摘 要：三相電壓源型PWM整流器（Three-Phase Voltage-Source PWM Rectifier，三相VSR）具有很強的非線性，但在抗干擾能力方面存在極大的問題。針對該問題，從三相VSR的數(shù)學模型出發(fā)，利用Park變換，將其轉(zhuǎn)換到d-q坐標系中，并根據(jù)數(shù)學表達式對交直軸電流分量實現(xiàn)前饋解耦控制。在此控制過程中，用電壓、電流雙滑模閉環(huán)控制器取代傳統(tǒng)PI控制器，再將輸出結(jié)果由Park逆變換后經(jīng)SVPWM控制得到三相VSR的控制信號。最后，利用Matlab/Simulink仿真平臺，驗證了所提基于雙滑?？刂频腜WM整流器閉環(huán)控制策略的合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：PWM整流器；雙閉環(huán)控制；前饋解耦；滑?？刂?/p>

中圖分類號：TM461" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0006-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.002

0" " 引言

隨著半導體器件及電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，三相VSR因其結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、功率因數(shù)高、輸出電壓紋波小，且交流側(cè)與直流側(cè)之間的能量能夠相互流動等優(yōu)點，在新能源發(fā)電與利用、有源電力濾波以及大功率通用變頻器等領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位[1-3]。但在實際應(yīng)用中，受外界各種干擾等其他因素的影響，當負載發(fā)生變化時，在不同程度上極易對三相VSR產(chǎn)生不同程度的沖擊。在三相VSR控制策略中，研究較多且廣泛使用的控制方法是電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)共同控制的雙閉環(huán)PI控制策略[2-4]，通過前饋解耦的方法，將交流側(cè)電流變換成有功分量和無功分量后通過PI控制器分別加以控制，而電壓環(huán)則采用PI控制實現(xiàn)對有功電流進行控制。在這種PI控制器中，當PI參數(shù)整定不合適時，容易造成系統(tǒng)的振蕩，嚴重時甚至會使系統(tǒng)發(fā)生崩潰。文獻[5]在PWM的同步坐標模型中引入串聯(lián)補償消除內(nèi)環(huán)與外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)零點，在保證功率因數(shù)和降低網(wǎng)側(cè)諧波的基礎(chǔ)上，PI參數(shù)的整定得以簡化。文獻[6]將電壓外環(huán)的給定電壓改為電壓的平方，使給定值與實際值的偏差以幾何倍數(shù)增加，在一定程度上能降低輸出電壓的超調(diào)量。

滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）又稱變結(jié)構(gòu)控制，是解決非線性系統(tǒng)控制問題的重要方法之一，因其抗擾能力強、動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[7]。文獻[8]為克服PMSM因外界干擾變化造成的電感參數(shù)變化等影響，提出了一種基于滑模觀測器的電流偏差解耦控制策略，解決了PMSM電壓前饋解耦抗擾性差，魯棒性能弱等問題；文獻[9]提出采用神經(jīng)元自適應(yīng)與滑模變結(jié)構(gòu)相結(jié)合的控制策略，有效解決了傳統(tǒng)PID引起的控制滯后性和穩(wěn)定性問題；文獻[10]設(shè)計出一種具有積分滑模控制算法替換外環(huán)PI控制策略，在傳統(tǒng)模型預(yù)測控制策略的基礎(chǔ)上提升了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾能力，降低了網(wǎng)側(cè)電流諧波，證明了積分滑?？刂撇呗员葌鹘y(tǒng)PI控制器具有更強的抗擾能力；文獻[11]針對三相VSR中電壓環(huán)抖振大、難以收斂等問題，設(shè)計出一種新型指數(shù)趨近率的滑?？刂破?，在保證魯棒性與響應(yīng)速度的同時使抖振得以削弱。

本文從三相VSR基本數(shù)學模型出發(fā)，在雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合電流解耦控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點，提出電壓電流環(huán)雙滑?？刂撇呗裕云谠谀軌蛞种苹？刂破鞯亩墩裢瑫r，更有效地提高系統(tǒng)的輸出響應(yīng)速度、瞬穩(wěn)態(tài)性能以及魯棒性能。

1" " 三相VSR的數(shù)學模型

三相VSR的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)基爾霍夫定律，可以得到式（1）所示的數(shù)學模型[12]：

2" " 前饋解耦控制

由式（2）可知，交流電流的d、q軸分量之間存在相互耦合的關(guān)系，在設(shè)計控制器時有一定的難度，為簡化設(shè)計，將前饋解耦控制策略[13]引入控制系統(tǒng)中，根據(jù)式（2），其控制公式為：

可見，通過前饋解耦，d、q軸電流分量之間再無任何耦合關(guān)系，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。通過式（3）可見，按照PWM整流器電壓方程，通過引入d、q軸電流的耦合量作為補償，這樣就實現(xiàn)了d、q軸電流分量的單獨控制，并且還能夠提高系統(tǒng)的控制精度。

3" " 三相VSR雙滑?？刂破髟O(shè)計

3.1" " 電流環(huán)滑?？刂破髟O(shè)計

電流內(nèi)環(huán)在控制中實質(zhì)上是一個隨動系統(tǒng)，其主要功能是使實際電流跟蹤指令電流，有效快速跟蹤指令電流。因而，在電流環(huán)控制器設(shè)計過程中，若參數(shù)設(shè)計不合理，將使交流電流含有較多的高次諧波，而且造成直流側(cè)輸出響應(yīng)速度慢，穩(wěn)壓效果不好，影響整個系統(tǒng)的功率因數(shù)，因此采用滑模控制器代替PI控制器。

首先，定義兩個滑模面：

只要合適選擇該滑?？刂茀?shù)，就可以使控制量從任意位置都能可靠地到達滑模面。

3.2" " 電壓環(huán)滑模控制器設(shè)計

電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計能夠較好地實現(xiàn)系統(tǒng)的跟隨特性，而電壓外環(huán)系統(tǒng)設(shè)計的目的主要是使負載發(fā)生變化時直流側(cè)輸出電壓盡可能保持恒定，且要求其控制穩(wěn)定性好，魯棒性強，因此選擇電壓環(huán)滑?？刂破鞯幕Ｃ鏋椋?/p>

為Park坐標變換提供相位角，經(jīng)常采用鎖相環(huán)（Phase-locked Loop，PLL）技術(shù)鎖定三相交流電源的相位[14]，根據(jù)式（13），系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時有i* d=id，結(jié)合式（8）得到三相VSR輸入端電壓的d、q軸分量，將其經(jīng)Park變換通過SVPWM控制后即可得到PWM功率管的開關(guān)信號，該控制策略下三相VSR雙滑模閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4" " 三相VSR雙滑?？刂品抡骝炞C

為驗證本文提出方案的正確性與有效性，在MATLAB/Simulink平臺中搭建三相VSR雙滑?？刂撇呗缘姆抡婺Ｐ?，并與傳統(tǒng)PI控制器的前饋解耦控制進行比較，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

設(shè)定直流側(cè)給定電壓為DC800 V，0.2 s時，直流側(cè)給定電壓從800 V以一定斜率上升至1 200 V，仿真結(jié)果如圖4～圖8所示。

由圖4所示的雙滑?？刂疲⊿MC）與傳統(tǒng)PI控制直流側(cè)輸出電壓波形對比圖可見，兩者控制策略的穩(wěn)態(tài)誤差均比較小，都能夠滿足控制要求，但在雙滑?？刂撇呗韵?，直流側(cè)輸出電壓能更好地跟蹤給定電壓，且直流側(cè)輸出電壓的最大電壓偏差明顯要小于傳統(tǒng)PI控制策略；由圖5與圖6所示的交流側(cè)相電壓與相電流波形圖可知，兩控制方式下，在給定交軸電流i* q=0時，交流側(cè)相電壓與相電流的相位均能保持較好的同步，但在給定電壓上升過程中，在雙滑模控制方式下交流側(cè)相電流對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊明顯較小，因而有利于降低系統(tǒng)的機械強度；由圖7和圖8所示的仿真結(jié)果可知，采用雙滑?？刂撇呗詴r，三相VSR的輸入電流的諧波含量明顯小于傳統(tǒng)PI控制策略的輸入電流的諧波含量，因而可以提高三相VSR的功率因數(shù)與變流效率。

5" " 結(jié)論

本文提出了一種基于雙滑?？刂频娜郪SR的電流前饋解耦控制策略，該控制策略中，電壓控制外環(huán)采用指數(shù)趨近率作為滑動模態(tài)，在使輸出電壓快速跟蹤給定輸出電壓的基礎(chǔ)上，提高了趨近率的品質(zhì)，電流內(nèi)環(huán)滑模控制采用具有平滑曲線特性的反正切函數(shù)作為切換函數(shù)，能在滑模切換面附近降低切換函數(shù)的切換頻率，以達到降低系統(tǒng)抖振的目的。Simulink仿真表明，該方法能夠有效消除PWM整流器d、q軸電流之間的耦合關(guān)系，改善系統(tǒng)動態(tài)特性，而且交流側(cè)電壓產(chǎn)生的諧波相對較少，有利于提高系統(tǒng)的變換效率和抗干擾性能。

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收稿日期：2024-05-06

作者簡介：謝丹（1990—），女，湖南邵陽人，講師，研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)。