三相PWM整流器前饋與滑模變結構控制研究*

鄭　宏，王哲禹，黃　俊，張　云

（1.機械工業設施農業測控技術與裝備重點實驗室，江蘇鎮江212013；2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013）

三相PWM整流器前饋與滑模變結構控制研究*

鄭宏1，2*，王哲禹2，黃俊2，張云2

（1.機械工業設施農業測控技術與裝備重點實驗室，江蘇鎮江212013；2.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013）

針對雙閉環PI控制策略抑制負載擾動及電網電壓波動能力差，以及系統動態響應慢等問題，提出了負載電流前饋策略來提高系統抗負載波動能力。并且電流環采用基于PID趨近率的滑模變結構控制策略來滿足前饋控制策略對內環響應速度的要求，并提高系統動態性能以及魯棒性，應用PID趨近率可以有效抑制傳統變結構的抖振問題。應用Matlab/Simulink軟件進行仿真，并在多功能新能源實驗平臺進行實驗結果顯示所提出控制方法可有效抑制負載變化、電網電壓波動以及其它干擾所對直流電壓穩定性的影響，具有很強的魯棒性，動態響應速度快且性能穩定。

電壓源整流器；前饋控制；變結構；PID趨近率

三相電壓型PWM整流器（VSR）具有功率雙向流通、單位功率因數運行、網側電流正弦化、輸出直流電壓可調等諸多優點，真正的實現“綠色電能變換”。PWM整流器廣泛應用于直流電源、電機調速、有源電力濾波、無功補償、超導儲能、統一潮流控制器、風能及太陽能新能源發電等領域［1］。

三相VSR控制目標分別是：直流電壓穩定，響應快速；網側電流正弦化、單位功率因數運行。對與電網諧波大和負載功率的變化等情況會影響整流器輸入電流THD和直流電壓的穩定性。由于PWM整流器是非線性時變系統，系統建模與分析困難，雖然提出時間最優控制、模糊智能控制、二次最優控制等非線性控制理論，并取得了一定效果，但其計算復雜難以數字化實現，因此無法推廣應用。傳統方法大多局限于電流環的改進，而忽略了電壓環控制策略的研究。

通過VSR原理分析，根據功率平衡原則，本文提出在電壓環加入負載電流前饋的控制理論［5-6］，通過負載電流前饋抑制負載變化對直流電壓的影響。在穩態運行時，負載電流前饋可快速響應負載變化，進行調控。其前饋控制策略是建立在電流環響應快速的基礎之上，因此電流環采用基于PID趨近率［6-8］的滑模變結構控制方法，提高內環響應速度，還解決電網諧波對整流器性能的影響。但由于系統慣性等因素影響，滑模變結構控制有嚴重的抖振問題，采用PID趨近率的方法可以抑制變結構的抖振問題。

1　三相VSR數學模型

三相電壓型PWM整流器（VSR）主電路圖如圖1所示。ea、eb、ec、ua、ub、uc、eb分別為三相電網電壓與VSR交流側電壓；ia、ib、ic為VRS交流側電流；L為濾波電感；R、C分別為輸入電阻、直流側電容；整流器負載等效為RL；iL為負載電流。

圖1　三相VSR主電路圖

三相VSR在與電網基波頻率同步的兩相旋轉（DQ）坐標系下的數學模型為：

式中：ed、eq為電網電動勢矢量的d，q分量；ud、uq為三相VSR交流側電壓矢量d，q分量；id、iq為VSR交流側電流矢量的d、q分量；p為微分算子。

圖2　傳統VSR雙閉環原理圖

如圖2所示，雙閉環控制由電壓環和電流環構成，其中電壓環負責穩定直流母線電壓；電流環根據電壓輸出的指令進行電流控制。由式（1）可知，d、q軸的電流變量存在耦合，因此引入前饋解耦控制，即電流環采用PI控制得到電壓指令，的表達式：

2　負載電流前饋控制策略

傳統的采用PI控制器的雙閉環控制策略在負載變化及電壓波動時，直流母線電壓波動較大，響應速度慢，穩態性能差。為了改善VSR的性能，電壓環采用負載電流前饋策略。

根據功率守恒原則，即VSR的輸入功率等于輸出功率，可得到：

式中：PC為直流母線電容功率；PL為負載功率。

若將同步旋轉坐標系的d軸按電網電壓矢量E定向，此時電網電壓 q軸分量eq=0，d軸分量ed=Em，Em為電網電壓最大值。假設電流環響應速度足夠快，即id≈，則功率表達式可以表示為：

根據式（3）、式（4），有功功率電流指令值可表達為：

電容功率通過PI調節器輸出，負載功率通過前饋控制輸出，則指令電流可改寫為：

聯立式（7）、式（8）得：

當系統進入穩態時，負載變化和電網電壓波動幾乎不會影響直流電壓穩定性［10］。系統根據負載電流的前饋信號快速的跟蹤控制，維持輸入與輸出功率平衡，保持直流母線電壓的穩定。因此前饋控制提高了穩態時VSR的抗干擾能力以及動態性能。

3　基于PID趨近率的滑模變結構控制

前饋控制策略是建立在電流環響應快速、穩定的基礎上，而采用PI控制器調節的電流閉環響應速度慢，魯棒性差，控制效果不佳。滑模變結構控制本質上是一種不連續的非線性控制，其特點是系統的“結構”不固定，根據系統當前狀態有目的變化，使系統按照預定“滑動模態”運動到所期望指標。其具有快速響應，對外部擾動及內部參數變化有完全適應性，物理實現簡單等優點。但由于系統軌跡到達切換面時，速度有限大，因為慣性的存在，其狀態軌跡不斷地穿越滑模面，產生抖振，影響了系統穩定性以及變結構控制的推廣應用。

圖3　優化控制方案

通過設置PID參數使0＜ξ＜1（欠阻尼系統），特征方程有一對共軛復根，式（12）解為：

抖振問題只能抑制，不能消除，本文采用PID趨近率設的計方案來保證滑動模態到達過程的動態品質，減弱系統抖振。

3.1PID趨近率設計

對式（10）求導得：

式（11）為二階微分方程，其特征方程為：

s（0）為初始狀態。由式（13）可看出，系統響應是按指數衰減振蕩規律趨近滑模面。

3.2滑模變結構控制器設計

將式（14）化為：

【病因】病原為屬于扁形動物單殖類的三代蟲（Gyrodactylus sp.）。其主要寄生在體表的有眼側。該蟲后端吸盤中央的1對短且粗的錨鉤，長度35～40μm。

式（15）中，Ad、Bd為矩陣系數，Fd為擾動量。

系統的切換函數設計為：

運動點按PID趨近率到達滑模面，根據式（10）、式（16）可得到滑模變結構控制器參數為：

由式（17）得到：

式（18）中ukd為系統進入切換面的等效控制量。D軸按電網電壓定向，即ed=Em，eq=0，ukd為：

同理得到其Q軸電壓矢量uq。

4　仿真實驗

為驗證變結構優化控制對于VSR負載功率變化和抑制電網電壓波動等外界擾動的能力，首先應用Matlab/Simulink軟件進行仿真，然后以多功能新能源實驗平臺進行實驗仿真。三相VSR的系統參數如表1所示。在VSR整流器運行時，突然加大負載功率，驗證負載功率變化時，整流器動態性能的變化，驗證本文提出方法的有效性。

表1　VSR參數

圖4為負載變化時PI控制、前饋控制、變結構優化控制的直流電壓、電網電壓和輸入電流的仿真波形。3種方法比較可知，前饋控制抗負載變化能力強，直流電壓恢復快，但無法抑制電網諧波干擾，電流畸變率達。而將前饋控制和滑模變結構控制相結合的優化控制，不僅減小負載變化所帶來的影響，還可抑制電網諧波的影響，電流畸變率低，動態響應速度更快。

圖4　MATLAB仿真波形

圖5展示負載變化時，3種控制方法的實驗波形。為檢驗諧波對整流器的干擾，整流器輸入電壓含有一定量的諧波。當系統的負載發生變化時，PI控制效果最差，直流電壓波動大，輸入電流畸變高；帶有前饋的PI控制直流母線電壓波動相對較小，但輸入電流波形畸變較高。采用PID趨緊率的優化控制，由于提高電流內環的響應速度，使直流母線電壓波動與恢復時間進一步減小，并且采用滑模變結構控制可以抑制電網電壓諧波對整流器性能干擾，其輸出電流畸變率低。

圖5　實驗波形

5　結論

本文提出了結合PID趨近率的滑模變結構控制與負載電流前饋控策略，將優化控制方法與傳統PI控制進行Matlab/Simulink仿真并應用新能源實驗平臺進行實驗驗證。將仿真、實驗波形進行對比可知，負載電流前饋可以有效抑制負載變化以及電網電壓波動對直流母線電壓的影響；電流環采用基于PID趨近率的滑模變結構控制可有效抑制抖振問題，提高整流器的魯棒性與動態性能。

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鄭宏（1965-），男，教授，博士，研究方向為大功率電力電子變換器、分布式發電與儲能技術研究；

王哲禹（1989-），男，碩士生，研究方向為大功率電力電子變換器、光伏并網逆變器、PWM整流器；

黃俊（1990-），男，碩士生，有源濾波裝置、分布式發電與儲能技術研究；

張云（1990-），女，碩士生，無功補償裝置，開關電源研。

Design on Feed-Forward and Variable Structure Control for Three-Phase Voltage Source PWM Rectifier*

ZHENG Hong1，2*，WANG Zheyu2，HUANG Ju2，ZHANG Yun2
（1.Key Laboratory of Facility Agriculture Measurement and Control Technology and Equipment of Machinery Industry，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2.Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

To improve the function of traditional double closed-loop PI control strategy，in which insurance load disturbance and voltage fluctuation have a great influence on the DC bus voltage，as well as dynamic response problem. Load current feed forward strategy was proposed to weaken load disturbance.Current loop uses sliding mode control based on PID trending law strategy to satisfy the requirement of load current feed-forward and improve robusness. PID trending law can minimize the vibration of sliding mode control.Simulation with Matlab/Simulink and experiment result of new energy experimental platform shows proposed method can effectively eliminate the DC bus voltage fluctuation，which caused by load change and grid voltage fluctuation，fast dynamic response and robustness.

VSR；feed-forward control；sliding mode control；PID reaching law

TM46

A

1005-9490（2016）05-1275-05

項目來源：江蘇高校優勢學科建設工程項目（61074019）

2015-06-27修改日期：2015-12-14

EEACC:121010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.049