三相电压型PWM整流器改进双闭环控制方法 整流器, 直流电, 质因数

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摘要：三相电压型脉宽调制(PWM)整流器由于具有高功率因数和能量可双向传输等优点而被广泛应用。为提高PWM整流器控制性能，通常采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。然而，传统控制方式中，由于电压外环的非线性特征未完全体现和电流内环的解耦不彻底，致使直流电压不够稳定及交流电流波形品质因数不高。针对卜述问题，分别对电压型PWM整流器的外环和内环加以改进，提出了一种新颖的双闭环控制策略。通过理论说明、仿真分析和实验验证，证明了所提控制策略的正确性和有效性。改进的双闭环控制方法能更好地稳定PWM整流器的直流电压，提高其功率因数，更利于实际应用。
1 引言
三相电压型PWM整流器因其具有结构简单、功率因数高等优点而被广泛应用。但随着应用场景的变化，用户对设备动静态性能的需求逐渐提高，如何通过新控制策略来改善设备的控制性能已成为诸多学者的研究热点。
目前，三相电压型PWM整流器常采用基于同步旋转d，q坐标系的双环控制技术。这种传统电压-电流双闭环控制存在两个问题：①电压外环采用直流电压之差作为输入，未考虑实际直流电压的非线性;②电流内环采用传统的前馈解耦控制，解耦分量易受电网电流的影响，不能完全消除电流直轴与交轴分量的耦合，动态性能较差。
为此提出一种改进的电压，电流双闭环控制策略。分析电压外环的非线性，采用电压平方为控制量间接实现电压闭环控制。对电流内环，提出一种改进的解耦控制方法，以电网参考电流的直轴和交轴分量分别代替解耦分量中电网电流的直轴和交轴分量。在介绍三相电压型PWM整流器数学模型基础上，详细阐述了传统双闭环控制方法(下称“传统控制方法”)和改进双闭环控制方法(下称“改进控制方法”)的基本原理，搭建了仿真和实验平台进行验证，结果均证明了所提改进控制方法的正确性和有效性。
2 PWM整流器数学模型
三相电压型PWM整流器拓扑如图1所示。图中，Udc，Idc分别为直流侧电压、电流;ia，ib，ic，ea，eb，ec分别为三相交流电网电流、电压：L，R分别为滤波电感及其等效电阻;R0，C0为直流负载、电容。
定义开关函数为sk(k=a，b，c)，当sk=1时，上桥臂导通，下桥臂断开;当sk=0时，上桥臂断开，下桥臂导通。整流器正常工作时，上、下桥臂有且仅有一个开关开通。根据图1，设三相交流电压对称，并忽略PWM整流器自身损耗，在d，q，0坐标系下，可建立三相电压型PWM整流器数学模型：
根据式(1)可建立如图2所示的三相电压型PWM整流器的数学模型。
3 改进控制方法
目前三相电压型PWM整流器通常都采取直流电压、交流电流的双级环路结构控制方式。由于PWM整流器传统控制方法存在缺失，此处提出改进的双闭环控制策略，分别对电压外环和电流内环加以改进，以提高PWM整流器的控制性能。
根据图1和式(1)，忽略三相PWM整流器自身损耗，则其直流侧功率与交流侧有功功率应相等，即：Pdc=Pac。由瞬时功率理论及等量坐标变换得：
式(4)表明稳态时，PWM整流器直流侧电压的平方与d轴电流分量成线性关系。如此，便可采用直流母线电压的平方作为控制量，间接实现对直流母线电压的快速跟踪。控制框图如图3a所示。所提改进电流内环设计中，用参考电流
和
分别代替电网电流控制器解耦分量中的id和iq，则可得其控制框图如图3b所示。
由图3b可知，由于改进电流解耦控制直接采用参考电流值作为解耦分量，避免了采样延时，提高了系统的响应速度，同时减小了电网电流波动对控制量的影响，使解耦过程更加彻底。
图4示出改进型PWM整流器双闭环控制框图。改进的PWM整流器双闭环控制分别针对传统控制方法的不足，分层分级予以改进，可更好地实现PWM整流器的动态性能和高功率因数。
4 仿真分析与实验验证
为验证所提改进方法的正确性和可行性，分别搭建了仿真平台和实验平台。三相电压型PWM整流器的相关参数如下：交流电流220 V/50 Hz;L=2.4 mH;Co=3 000μF;开关频率为6.4 kHz;R0为15～35 Ω;直流电压目标值
。
4.1 仿真分析
采用暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对所提方法进行仿真分析，步长3μs，时长0.5 s。在0.2 s时，R0由35 Ω突变为15 Ω，仿真波形如图5所示。可以看出，改进控制方法能更好地稳定直流侧电压Udc，超调量较小，响应更迅速;且在负载突然增加时也能更好地恢复Udc。采用改进控制方法后，a相电流谐波含量大大降低，波形更平滑，提高了PWM整流器的功率因数。