三相电压型PWM整流器前馈解耦控制策略

1.引言

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环控制器。最后通过仿真和实验验证该控制策略的正确性和有效性。　　

PWM整流器与传统的不控整流或相控整流方式相比，具有网侧电流谐波含量少、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。因此，研究高性能的PWM整流器控制策略具有重要现实意义。　　

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中各物理量定义如下：ea、eb、ec 为电网电压，ia、ib、ic 为交流侧各相电流，Udc 代表直流侧电压，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：

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：

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：

从上述d-q 数学模型可知，d、q 轴变量相互藕合，因而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：

由式(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。

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有功功率P 和无功功率Q 可表示为：

由(8)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，调节id 和iq 就可分别独立地控制PWM 整流器的有功功率和无功功率，实现有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

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 Ω ，直流侧给定电压300V。为检验系统的抗干扰性，在3s 时，负载突增，阻值由24 Ω 突变为12 Ω 。此时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 为负载发生突变时A 相电压和电流仿真波形，由图可知，负载发生突变时，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。

5.实验研究　　

搭建一台三相电压型PWM 整流器样机进行实验验证。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 整流器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%。实验结果表明，采用本文提出的控制策略能够有效地抑制谐波电流，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。

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，PWM整流器基本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。