三相电压型 PWM整流器的电流控制策略研究

三相电压型 PWM整流器的电流控制策略研究

刘津源 黄达铁 赖欢欢

温州供电公司 浙江温州 325000

摘要：电压型PWM整流器电流控制策略主要分为间接电流控制策略与直接电流控制策略。间接电流控制是一种基于稳态方程的控制方法，对网侧电流开环控制，静态性能好，控制结构也简单。但由于间接电流控制规律是基于系统稳态方程得到的，其动态响应慢，动态过程中电流存在明显的直流偏置，系统的稳定性差。针对间接电流控制不足之处而提出直接电流控制，这种控制由于采用网侧电流闭环控制，使得整流器网侧电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性。本文将具体分析介绍直接电流控制策略，重点将放在前馈解耦电流控制分析上，分析其基本工作原理和具体数学模型，同时对其进行具体模型的设计，在基于MATLAB/Simulink下进行具体仿真。

关键字：PWM整流器 间接电流控制 直接电流控制 前馈解耦电流控制 MATLAB/Simulink

1引言

三相VSR建模及控制系统分析研究表明，VSR工作时，能在稳定直流侧电压的同时，实现其交流侧在受控功率因数（一般为单位功率因数）条件下的正弦波电流控制。另一方面，常规的VSR控制系统一般采用双闭环控制，即电压外环和电流内环控制。在VSR双闭环控制设计中，电流控制动态性能直接影响VSR电压外环控制性能。直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，通过运算求出交流端电流指令值，采样交流电流作为反馈量，交流电流跟踪指令电流值。其控制响应速度快，对系统参数依赖不敏感，因而得到了广泛的应用，是目前主要的电流控制。该控制方式主要有电流滞环控制、预测电流控制和前馈解耦电流控制^[1]。

^电流滞环控制。通过设定一个误差带，保证网侧电流跟踪给定电流的误差始终在这个误差带中。电流滞环控制框控制方式为双闭环控制。

预测电流控制。对电压型PWM整流器进行数字控制，预测电流的控制目标是使电流能够在一个开关周期内跟踪上指令电流，且开关频率固定。图1所示为预测电流控制原理框图。

图1 预测电流控制原理图

前馈解耦电流控制。前馈解耦电流控制是以PWM整流器在同步旋转坐标系下对整流器网侧电流进行控制。其控制框图如图3所示，电流 轴分量分别经过PI调节器以及前馈解耦控制，产生调制电压 ，经过PWM调制后驱动整流桥各功率开关管工作。三相对称的交流电流经过同步旋转坐标变换成为两相直流量，因此电流内环采用PI调节器可以实现无静差调节，电流响应也快一些，另外，前馈解耦电流控制在 坐标中实现电流解耦控制，使电流控制参数设计变得相对简单^[2]。

基于上述介绍，本文将对前馈解耦电流控制进行具体分析。首先，将介绍三相VSR的一般数学模型，再引出VSR的 模型，在 模型下对VSR进行前馈解耦电流控制分析及其控制器设计。最后，本文也将给出在MATLAB/Simulink下的模型仿真。

2三相VSR的数学模型

2.1三相VSR在ABC坐标系下数学模型

图2三相半桥电压型PWM整流器主电路

图2为三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构，其交流侧采用三相对称的无中线连接方式。依照上图所示PWM整流器拓扑结构，可以得到系统的电流电压状态方程：

（1）

定义三相整流桥开关函数 为

（2）

其中， ，正常工作时，上下桥臂有且只有一个导通。

由式（2）可知，整流器网侧电流与直流电压状态方程与开关函数 相关。而且每相网侧电流除了与本相桥臂的开关函数有关，还与其他两相桥臂的开关函数有关，由此可以看出三相电压型PWM整流器是一个耦合的系统。

2.2三相VSR在 坐标系下数学模型

为使三相ABC静止坐标系转换成两相 同步旋转坐标系，首先可将三相ABC静止坐标系转换成两相 静止坐标系，然后在此基础上，将两相 静止坐标系转换成两相 同步旋转坐标系。由此可以分别利用以下两个变换公式和变换矩阵进行ABC到 的变换。

3前馈解耦电流控制

电流前馈解耦控制是基于 旋转坐标系的电压电流双闭环控制结构，对于三相交流对称系统，若只考虑交流基波分量，则在 旋转坐标系下 分量均为直流量，设计PI控制器可实现电流无静差控制，通过引入 轴电流状态反馈实现 轴电流的解耦控制，解耦后的 轴分量完全独立，方便了双闭环控制器参数设计。

在旋转 坐标系下，通过电流状态反馈以及电网电压前馈补偿可以实现 轴电流独立控制，根据式（9）可以得到：

（10）

从式（10）中可以看出，由于VSR的 变量相互耦合，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，当电流调节器采用PI调节器时，则

、 的控制方程如下：

（11）

把式（11）代入式（10）中，推出下式：

（12）

从式（12）中可以看出，由于引入不同的扰动补偿实现了系统输入电流的 轴分量和 轴分量独立控制。PWM整流器的双闭环控制框图如图5所示。电压外环控制直流输出电压恒稳直流，电压外环调节器输出为有功电流给定幅值 。系统内环为电流环，其作用是控制电流响应。同时图5中加入电网电压前馈补偿，提高系统的稳定性，改善电流动态响应。另外 轴电流控制依据相应的功率因数要求得到指令值， ，其中 为功率因数角，对于单位功率因数控制时， 给定为0^[2]。

4小结

本文在简单介绍当前较为常用的三相VSR电流控制策略之后，具体介绍了前馈解耦电流控制。分别针对其数学模型进行静止坐标系ABC与同步坐标系dq下的具体分析，然后，具体分析了双环控制的参数设计。最后通过MATLAB/Simulink下的仿真，验证了前馈解耦控制在参数设计合理的情况下，能达到较好的控制效果。

参考文献

[1] 陈坚. 电力电子学-电力电子变换和控制技术(第二版). 北京: 高等教育出版社, 2002.

电作者信息：

刘津源（1988年9月-），浙江温州，工程师、技师，从事电力系统调控运行专业。

黄达铁（1987年7月-），浙江温州，工程师、技师，从事电力系统调控运行专业。

赖欢欢（1985年11月-），浙江温州，高级工程师、技师，从事电力系统调控运行专业。