基于自抗擾的Vienna整流器新型雙閉環(huán)控制策略研究

彭鏡軒，聶金銅，張穎超，武藝楠

（1.陸軍工程大學，重慶 400035；2.63896 部隊，河南 洛陽 471000）

0 引 言

1994 年，奧地利學者J.W.Kolar 提出了一種新型三相脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）整流器拓撲，即Vienna 整流器拓撲。由于具有電流連續(xù)，電感上沒有零序電流、每個開關管所承受的最大電壓僅為母線電壓的一半、輸出橋臂不會直通，不需要設置開關管的死區(qū)時間、輸入電流紋波低，功率因數高等優(yōu)點，Vienna 整流器得到越來越多的應用，如新能源汽車充電樁、大功率通信電源、醫(yī)療設備等。

自從Vienna 整流器拓撲提出以來，各種控制策略不斷地被提出來。傳統(tǒng)雙PI 控制策略應用簡單，但是參數整定復雜，且對系統(tǒng)參數的敏感性高，特別是在負載突變等工況下動態(tài)特性差[1,2]；滯環(huán)電流控制策略電路簡單，動態(tài)響應快、魯棒性高，但各相電流相互影響、開關頻率不固定[3-6]；精確線性化控制策略在非線性、多變量的三電平整流器中表現出良好的控制性能，但需要使用高速數字信號處理器[7]；基于模糊比例諧振控制的控制策略可實現電流無誤差跟蹤控制，但其積分系數、模糊調整規(guī)則要靠經驗設計，缺乏系統(tǒng)科學性[8]；單周控制策略魯棒性高、開關頻率固定、控制電路簡單，但基本以分立元件、單周控制芯片為硬件配置，電路調整面臨的難度較大[9-13]；無源控制控制策略能確保全局穩(wěn)定，動態(tài)特性好，不存在奇異點問題，但會產生較高的交流電總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）[14-16]；直接功率控制策略結構簡單、功率因數高、響應快，但受三電平拓撲具有的特殊性影響，在三電平拓撲中應用此種控制策略有著不小難度[17]。因此，有必要將各種控制策略進行互補，形成更實用、性能更優(yōu)越的控制策略。本文將傳統(tǒng)雙閉環(huán)解耦控制中的外環(huán)PI 控制，由自抗擾控制律替換，形成一種新型雙閉環(huán)控制策略，該復合控制方法具有靜動態(tài)特性好、易于實現、魯棒性強的優(yōu)點。

1 結合自抗擾控制的控制律

Vienna 整流器在dq坐標系下的數學表達式可整理為

式中：ed和eq、id和iq、ud和uq分別為Vienna 整流器產生的交流電網電壓、電網電流和橋電的d軸、q軸分量；udc為直流側輸出電壓；r為等效線路和電感電阻；ω為交流電壓角頻率；Po為Vienna 整流器的負載功率。

由于q軸電流調節(jié)為0，忽略其中的耦合項和q軸分量，可得

式中：u(t)為控制器輸入到內環(huán)的參考；b為電路增益，固定為1.5ud/(Cudc)；a(t)可以看作集總擾動，包含外部擾動功率、內部損耗、控制差異的總和。

將直流側輸出電壓作為參量輸入進擴展狀態(tài)觀測器，能夠得到如圖1 所示的控制結構，其中包含外環(huán)電壓自抗擾控制環(huán)和內環(huán)電流控制環(huán)，電流環(huán)仍然使用傳統(tǒng) PI 進行控制。

圖1 Vienna 整流器自抗擾控制

控制律的核心是擴展狀態(tài)觀測器，對于一階的擴展能量狀態(tài)方程，使用二階觀測器實現觀測，其輸出z1是對變換器擴展狀態(tài)變量的估算，z2是對集總擾動a(t)的估算。采用線性龍貝格觀測器，對應表達式為

其中：

式中：p為觀測器的增益；u0由反饋增益kg和反饋誤差乘積構成；u的構造中使用了z2作為前饋通道中的前饋項。

將傳統(tǒng)雙閉環(huán)解耦控制中的外環(huán)PI 控制，由自抗擾控制律替換，得到圖2 所示的不同于傳統(tǒng)全PI控制的復合控制方法。

圖2 Vienna 整流器自抗擾控制框圖

2 參數整定

使用第1 節(jié)中的控制律，在z1能夠較好跟蹤變換器的直流側電壓，z2能夠跟蹤集總擾動前提下，a(t)與z2抵消，控制律等效為

此一階方程的解為

對電壓的跟蹤時間主要與反饋增益系數相關，若以跟蹤值達到目標值的1%以內確定建立時間，則跟蹤時間大約為5/kg，文獻[7]對直接狀態(tài)變量跟蹤的一階自抗擾控制，使用2%指標作為建立時間，得到Tsettle=4/kg。觀測器增益P應有充分的帶寬，通常設置為kg的310 倍，或者35 倍[21,22]。

為了驗證控制增益kg、觀測器增益P與瞬態(tài)恢復時間的對應關系，使用PLECS 在0.4 s 時刻加入2 kW 階躍負載，仿真不同配置參數情況下負載投切的瞬態(tài)響應。仿真對應的主要參數如表1 所示。

表1 仿真參數

瞬態(tài)響應與增益系數關系對比如圖3 所示。圖3 中上半部分為kg=700，p=2 000 的仿真結果，恢復時間約為0.10 s；下半部分為kg=350，p=2 000 的仿真結果，恢復時間約為0.20 s。可見，當將反饋控制增益加倍后，對應的瞬態(tài)恢復時間減小一半，恢復時間與反饋增益系數大小滿足對應關系。

圖3 瞬態(tài)響應與增益系數關系對比

3 仿真結果

在表2 所示的系統(tǒng)參數配置下，由輕載到2 kW恒功率負載的暫態(tài)過程波形及過渡后的穩(wěn)態(tài)如圖4所示。

表2 系統(tǒng)參數

圖4 新型雙閉環(huán)控制策略下Vienna 整流器穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)過程有效性驗證

本文設計的額定功率為7 kW，在額定功率內無論是自抗擾控制還是傳統(tǒng)的雙PI 控制，Vienna 整流器都能穩(wěn)定工作。經過調試，傳統(tǒng)雙PI 控制在電壓外參數為kp=1.5、ki=500 下的工作性能最好。Vienna整流器由輕載到2 kW 恒功率負載時，將新型雙閉環(huán)控制下與傳統(tǒng)雙PI 控制下的直流側電壓瞬態(tài)恢復時間對比，可得到圖5。根據圖5 可知，雖然自抗擾控制暫降較大，但是瞬態(tài)恢復時間更短。

圖5 2 種控制策略下Vienna 整流器瞬態(tài)恢復時間對比

4 結 論

本文提出了一種基于自抗擾的Vienna 整流器新型雙閉環(huán)控制策略，將傳統(tǒng)雙閉環(huán)解耦控制中的外環(huán)PI 控制，由自抗擾控制律替換，針對參數設計進行了具體分析，并在PLECS 環(huán)境下進行了仿真驗證。結果表明，本文提出的控制策略可行，相比傳統(tǒng)全PI 控制具有靜動態(tài)特性好、易于實現、具有很強的魯棒性強的優(yōu)點。