PWM整流器前馈解耦控制策略

《物联网技术》杂志
2021-10-14 19:00
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0 引 言


三相 PWM 整流器与传统的二极管不控整流和晶闸管相 控整流相比可以实现输入电流正弦化和可控的功率因数,同时 可降低输入电流谐波,实现能量的双向流动。三相 PWM 整流 器与 PWM 逆变器组成的双 PWM 变换器在电气传动和电源变 换领域得到了广泛应用,另外在分布式能源中也获得了广泛应 用。在 PWM 整流器的应用中,直流电压的稳定至关重要,当 负载急剧变化时,提高直流电压的静态稳定性和动态调节响 应速度对提高 PWM 整流器的性能至关重要,所以提高 PWM 整流器的稳态性能成为 PWM 整流器研究的重要内容。 

整流器的控制通常采用 PI 直接电流控制,但由于 PWM 整流器存在非线性耦合,且整流器在工作过程中易受外界负载 的扰动,使得传统 PI 控制不能很好地适用于整流器的实际应 用。许多专家学者都试图用先进的控制理论取代传统的 PI 控 制,但难以在实际应用中实现。

1 三相电压型 PWM 整流器电流环和电压环的设计 

三相电压型 PWM 整流器电流环和电压环的设计如图 1 所示。


对图 1 所示的电路结构,建立有开关函数描述的数学模 型,如式(1)所示。由于交流侧为交流时变量,采用 PARK 变换到(d,q)坐标系中,以对直流变量进行控制。



式中:Sj(j=a,b,c)为桥臂的二值逻辑开关函数 ;Sj(j=a,b, c)的值为 1,表示桥臂 j(j=a,b,c)上桥臂导通,Sj(j=a,b,c) 的值为 0,表示桥臂 j(j=a,b,c)下桥臂导通。 PARK 变换后三相 VSR 在坐标系中的数学模型如下:


式中:ed、eq 为三相 VSR 电网交流电动势矢量 Edq 的 d、q 分量; id、iq 为三相 VSR 电网交流电动势矢量 Idq 的 d、q 分量;p 为微 分算子。

PARK 变换实现了对直流量的直接控制,但变换后系统 的 d,q 轴变量存在耦合,所以必须采用解耦策略来消除变换 后对控制器的不利影响,本文采用前馈解耦方法实现对控制 器的解耦控制。



式中:id*、iq* 为 id、iq 的电流给定值,Vd、Vq 为交流侧电压矢量的 d、q 轴分量。


将式(4)带入式(2)可得化简后的基于前馈解耦的整流 数学模型如下:



电流内环是功率因数调节环,在双闭环控制系统中,电 压外环设计是稳定直流电压的关键,电流内环根据电压外环 的输出值和给定值的差值进行调节,三电平整流器的前馈控制 解耦图如图 2 所示。



2 实验结果 

采用前馈解耦方法得到的实验结果图 3 所示。 

从图 3 中可以看出,在前馈解耦的策略下实现了整流器 直流端直流电压的稳定控制,验证了控制策略的正确性。 

3 结 语

本文介绍了三相 VSR 的数学模型,提出了前馈解耦控制 方式,并通过 Matlab/SimuLink 进行了仿真,证明了该算法的 正确性。





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