂袦笮?，所以，電壓采樣環(huán)節(jié)同樣可以看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，且此慣性環(huán)節(jié)的滯后時(shí)間為3倍。輸入原始電壓，通過采樣環(huán)節(jié)，經(jīng)歷3倍的采樣時(shí)間，利用公式(7)通過加入側(cè)電流和分量電流最終得到有功電壓。依舊和電流內(nèi)環(huán)一樣將調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為零極點(diǎn)模式，合并小時(shí)間常數(shù)。調(diào)整后的整個(gè)流程不經(jīng)過滯后的電壓采樣環(huán)節(jié)，而是基于合并后的小時(shí)間常數(shù)和PI調(diào)節(jié)器的零極點(diǎn)形式直接在輸入側(cè)電流和分量電流后，得到有功電壓。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，將電壓外環(huán)采用Ⅱ型系統(tǒng)，將中寬頻設(shè)置為5。根據(jù)上述算法設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器，確定基本參數(shù)，在實(shí)際系統(tǒng)中還需要對調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)的微調(diào)，以提高控制準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文研究的PWM整流器系統(tǒng)雙向運(yùn)行前饋解耦控制方法的解耦控制時(shí)間，選擇單相三相兩種整流器分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，選取本文設(shè)計(jì)的解耦控制方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)為對照組，對兩種方法解耦控制的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第一組在單相PWM整流器中進(jìn)行系統(tǒng)雙向運(yùn)行前饋解耦控制實(shí)驗(yàn)。為防止出現(xiàn)偶然性及其他因素的影響，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說服力和可靠程度，故進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，10次實(shí)驗(yàn)輸入的指令逐漸復(fù)雜。表1為兩種方法解耦控制時(shí)間。

表1 單相PWM整流器解耦控制時(shí)間(s)

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組比對照組的解耦控制時(shí)間更快。第二組在三相PWM整流器中進(jìn)行系統(tǒng)雙向運(yùn)行前饋解耦控制實(shí)驗(yàn)。表2為兩種方法解耦控制時(shí)間。

表2 三相PWM整流器解耦控制時(shí)間(s)

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)組比對照組的解耦控制時(shí)間更快。通過以上兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，本文所用的前饋解耦控制方法所需要的時(shí)間都小于傳統(tǒng)前饋解耦控制方法。

結(jié)束語：本文給出新的PWM整流器系統(tǒng)雙向運(yùn)行前饋解耦控制方法，該方法在理論上比傳統(tǒng)方法解耦控制的速度更快，解耦控制效果更好。但本文僅從解耦時(shí)間上進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以單相PWM整流器和三相PWM整流器為對象，對比傳統(tǒng)解耦控制方法和本文解耦控制方法在控制時(shí)間上的差異，得到本文的解耦控制方法比傳統(tǒng)解耦控制方法用時(shí)更短的結(jié)論。