雙PWM變換器功率前饋控制方法

王秋梅，尹 赟，宋文祥

（1.應天職業技術學院，江蘇 南京210046；2.上海大學，上海200072）

1 概述

雙PWM變換器采用PWM可控整流技術，以電網側功率因數可調、能量可雙向流動、直流母線電壓穩定為控制目標，在新能源技術、風力發電和太陽能發電的并網等領域得到廣泛的應用。雙PWM變換器系統結構如圖1所示。

圖1 雙PWM變換器結構圖

當前，雙PWM變換器控制策略主要分為直接控制和功率協調控制兩大類。直接控制即傳統的直流母線電壓反饋控制，當系統輸入和輸出功率不平衡造成直流母線電壓波動時，通過母線電壓的反饋信號來調節PWM整流器的輸入功率。由于直流母線電壓的響應滯后于負載功率的變化，因而當負載發生變化時，直流母線電壓會發生很大的波動[1-2]，加大母線電容的尺寸可以解決波動問題，但單純靠提高電容容量來穩定直流母線電壓的做法具有嚴重的缺陷[3-4]。

功率協調控制又包括直接功率控制[5-7]和功率前饋控制。直接功率控制策略，類似于變頻調速技術中的直接轉矩控制（DTC），它是通過實時比較瞬時有功功率、瞬時無功功率與給定值之間的差值，然后通過查尋提前制定的開關狀態表來產生PWM調制信號。該種基于滯環控制結構的控制策略，省去了傳統矢量控制中的旋轉坐標變換單元以及電流內環的PI調節器，簡化了算法，提高了系統動態響應性能。然而這種基于滯環控制方法不可避免地帶來開關頻率不穩定的問題。

為解決上述問題，本文提出了一種功率前饋控制的雙PWM變換器感應電機變頻調速方案，在整流側有功電流的給定值中加入逆變器有功功率對應的補償量，在感應電機運行狀態發生改變時將不會直接改變直流側電容電壓的大小，而是改變整流側有功電流的大小，減小直流母線電壓的波動，提高系統的動態響應性能，使得減小直流母線電容大小成為可能。最后，對該控制方案進行了Matlab/Simulink仿真研究，驗證了其正確有效性。

2 功率前饋控制

假設電源是對稱（平衡）的三相電壓：

式中：Vm電壓相電壓的幅值，ωe表示整流器同步旋轉坐標系角速度。

dq旋轉坐標系下，整流器的輸入有功和無功功率分別為：

對于平衡的三相系統，有：

因而：

而逆變器的輸出功率可以表示為：

式中：W為直流母線電容儲能值，C為直流母線電容值，Vdc為直流母線電壓值。

直流側電容能量儲存的變化情況為：

忽略器件的功率損耗，可以得到：

由式（6）可以看出，控制整流器輸入到直流側的功率與直流側輸入到逆變器的功率達到平衡，就可以減小直流側電壓的波動，進而可以減小直流側的電容容量。要做到這一點必須使整流器側的輸入電流能滿足系統輸出功率的變化。

對于二極管不可控整流的AC-DC-AC變換器，Prec是不可控的，因而，當電機運行狀態發生改變（例如從電動模式變成發電模式）時，將會產生很大的Pcap，從而母線電壓波動變大。但采用PWM可控整流時，Prec是可控的。如果系統能調節Prec，使得Prec=Pinv，則Pcap一直為0。這也就意味著在電壓平衡條件下直流母線電壓能維持穩定，并且直流母線電容能得到有效減小。

由式（8）可得ed：

由式(9)可以看出，如果在整流器側有功電流的給定值中加入逆變器有功功率對應的補償量，則當異步電機運行狀態發生改變時將不會直接改變直流側電容電壓的大小，而是直接改變整流器側有功電流的大小。

圖2 雙PWM變換器控制系統結構框圖

圖3 功率前饋控制結構框圖

根據式（9），構造整流器側有功電流的給定值為：

式中：KP、KI分別為整流器側有功電流PI調節器的比例和積分系數。

如圖2所示為本文提出的具有功率前饋環的雙PWM變換系統控制結構框圖。其中，功率前饋控制結構框圖如圖3所示。

3 仿真驗證

整流側參數為：三相電壓源電壓幅值為220V，輸入電感L=8mH，母線電壓給定為540V，直流母線電容C=470uF。

逆變側電機參數為：額定功率Pe=3.7kW，額定電流Ⅰe=8A，額定電壓Ve=380V，Ls=155mH，Lr=155mH，Lm=147mH，額定轉速ne=1500r/min（對應于轉子輸出角頻率約為157rad/s），額定轉矩Te=23.5N·m，極對數np=2，轉動慣量J=0.0131kg·m2，電機摩擦系數f=0.002985。

仿真條件為：0～0.12s為電機的勵磁時間，0.12s時刻給定轉速，0.3s時刻突加額定負載，0.5s時刻突減額定負載，0.7s時刻突加發電性質額定負載。

圖4～圖5為基于傳統母線電壓反饋控制和基于功率前饋控制的仿真結果對比圖。可以看到，電機負載所需功率越小時，直流母線電壓波動越小；在電機運行狀態和模式發生變化時，采用功率前饋控制的母線電壓，明顯比采用傳統母線電壓反饋控制的母線電壓平穩，母線電壓的波動現象不明顯，顯著抑制了系統動態過程中母線的電壓沖擊。

4 結束語

本文首先研究了常規的基于母線電壓反饋控制的雙PWM變換器感應電機變頻調速系統，針對其在動態過程中直流母線電壓大幅度波動的現象進行了理論分析，在此基礎上通過采用文中提出的有功功率前饋控制策略實現對整流器的控制，有效地抑制了直流母線電壓的波動，實現了良好的控制效果，仿真結果驗證了文中控制策略分析的正確性和控制方法的有效性。

圖4 雙PWM變換器兩種控制策略仿真結果對比（40Hz）

圖5 雙PWM變換器兩種控制策略仿真結果對比（5Hz）

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