寧 鐸， 張 博， 吳 輝

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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基于電流無差拍控制PWM整流器的研究

寧 鐸， 張 博， 吳 輝

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

三相電壓型PWM整流器可以減少用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染并具有比較高的功率因數(shù)，因而應(yīng)用越來越廣泛.通過對(duì)PWM整流器數(shù)學(xué)模型的分析，采用PI電壓外環(huán)和電流無差拍控制的PWM整流方法.通過該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流正弦化，抑制諧波分量，吸收電網(wǎng)無功功率;而且無差拍控制可以提高電流的響應(yīng)速度和直流側(cè)電壓控制的穩(wěn)定性.通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法可以實(shí)現(xiàn)PWM整流控制，且具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.

PWM整流； 無差拍控制； 電壓矢量定向控制； 諧波抑制

0 引言

與傳統(tǒng)二極管不可控整流和相控整流相比，PWM整流技術(shù)具有能量雙向流動(dòng)、功率因數(shù)可控、電流諧波含量低以及恒定直流電壓控制等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于整流、交流調(diào)速、有源電力濾波和新能源并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域[1,2].

目前PWM整流的研究以電壓型PWM整流為主，控制方法大多采用基于PI調(diào)節(jié)器的電壓和電流雙閉環(huán)控制[3]，兩者之間實(shí)行嵌套連接構(gòu)成了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán).通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，采用雙閉環(huán)控制可以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能，但是其控制效果對(duì)PI參數(shù)的依賴性較強(qiáng).而且在電網(wǎng)電壓不平衡或負(fù)載變化的情況下，電流響應(yīng)速度慢，直流側(cè)電壓難以迅速跟隨給定，使得該控制方法存在較大的局限性.

電壓電流雙閉環(huán)控制方法通過3/2變換將三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，通過電網(wǎng)電壓矢量定向?qū)⒔涣髁孔儞Q為直流量進(jìn)行控制，控制器設(shè)計(jì)較為簡單.但是若控制器只采用PI控制，由于采樣頻率、零階保持器及控制滯后一拍等的影響，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)Kp、KI的取值范圍有限，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受到很大影響.本文在電壓外環(huán)的控制基礎(chǔ)上，為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，內(nèi)環(huán)采用了電流無差拍控制方式.該方法可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)運(yùn)行，改善了電能質(zhì)量，并且提高了電流的響應(yīng)速度.通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性與實(shí)用性，提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性.

1 三相電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)建模

圖1所示為三相電壓型PWM整流器(Voltage Source Rectifier，VSR)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).圖1中ea，eb，ec為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)，ia，ib，ic為交流側(cè)電流，L為交流側(cè)等效電感，R為等效電阻，C為直流側(cè)濾波電容，RL為直流側(cè)負(fù)載，idc為直流側(cè)電流，iL為負(fù)載電流，Udc為直流側(cè)電壓.

圖1 三相VSR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1中各變量的參考方向以及基爾霍夫電壓定理，可以得到電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型如式(1)：

(1)

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 無差拍PWM整流

無差拍控制是一種基于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度.其控制方法主要包括了直流側(cè)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)、網(wǎng)側(cè)電流預(yù)測(cè)、內(nèi)環(huán)電流無差拍調(diào)節(jié).具體思想通過對(duì)下一周期電流信號(hào)的預(yù)測(cè)及當(dāng)前輸出反饋信號(hào)來推算下一個(gè)開關(guān)周期的PWM脈沖寬度，用該脈沖來控制整流橋相應(yīng)功率開關(guān)管的通斷，從而得到所需的交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓輸出波形[4].

對(duì)式1進(jìn)行離散化，采樣周期為Ts，得到PWM整流器離散狀態(tài)的方程式(2)：

(2)

無差拍控制即在一個(gè)采樣周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流值對(duì)參考值的跟蹤，即：

i(k+1)=i*(k+1)

(3)

式(3)中：i(k+1)為第k+1時(shí)刻電流值；i*(k+1)為對(duì)第k+1時(shí)刻電流的預(yù)測(cè)值.

將式(3)代入式(2)可得PWM整流器交流側(cè)輸出電壓為式(4)：

(4)

從無差拍控制方程來看，控制變量需要對(duì)電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，所以采用預(yù)測(cè)電流控制對(duì)下一拍電流進(jìn)行預(yù)測(cè).預(yù)測(cè)電流控制是在固定采樣周期內(nèi)，根據(jù)實(shí)際的電流、控制系統(tǒng)軟硬件參數(shù)及其它負(fù)載變量來預(yù)測(cè)電流趨勢(shì)[5].

圖2 預(yù)測(cè)電流與無差拍控制原理圖

2.2 穩(wěn)定性分析

圖3為電流無差拍控制模型.G(z)為控制對(duì)象經(jīng)零階保持器離散化后的傳遞函數(shù)如式5所示，由圖3可得無差拍電流環(huán)閉環(huán)z域傳遞函數(shù)Gi(z)如式(6)所示[5].

圖3 電流無差拍控制框圖

(5)

(6)

其中整流器網(wǎng)側(cè)電感L=3 mH，等效電阻R=0.1 Ω，采樣時(shí)間Ts=0.1 ms.由于電流控制器中采用的電感量與實(shí)際電感存在偏差，所以設(shè)電流控制器中電感量L′=k*L.為了保證電流環(huán)的穩(wěn)定性，通常取L′

根據(jù)無差拍控制的電流閉環(huán)函數(shù)，可以得到其波特圖如圖4所示.

圖4 無差拍控電流閉環(huán)波特圖

從圖4中可以看出系統(tǒng)的頻帶寬度較寬，說明系統(tǒng)的上升時(shí)間短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[6,7].相比于傳統(tǒng)的控制方式使得電流內(nèi)環(huán)在穩(wěn)定性提升的同時(shí)響應(yīng)速度加快，可見系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好.

3 仿真結(jié)果分析

圖5為基于電流無差拍控制的PWM整流系統(tǒng)仿真圖[8-10].系統(tǒng)由功率模塊和控制模塊組成.直流電壓外環(huán)可以控制直流側(cè)電壓值，引入直流電壓反饋并通過PI調(diào)節(jié)器即可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的無靜差控制.直流電壓的控制是通過有功電流的控制來實(shí)現(xiàn)，因此直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出量即是預(yù)測(cè)電流的參考量.如式(4)電流無差拍控制是根據(jù)預(yù)測(cè)電流信號(hào)及網(wǎng)側(cè)反饋電流電壓信號(hào)經(jīng)過計(jì)算得出下一周期中功率開關(guān)器件的占空比，從而可以控制電流有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[11,12].

圖5 基于電流無差拍控制的PWM整流系統(tǒng)仿真圖

采用上面所介紹的電流無差拍控制方法進(jìn)行MATLAB/Simulink建模仿真.參數(shù)為：交流側(cè)線電壓380 V，直流側(cè)輸出電壓800 V，交流側(cè)濾波電感3 mH，等效電阻0.1 Ω，直流輸出濾波電容470 uF[13-16].

設(shè)置系統(tǒng)在0.02 s時(shí)進(jìn)入無差拍PWM整流，0.1 s投入感性負(fù)載，其交流側(cè)電流如圖6(b)所示，從圖6(b)中可見該方法實(shí)現(xiàn)了交流側(cè)電流正弦化，當(dāng)有負(fù)載變化時(shí)可以迅速調(diào)節(jié)，相比與圖6(a)傳統(tǒng)的PWM整流控制方法的電流輸出圖來看系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到了很大的提升，不但響應(yīng)快而且電流諧波小沒有很大的沖擊電流.從圖7(b)可見總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)=1.38%，相比與傳統(tǒng)控制方式圖7(a)的3.14%極大的降低了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染.

(a)傳統(tǒng)控制方式

(b)無差拍控制方式圖6 PWM整流交流側(cè)電流輸出波形

(a)傳統(tǒng)控制方式輸出電流FFT

(b)無差拍控制輸出電流FFT圖7 PWM整流交流側(cè)電流FFT

圖8所示為網(wǎng)側(cè)a相電壓電流波形，電流相位完全跟隨電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)單位功率運(yùn)行，并且在負(fù)載變化時(shí)電流可以迅速跟隨，響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)定.

圖8 a相電壓電流輸出波形

如圖9(b)是無差拍PWM整流直流側(cè)電壓波形.在0.02 s前屬于不可控整流，直流電壓不穩(wěn)定，采用PWM整流后可以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定可控.相比于圖9(a)傳統(tǒng)的PWM整流控制方式，電流無差拍PWM整流方式當(dāng)直流側(cè)有較大的負(fù)載投入時(shí),由于電流的迅速響應(yīng)使得電壓也可以快速響應(yīng)，跟隨給定實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤.

(a)傳統(tǒng)控制方式

(b)無差拍整流方式圖9 PWM整流直流側(cè)電壓輸出波形

通過仿真驗(yàn)證了采用無差拍電流控制方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM整流器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)過程控制，并且直流側(cè)電壓可以無靜差跟蹤給定，交流側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且諧波含量低，可單位功率因數(shù)運(yùn)行，從而證實(shí)了該方法的可行性和有效性.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論以及仿真的可行性，根據(jù)以上理論分析，采用TMS320F28335和CPLD以及相關(guān)的器件搭建硬件系統(tǒng)，同時(shí)編寫相對(duì)應(yīng)的軟件，測(cè)試儀器采用FLUKE 43B電能質(zhì)量分析儀.由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，PWM整流器輸出功率在1～2 KW之間，電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相調(diào)壓器降壓后作為PWM整流器的輸入.由圖10(a)可知直流側(cè)電壓穩(wěn)定，交流側(cè)電流連續(xù)且實(shí)現(xiàn)正弦化.由圖10(b)可知交流側(cè)電流能夠很好的跟隨電壓相位實(shí)現(xiàn)單位功率運(yùn)行.由圖11(a)可見變流器功率因數(shù)為0.99，相比于不可控整流基本實(shí)現(xiàn)了單位功率整流，圖11(b)通過對(duì)電能質(zhì)量分析可得THD=3.8%，極大的降低了整流器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染.

實(shí)驗(yàn)證明本文采用的方法能夠?qū)崿F(xiàn)PWM整流控制，并可控制單位功率運(yùn)行，諧波含量低，且有很好的動(dòng)態(tài)性能.

(a)交流電流及直流電壓 (b) 交流側(cè)電壓及電流圖10 整流器網(wǎng)側(cè)電流及直流輸出電壓波形

(a)功率因數(shù)輸出 (b)THD分析輸出圖圖11 整流器交流測(cè)電能質(zhì)量分析圖

5 結(jié)論

本文對(duì)三相電壓型PWM整流器進(jìn)行了研究.通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，無差拍控制方法的理論研究，進(jìn)行了外環(huán)電壓PI和電流無差拍控制器的設(shè)計(jì).在此基礎(chǔ)之上采用MATLAB軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法可以對(duì)PWM整流進(jìn)行穩(wěn)定的控制，具有靜態(tài)穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Research of PWM rectifier based on current deadbeat control

NING Duo, ZHANG Bo, WU Hui

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Three-phase voltage source PWM rectifier is widely applied,because it can reduce electrical equipment for power grid harmonic pollution,and has high power factor.This paper analyses the mathematical model for PWM rectifier and control method of PWM rectifier by combining the method of PI control and current inner ring no beat control.This control can realize the AC current sinusoidal,and reduce the harmonic pollution,absorption power grid reactive power.Deadbeat control can improve the response speed of current.Simulation experiment validates that compound control can make PWM rectifier control current and the control has better static stability and dynamic response performance.

PWM rectifier； deadbeat control； voltage orient vector control； harmonic

2016-08-28

陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2016KTCL01-11)

寧 鐸(1955-)，男，陜西禮泉人，教授，研究方向：太陽能應(yīng)用和智能儀器儀表

1000-5811(2016)06-0171-05

TM461

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