三相PWM整流器雙滑?？刂撇呗匝芯?/h1>
2024-12-31 00:00:00謝丹宋安寧周明剛岑藝
機電信息 2024年17期
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的數學模型出發，利用Park變換，將其轉換到d-q坐標系中，并根據數學表達式對交直軸電流分量實現前饋解耦控制。在此控制過程中，用電壓、電流雙滑模閉環控制器取代傳統PI控制器，再將輸出結果由Park逆變換后經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整流器閉環控制策略的合理性和有效性。
關鍵詞：PWM整流器；雙閉環控制；前饋解耦；滑模控制
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的發展，三相VSR因其結構簡單、可控性好、功率因數高、輸出電壓紋波小，且交流側與直流側之間的能量能夠相互流動等優點，在新能源發電與利用、有源電力濾波以及大功率通用變頻器等領域占據了舉足輕重的地位[1-3]。但在實際應用中，受外界各種干擾等其他因素的影響，當負載發生變化時，在不同程度上極易對三相VSR產生不同程度的沖擊。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環與電壓外環共同控制的雙閉環PI控制策略[2-4]，通過前饋解耦的方法，將交流側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，而電壓環則采用PI控制實現對有功電流進行控制。在這種PI控制器中，當PI參數整定不合適時，容易造成系統的振蕩，嚴重時甚至會使系統發生崩潰。文獻[5]在PWM的同步坐標模型中引入串聯補償消除內環與外環閉環傳遞函數零點，在保證功率因數和降低網側諧波的基礎上，PI參數的整定得以簡化。文獻[6]將電壓外環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增加，在一定程度上能降低輸出電壓的超調量。
滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）又稱變結構控制，是解決非線性系統控制問題的重要方法之一，因其抗擾能力強、動態響應速度快等優點受到國內外學者的廣泛關注[7]。文獻[8]為克服PMSM因外界干擾變化造成的電感參數變化等影響，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]提出采用神經元自適應與滑模變結構相結合的控制策略，有效解決了傳統PID引起的控制滯后性和穩定性問題；文獻[10]設計出一種具有積分滑?？刂扑惴ㄌ鎿Q外環PI控制策略，在傳統模型預測控制策略的基礎上提升了系統穩態性能和抗干擾能力，降低了網側電流諧波，證明了積分滑模控制策略比傳統PI控制器具有更強的抗擾能力；文獻[11]針對三相VSR中電壓環抖振大、難以收斂等問題，設計出一種新型指數趨近率的滑?？刂破?，在保證魯棒性與響應速度的同時使抖振得以削弱。
本文從三相VSR基本數學模型出發，在雙閉環控制策略的基礎上，結合電流解耦控制與滑模變結構控制的優點，提出電壓電流環雙滑?？刂撇呗?，以期在能夠抑制滑模控制器的抖振同時，更有效地提高系統的輸出響應速度、瞬穩態性能以及魯棒性能。
1" " 三相VSR的數學模型
三相VSR的拓撲結構如圖1所示，根據基爾霍夫定律，可以得到式（1）所示的數學模型[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系，在設計控制器時有一定的難度，為簡化設計，將前饋解耦控制策略[13]引入控制系統中，根據式（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系，其結構框圖如圖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，這樣就實現了d、q軸電流分量的單獨控制，并且還能夠提高系統的控制精度。
3" " 三相VSR雙滑?？刂破髟O計
3.1" " 電流環滑模控制器設計
電流內環在控制中實質上是一個隨動系統，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，在電流環控制器設計過程中，若參數設計不合理，將使交流電流含有較多的高次諧波，而且造成直流側輸出響應速度慢，穩壓效果不好，影響整個系統的功率因數，因此采用滑模控制器代替PI控制器。
首先，定義兩個滑模面：
只要合適選擇該滑模控制參數，就可以使控制量從任意位置都能可靠地到達滑模面。
3.2" " 電壓環滑?？刂破髟O計
電流內環的設計能夠較好地實現系統的跟隨特性，而電壓外環系統設計的目的主要是使負載發生變化時直流側輸出電壓盡可能保持恒定，且要求其控制穩定性好，魯棒性強，因此選擇電壓環滑?？刂破鞯幕Ｃ鏋椋?/p>
為Park坐標變換提供相位角，經常采用鎖相環（Phase-locked Loop，PLL）技術鎖定三相交流電源的相位[14]，根據式（13），系統穩態時有i* d=id，結合式（8）得到三相VSR輸入端電壓的d、q軸分量，將其經Park變換通過SVPWM控制后即可得到PWM功率管的開關信號，該控制策略下三相VSR雙滑模閉環控制系統結構圖如圖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PI控制器的前饋解耦控制進行比較，系統仿真參數如表1所示。
設定直流側給定電壓為DC800 V，0.2 s時，直流側給定電壓從800 V以一定斜率上升至1 200 V，仿真結果如圖4～圖8所示。
由圖4所示的雙滑模控制（SMC）與傳統PI控制直流側輸出電壓波形對比圖可見，兩者控制策略的穩態誤差均比較小，都能夠滿足控制要求，但在雙滑模控制策略下，直流側輸出電壓能更好地跟蹤給定電壓，且直流側輸出電壓的最大電壓偏差明顯要小于傳統PI控制策略；由圖5與圖6所示的交流側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?？刂品绞较陆涣鱾认嚯娏鲗ο到y產生的沖擊明顯較小，因而有利于降低系統的機械強度；由圖7和圖8所示的仿真結果可知，采用雙滑模控制策略時，三相VSR的輸入電流的諧波含量明顯小于傳統PI控制策略的輸入電流的諧波含量，因而可以提高三相VSR的功率因數與變流效率。
5" " 結論
本文提出了一種基于雙滑模控制的三相VSR的電流前饋解耦控制策略，該控制策略中，電壓控制外環采用指數趨近率作為滑動模態，在使輸出電壓快速跟蹤給定輸出電壓的基礎上，提高了趨近率的品質，電流內環滑?？刂撇捎镁哂衅交€特性的反正切函數作為切換函數，能在滑模切換面附近降低切換函數的切換頻率，以達到降低系統抖振的目的。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系，改善系統動態特性，而且交流側電壓產生的諧波相對較少，有利于提高系統的變換效率和抗干擾性能。
[參考文獻]
[1] 漆文睿，劉軍，劉志同，等.三相PWM整流器控制策略研究[J].科學技術創新，2018（24）：43-44.
[2] 武曉春，田玖婷，王貞.三相電壓型PWM整流器的雙閉環控制系統仿真[J].蘭州交通大學學報，2017，36（3）：70-75.
[3] 賀詩明，熊健，代大一，等.三相電壓型PWM整流器建模、控制及穩定性分析[J].電網技術，2019，43（6）：2049-2057.
[4] LI H X ，CHENG G C，ZHANG Y M.Research on Three-phase PWM Rectifier based on Double Closed-loop Feedforward decoupling control[J].Journal of Physics：Conference Series，2021（1）：012108.
[5] 許加柱，王濤，崔貴平.三相PWM整流器內外環相互解耦控制方法研究[J].電力電子技術，2018，52（11）：88-91.
[6] 詹育峰.三相電壓型PWM整流器改進雙閉環控制方法[J].電力電子技術，2013，47（11）：47-48.
[7] 唐磊，陳春曉，謝丹.無刷直流電機改進滑模觀測器控制的研究[J].機電信息，2021（23）：5-9.
[8] 劉宇博，王旭東，周凱.基于滑模觀測器的永磁同步電機電流偏差解耦控制[J].電工技術學報，2020，35（8）：1642-1652.
[9] 郭明良，于浩，張明.基于“單神經元+滑模變”的三相PWM整流器控制策略的研究[J].中國新技術新產品，2022（22）：48-51.
[10] 徐鵬，蘇鑫，郭鋮，等.三相電壓型PWM整流器的模型預測滑?？刂芠J].電氣工程學報，2023，18（4）：58-65.
[11] 孫海東，柳成，張浩，等.基于改進型指數趨近率的三相PWM整流器滑?？刂撇呗訹J].北華大學學報（自然科學版），2021，22（6）：830-833.
[12] 張曉瑩.三相電壓型PWM整流器的雙閉環控制策略[D].大慶：東北石油大學，2021.
[13] 劉秉，宋文勝.基于虛擬信號反饋算法的單相PWM整流器DQ電流解耦控制[J].中國電機工程學報，2018，38（15）：4504-4513.
[14] ZOU Z X，BESHELI B D，ROSSO R，et al.Interactions Between Two Phase-Locked Loop Synchronized Grid Converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2021，57（4）：3935-3947.
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：現代電力電子技術。
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的數學模型出發，利用Park變換，將其轉換到d-q坐標系中，并根據數學表達式對交直軸電流分量實現前饋解耦控制。在此控制過程中，用電壓、電流雙滑模閉環控制器取代傳統PI控制器，再將輸出結果由Park逆變換后經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整流器閉環控制策略的合理性和有效性。
關鍵詞：PWM整流器；雙閉環控制；前饋解耦；滑模控制
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的發展，三相VSR因其結構簡單、可控性好、功率因數高、輸出電壓紋波小，且交流側與直流側之間的能量能夠相互流動等優點，在新能源發電與利用、有源電力濾波以及大功率通用變頻器等領域占據了舉足輕重的地位[1-3]。但在實際應用中，受外界各種干擾等其他因素的影響，當負載發生變化時，在不同程度上極易對三相VSR產生不同程度的沖擊。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環與電壓外環共同控制的雙閉環PI控制策略[2-4]，通過前饋解耦的方法，將交流側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，而電壓環則采用PI控制實現對有功電流進行控制。在這種PI控制器中，當PI參數整定不合適時，容易造成系統的振蕩，嚴重時甚至會使系統發生崩潰。文獻[5]在PWM的同步坐標模型中引入串聯補償消除內環與外環閉環傳遞函數零點，在保證功率因數和降低網側諧波的基礎上，PI參數的整定得以簡化。文獻[6]將電壓外環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增加，在一定程度上能降低輸出電壓的超調量。
滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）又稱變結構控制，是解決非線性系統控制問題的重要方法之一，因其抗擾能力強、動態響應速度快等優點受到國內外學者的廣泛關注[7]。文獻[8]為克服PMSM因外界干擾變化造成的電感參數變化等影響，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]提出采用神經元自適應與滑模變結構相結合的控制策略，有效解決了傳統PID引起的控制滯后性和穩定性問題；文獻[10]設計出一種具有積分滑?？刂扑惴ㄌ鎿Q外環PI控制策略，在傳統模型預測控制策略的基礎上提升了系統穩態性能和抗干擾能力，降低了網側電流諧波，證明了積分滑模控制策略比傳統PI控制器具有更強的抗擾能力；文獻[11]針對三相VSR中電壓環抖振大、難以收斂等問題，設計出一種新型指數趨近率的滑?？刂破?，在保證魯棒性與響應速度的同時使抖振得以削弱。
本文從三相VSR基本數學模型出發，在雙閉環控制策略的基礎上，結合電流解耦控制與滑模變結構控制的優點，提出電壓電流環雙滑?？刂撇呗?，以期在能夠抑制滑模控制器的抖振同時，更有效地提高系統的輸出響應速度、瞬穩態性能以及魯棒性能。
1" " 三相VSR的數學模型
三相VSR的拓撲結構如圖1所示，根據基爾霍夫定律，可以得到式（1）所示的數學模型[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系，在設計控制器時有一定的難度，為簡化設計，將前饋解耦控制策略[13]引入控制系統中，根據式（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系，其結構框圖如圖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，這樣就實現了d、q軸電流分量的單獨控制，并且還能夠提高系統的控制精度。
3" " 三相VSR雙滑?？刂破髟O計
3.1" " 電流環滑模控制器設計
電流內環在控制中實質上是一個隨動系統，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，在電流環控制器設計過程中，若參數設計不合理，將使交流電流含有較多的高次諧波，而且造成直流側輸出響應速度慢，穩壓效果不好，影響整個系統的功率因數，因此采用滑模控制器代替PI控制器。
首先，定義兩個滑模面：
只要合適選擇該滑模控制參數，就可以使控制量從任意位置都能可靠地到達滑模面。
3.2" " 電壓環滑?？刂破髟O計
電流內環的設計能夠較好地實現系統的跟隨特性，而電壓外環系統設計的目的主要是使負載發生變化時直流側輸出電壓盡可能保持恒定，且要求其控制穩定性好，魯棒性強，因此選擇電壓環滑?？刂破鞯幕Ｃ鏋椋?/p>
為Park坐標變換提供相位角，經常采用鎖相環（Phase-locked Loop，PLL）技術鎖定三相交流電源的相位[14]，根據式（13），系統穩態時有i* d=id，結合式（8）得到三相VSR輸入端電壓的d、q軸分量，將其經Park變換通過SVPWM控制后即可得到PWM功率管的開關信號，該控制策略下三相VSR雙滑模閉環控制系統結構圖如圖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PI控制器的前饋解耦控制進行比較，系統仿真參數如表1所示。
設定直流側給定電壓為DC800 V，0.2 s時，直流側給定電壓從800 V以一定斜率上升至1 200 V，仿真結果如圖4～圖8所示。
由圖4所示的雙滑模控制（SMC）與傳統PI控制直流側輸出電壓波形對比圖可見，兩者控制策略的穩態誤差均比較小，都能夠滿足控制要求，但在雙滑模控制策略下，直流側輸出電壓能更好地跟蹤給定電壓，且直流側輸出電壓的最大電壓偏差明顯要小于傳統PI控制策略；由圖5與圖6所示的交流側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?？刂品绞较陆涣鱾认嚯娏鲗ο到y產生的沖擊明顯較小，因而有利于降低系統的機械強度；由圖7和圖8所示的仿真結果可知，采用雙滑模控制策略時，三相VSR的輸入電流的諧波含量明顯小于傳統PI控制策略的輸入電流的諧波含量，因而可以提高三相VSR的功率因數與變流效率。
5" " 結論
本文提出了一種基于雙滑模控制的三相VSR的電流前饋解耦控制策略，該控制策略中，電壓控制外環采用指數趨近率作為滑動模態，在使輸出電壓快速跟蹤給定輸出電壓的基礎上，提高了趨近率的品質，電流內環滑?？刂撇捎镁哂衅交€特性的反正切函數作為切換函數，能在滑模切換面附近降低切換函數的切換頻率，以達到降低系統抖振的目的。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系，改善系統動態特性，而且交流側電壓產生的諧波相對較少，有利于提高系統的變換效率和抗干擾性能。
[參考文獻]
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[9] 郭明良，于浩，張明.基于“單神經元+滑模變”的三相PWM整流器控制策略的研究[J].中國新技術新產品，2022（22）：48-51.
[10] 徐鵬，蘇鑫，郭鋮，等.三相電壓型PWM整流器的模型預測滑?？刂芠J].電氣工程學報，2023，18（4）：58-65.
[11] 孫海東，柳成，張浩，等.基于改進型指數趨近率的三相PWM整流器滑?？刂撇呗訹J].北華大學學報（自然科學版），2021，22（6）：830-833.
[12] 張曉瑩.三相電壓型PWM整流器的雙閉環控制策略[D].大慶：東北石油大學，2021.
[13] 劉秉，宋文勝.基于虛擬信號反饋算法的單相PWM整流器DQ電流解耦控制[J].中國電機工程學報，2018，38（15）：4504-4513.
[14] ZOU Z X，BESHELI B D，ROSSO R，et al.Interactions Between Two Phase-Locked Loop Synchronized Grid Converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2021，57（4）：3935-3947.
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：現代電力電子技術。
