基于功率控制的三相電壓型PWM整流器控制器設計

黃輝先　龐達凌　周鵬　羅骎

摘要：提出基于功率控制的三相電壓型PWM（pulse width modulation）整流器控制器設計方法。根據能量守恒原理建立的VSR（voltage source rectifier）數學模型可通過忽略回路電阻及電感充放電所消耗的能量等效成線性定常系統。系統外環采用電容儲能控制，內環采用電流控制，同時引入直流負載功率補償，實現對電容儲能變化率的直接控制。電流內環采用前饋解耦PI（proportionalintegral）控制，將內環等效成一階慣性環節。電容儲能外環采用PI控制，利用代數分析及根軌跡分析，提出外環PI參數的設計方法。VSR系統整體等效為二階系統。仿真結果表明：本文所提出的控制器設計方法能使得VSR達到優異的性能。

關鍵詞：PWM整流器；功率控制；電容儲能；功率補償；控制器設計

中圖分類號：TM461文獻標識碼：A

Abstract：This paper presented the controller design for threephase voltage source PWM rectifier based on power control. The mathematical model of VSR was established in accordance with principle of conservation of energy， and it can be equivalent to linear time-invariant system by omitting loop resistances energy and the energy consumed by charging and discharging of inductors. Capacitiveenergystorage control was adopted in outer loop of the system， and a current control in the inner loop. Meanwhile， power compensation of DCload was also used to control the change rate of capacitor energy storage directly. In the inner loop， feed forward decoupling control method with PI regulator was used to make the loop equivalent to a firstorder inertial element. PI control was adopted in the outer loop， and algebraic analysis and root locus analysis were used to provide PI parametric design method. The whole VSR system is equivalent to a secondorder system， and the simulation results show that the controller design method proposed can bring VSR an excellent performance.

Key words：PWM rectifier； power control； capacitance energy storage； power compensation； controller design

1引言

整流器是一類重要電力電子變流裝置，與傳統相控型整流器相比，PWM整流器能提供高質量的直流電源，僅產生易于濾除的高次諧波，并能實現單位功率因數控制。

近年來，國內外同行提出了多種控制方案，主要集中于兩類，即直接功率控制[2-4]和基于電流電壓雙閉環的矢量控制[1]。但直接功率控制和矢量控制的關鍵區別在于功率控制的實現。矢量控制通過調節電流，進而調節有功和無功。而直接功率控制通過選擇整流橋開關函數實現對有功無功的直接控制。這些都是針對內環的控制方案。文獻[1]提出了VSR數學模型的改進，即采用電壓平方代替原有的電壓，但僅用很少量篇幅，也沒有指明電壓平方的物理意義。文獻[4]采用電壓平方作為系統外環的控制目標，但是文獻[4]的主要研究內容是電流內環。

姜衛東等學者提出了直流負載反饋和負載功率前饋的控制策略[5，6]，本文稱之為功率控制。文獻[5]主要應用于DC/DC的boost變換器。文獻[6]主要應用于AC/DC的boost變換器，即本文所述的PWM整流器。文獻[5]、[6]思路一致，僅應用對象不同。文獻[5]、[6]并沒有詳細敘述控制器的設計方法，僅參考文獻[2]的方法，將VSR系統設計成Ⅱ型系統，且敘述篇幅少。并且，所提出的通過忽略電阻消耗功率和電感儲能吸收功率來簡化系統模型，其合理性，并沒有驗證。

本文將VSR系統設計成二階系統，因為對二階系統性能的研究最為簡便。

2三相電壓型PWM整流器的數學模型

其中ea、eb、ec為互差120deg的三相交流電網電壓，ia、ib、ic為三相交流側電流，va、vb、vc為整流器三相交流側電壓，R為交流等效電阻、L為交流電感、udc為直流側電壓，idc為負載電流，RL為負載電阻，C為直流電容，sa、sb、sc為整流橋開關函數。

5數字仿真

前文討論了基于功率控制的VSR控制策略及控制器的設計，在控制器設計中簡化了VSR數學模型。基于MATLAB平臺，數字仿真分為兩部分：1. 利用POWER SYSTEM工具箱進行電力電子系統仿真，驗證控制策略的有效性；2.對VSR簡化數學模型進行基于傳遞函數的數字仿真，并與電力電子系統仿真結果進行對比，驗證模型簡化的合理性。

5.1電力電子系統仿真

利用MATLAB平臺POWER SYSTEM工具箱進行10kW電力電子系統仿真。系統控制結構如圖6所示。主要仿真參數為：

直流電壓UDC=700 V；電網電壓EN=220 V；

交流電流最大值（峰值）IACmax =idmax =30 A；

交流電感L=4 mH；交流電阻R=0.15 Ω；

直流電容C=2350 uF；負載電阻RL=49 Ω。

傳感器采樣周期Ts=（1/18000） s；

電容儲能外環參數：KQCP=960KQCI=96；

電流內環參數：KiP=24KiI=900；

由上圖可知，基于傳遞函數的數字仿真與電力電子系統仿真波形非常接近，由計算得到，誤差小于5%。兩次仿真的結果僅在VSR負載突變瞬間有一定的差異。這是因為在電流突變瞬間，電感充放電會吸收（釋放）能量，也僅在此刻，前述的模型簡化會帶來一定誤差。但總體而言，模型的簡化是合理的。

6結論

本文提出了基于功率控制的三相電壓型PWM整流器控制器設計方法，在控制器設計中，通過簡化模型，將VSR系統整體等效成二階系統。仿真結果表明，本文所提出的控制器設計方法能使VSR達到優異的性能，并且，設計過程中的模型簡化是合理的。

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