摘 要：介紹了基于SVPWM三相電壓型PWM整流器矢量控制的數(shù)學(xué)模型及工作原理。在此基礎(chǔ)上，從功率因數(shù)，諧波含量及直流電壓穩(wěn)定性等幾方面對(duì)不帶有前饋解耦和帶有前饋解耦的兩種控制策略進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，不帶前饋解耦控制策略的模型雖然簡(jiǎn)單，但其存在功率因數(shù)低，諧波含量高等缺點(diǎn)。在同等條件下，仿真結(jié)果表明帶有前饋解耦控制的策略具有更加優(yōu)越的控制效果。

關(guān)鍵詞：整流器;前饋解耦;矢量控制

引 言

　　早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就開(kāi)始了PWM整流技術(shù)的研究。從20世紀(jì)80年代后期隨著全控器件的問(wèn)世，采用全控器件實(shí)現(xiàn)PWM高頻整流的研究進(jìn)入高潮，PWM整流技術(shù)在抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)償方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具有網(wǎng)側(cè)電流輸入接近正弦，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控，能量雙向傳輸，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

　　目前廣泛應(yīng)用的是基于電壓定向的PWM整流器，主要采用電壓定向矢量控制方法，電壓型PWM整流器要控制的變量有兩個(gè)，一是整流器的輸出電壓，二是整流器的輸入電流。基于d，q坐標(biāo)變換的矢量控制通過(guò)對(duì)PWM整流器有功和無(wú)功電流的控制，達(dá)到控制輸入電流的結(jié)果。這種控制策略不僅具有直接電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)性能好，自身有限流保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，并且還可以消除電流穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)得到較好的動(dòng)靜態(tài)性能。

　　關(guān)于這方面的大部分文章只是對(duì)前饋解耦控制策略進(jìn)行了仿真分析，但未能給出不帶前饋解耦和帶有前饋解耦控制的仿真比較。本文在給出前饋解耦控制策略的基礎(chǔ)上，分別建立了電壓型不帶前饋解耦控制和帶有前饋解耦控制的PWM整流系統(tǒng)，通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)兩種控制策略進(jìn)行比較，得出帶有前饋解耦控制策略的優(yōu)越性。

1 PWM整流器數(shù)學(xué)模型及工作原理

　　1.1 工作原理

　　三相PWM整流器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。整流器交流側(cè)輸人電感L為濾波作用，且起到升高直流電壓的作用，可以認(rèn)為整流器交流側(cè)電流是三相正弦電流。輸出直流側(cè)電容C起穩(wěn)壓，并作為直流側(cè)儲(chǔ)能元件，輸出呈電壓源特性，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓保持不變。

圖1 PWM整流器電路結(jié)構(gòu)

Fig.1 Circuit schematic of three-phase PWM rectifier

　　圖2示出整流器的輸入電壓u_s的向量、輸入電流 的向量、交流側(cè)控制電壓u_f的向量間的向量圖。圖2a中，整流器工作在整流狀態(tài)，電流矢量與電壓矢量u_s平行且同向，此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)正電阻特性，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制，負(fù)載從電網(wǎng)吸收有功功率。圖2b中，整流器工作在逆變狀態(tài)，i_s與u_s平行且反向，此時(shí)整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變控制，負(fù)載向電網(wǎng)釋放有功功率。

圖2(a)整流狀態(tài) (b)逆變狀態(tài)

Fig2.(a)The rectifying state (b)The regenerative inverter state

　　從上圖中可以看出，要實(shí)現(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)控制，關(guān)鍵在于控制網(wǎng)側(cè)電流I_s，使之與電網(wǎng)電壓U_s同相或反相。有兩種方法可以控制，一是通過(guò)網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制直接控制PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流;二是通過(guò)控制整流器交流側(cè)電壓U間接控制網(wǎng)側(cè)電流。即可控制輸入電流i_s的相位而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，然后控制i_s的大小，也就控制了u_dc。

　　1.2 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

　　三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

　　Sk— 三 相 橋 臂 開(kāi) 關(guān) 函 數(shù) ，上橋臂開(kāi)通，下橋臂關(guān)斷，下橋臂開(kāi)通，上橋臂關(guān)斷上述數(shù)學(xué)模型物理意義清晰、直觀，但由于VSR交流側(cè)均為時(shí)變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為此，通過(guò)坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱靜止a-b-c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系，得到整流器在兩相同步速旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中的

　　數(shù)學(xué)模型如下:

2 控制策略比較

　　電壓定向的矢量控制為基于d-q軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的控制方案，將兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系的d軸定向?yàn)榕c電網(wǎng)電壓矢量 同軸，把對(duì)電網(wǎng)相電流的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)電流 在d軸和q軸的直流分量的控制，從而簡(jiǎn)化了PWM整流系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，本文采用電壓定向矢量控制的三相橋式整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3(a)不帶有前饋解耦的控制系統(tǒng)圖

Fig(a)Control system diagram of without feedforword

　　從(2)式數(shù)學(xué)模型看出，d，q軸變量相互耦合，這給控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。為此，可以采用前饋解耦控制策略。且電流調(diào)節(jié)器采用PI 調(diào)節(jié)器作為電流環(huán)控制器可實(shí)現(xiàn)由u_pd,u_pq分別獨(dú)立控制兩電流。此時(shí)有：

3 系統(tǒng)仿真

　　如圖為三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)仿真模型圖。仿真參數(shù)為：交流側(cè)輸入電壓有效值為110v，給定直流母線電壓udc=300v，L=4Mh，C=1.1μF，電感內(nèi)阻R=1.35Ω，采用可變補(bǔ)償為ode23tb，仿真時(shí)間為1s。在0.6秒時(shí)刻負(fù)載電流由10A突變?yōu)?0A。

圖3(b)帶有前饋解耦的控制系統(tǒng)圖

Fig(b)Control system diagram of feedforword

圖4(a)不帶前饋解耦的直流輸出電壓

Fig4.(a) Output voltage of without feedforword

圖4(b)帶有前饋解耦直流輸出電壓

Fig4.(b) Output voltage of feedforword

圖5(a)不帶前饋解耦的功率因數(shù)

Fig5.(a) Power factor of without feedforword

圖5(b)帶有前饋解耦的功率因數(shù)

Fig(b)Power factor of feedforword

圖6(a)不帶前饋解耦的a相交流側(cè)電壓和電流波形

Fig6.(a)AC-side phase current for phase a，phase voltage of power grid of without feedforword

圖6(b)帶有前饋解耦的a相交流側(cè)電壓和電流波形

Fig6.(b)AC-side phase current for phase a，phase voltage of power grid of feedforword

　　由仿真結(jié)果知，帶有前饋解耦控制的PWM整流器輸出直流電壓更加穩(wěn)定。超調(diào)量只有0.867%，而且在突加負(fù)載時(shí)，直流輸出電壓波動(dòng)非常小，網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率因數(shù)達(dá)到1。主要是由于系統(tǒng)采用了在帶有前饋解耦控制的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電壓外環(huán)保證了穩(wěn)定的直流輸出，電流內(nèi)環(huán)提高了電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并且這種控制方法使電流的相位和輸入電壓的相位保持一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　由仿真波形分析可見(jiàn)，基于SVPWM的電壓型帶有前饋解耦的控制策略可以使整流器的輸入功率因數(shù)達(dá)到1，網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，輸出直流電壓更加穩(wěn)定。證明了此控制性能的正確性和優(yōu)越性。

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