三相电压型PWM整流器双闭环控制策略研究

1、三相电压型pwm整流器双闭环控制策略研究摘要：本文在分析三相电压型pwm整流器工作原理的基础上，建立了 dq同步 旋转坐标系下三相电压型pwm整流器的数学模型，推导了一种三札i电圧型pwm整 流器前馈解耦控制策略，设计了电流内环、电压外坏的双闭坏控制策略°该控制策略 能有效地抑制网侧输入谐波电流，得到稳定的肓流输岀电圧，同时还具有控制简单、 控制精度高等优点。仿真和实验结果验证了该控制策略的正确性和有效性，系统具有 良好的稳态特性和动态特性。由于控制简单、易于实现，该控制方法具有一定的实用 价值。关键词：pwm整流器，前馈解耦，双闭环控制1引言pwm整流器与传统的不控整流或相控報流方

2、式相比，具有网侧电流谐波含录少、功 率因数高、能量可双向流动、动态响应快等优点，成为当今电力电子领域研究的一个 热点13。因此，研究高性能的pwm整流器控制策略具有重要现实意义4-5o 本文在分析三相电压型pwm整流器工作原理的基础上，建立了 dq同步旋转坐标系 下三相电压型pwm整流器的数学模型，分别设计了基于前馈解耦控制的电流内环控 制器和电压外坏控制器。最后通过仿真和实验验证该控制策略的正确性和有效性。2. 三相电压型pwm整流器数学模型三相电压型pwm整流器的原理图如图1示，图1中各物理量定义如f： ea. eb、ec 为电网电压，ia ib ic为交流侧各相电流，ude代表直流侧电压

3、，ua、ub> uc为 pwm整流器交流侧输入电压。假设三相电网电压平衡，则可得：e =£ cos cot a< eb = e cos(fi*2/3)e. = e cos(e+ 2穴 / 3)其屮三为电网电爪的蜂值，。为电网的角频率。 由图1可列岀pwm整流器的基本方程： dt並dtdic_dt00rl00l将上述abc三相静止坐标系下的pwm整流器数学模型变换到dq同步旋转坐标下的 数学模型：g)式中阳、旬为电网电动势矢戢在d轴和q轴上的 分艮妬、5为整流器交流侧电压矢量在d轴和q轴 上的分呈：沐人为整流器交流侧电流矢量在d轴和q 轴上的分量。冷亡+ “巾几5图1三相电

4、压型pvm整流器3. 三相电压型pwm整流器双闭环控制策略3.1三相电压型pwm整流器电流内环控制器 由(3)式整理得：r+ls col col r + ls式中，s为微分算了。从上述d-q数学模型对知，d、q轴变量相互藕合，因1佃给控制器设计造成一定困难。 为此，可采用前馈解耦控制策略，引进的pi调节器，从而实现了系统的闭环稳定控 制。其控制方程为：叫=7© + _ 和)_ 皿 + 陽< £ uq = _(心 +_ °)+ col id + eqs式屮亞p和局分别为电流内坏控制器的比例系数 和积分系数；x和v分别为电流内环的参考值。联立 式(4)和式(5)

5、得电流内环传递函数：g(s) = 2=2=.心 + 岛(6)id 】q is- +sgp+r) +心山式(6)可知，在电流内环控制器中引入电流状态反馈解耦控制策略能够实现有功电流 和无功电流的解耦控制。电流内环控制器框图如图2所示。图2电流内环控制辭框图3.2三相电压型pwm整流器电压外环控制器根据瞬时功率理论，在dq同步旋转坐标系下的冇功功率p和无功功率q可表示为:p=¥ （引d+臥）. （7）=臥 一 edlq）当d轴以电网电圧矢呈定位时，即旬=0,则式（7）可以写为： _p = edid< 3 （8）q =臥山式可知，id和iq分别与有功功率p和无功功率q呈线性比例关系，

6、调节id和 iq就可分别独立地控制pwm整流器的侑功功率和无功功率，实现侑功功率和无功 功率的解耦控制。为了稳定pwm整流器的直流侧电压，直流电压外环采用pi控制, 其简化的控制结构如图3所示6。按照典型ii型系统来设计调节器可以得到pi调节 器参数为z = 5(% + 37；)iv(9)其中rv为电压外坏的采样小惯性时间常数。基于前馈解耦控制策略的双闭环控制结构框图如 图4所示。图3三相电爪型pvm整流器电jk外环控制结构图4二相电床型pwm整流器双闭环控制结构框图4. 仿真研究在matlab/simulink的仿真平台中搭建了三相电压型pwm整流器仿真模型。仿真参 数如下：电网相电压有效值

7、110v,电网电压频率50hz,变压器为升压型隔离变压器, 三相滤波电感3mh,直流侧负载24 q,直流侧给定电压300v。为检验系统的抗干 扰性，在3s吋，负载突增，阻值由24q突变为12q o此吋直流母线电压略微下降, 并能在较短时间内恢复稳定，如图6所示。图6为负载发生突变吋a和电压和电流 仿真波形，由图可知，负载发生突变吋，交流侧输入电流迅速增大以保证整流器输入、 输出功率平衡，而系统仍运行于单位功率因数，体现了系统良好的动态响应。a间jj图5 相电*型pwm整济器直流舟线电压仿真波形图6三相电汗型pvm整流器a相电汗和电流仿真波形5. 实验研究搭建一台三相电压型pwm整流器样机进行实

8、验验证。实验参数与仿真参数相同。开 关频率为10khz,死区时间为2us«整流器主控芯片为ti公司的tms320f28335。图7为fluke435电能质量测试仪记录下的三相电压型pwm整流辭直流母线电压实 验波形。图8为用fluke记录下的a相电压和电流实验波形（幅值大的为电压波形）。 图9为用fluke测得电流总谐波含量图，电流谐波含量（thd）为2.7%。实验结來表切, 采用木文提出的控制策略能够冇效地抑制谐波电流，实现高功率因数运行，直流母线 电压具有较小波动（波动在5v以内），基本稳定在300v,系统具有良好的稳定性。图7三相电床型pwm整流器直流母线电床实验波形图8三相电

9、丿k型pwl整流器a相电汗和电流实验波形hammhlicsa thd 2.7%f |a k 1.050:09:15if：j es<jioa<i i * b ig|thdoc 1234s678s)hzi8712 15:16:1d277u 50hzh-leg ehsohoh offholdhuh图9丄相电用型put4整流器电流总谐波含垃6. 结论本文在分析三相电压型pwm整流器数学模型的基础上，分别设计了电流内环控制器 和电压外环控制器。仿真和实验结果表明，整流器基木运行于网侧单位功率因素，有 效地抑制了网侧输入谐波电流。系统具有良好的稳态特性和动态特性。因此该控制策 略是一种有效的控制策略，具有一定的实用价值。参考文献11伍小杰，罗悦华,乔树通.三相电压型pwm整流器控制技术综述j.电工技术学报, 2005, 20(12)： 7-12.12董晓鹏，王兆安.具有快速动态响应的单位功率因数pwm整流器j.西安交通人学 学报，1997, 31(11)： 77-82.13李春龙，沈颂华，卢家林，等.基于状态观测器的pwm整流器电流坏无差拍控制 技术j.电工技术学报,2006, 21(12)： 84-89.14方宁，裘讯