基于滑?？刂频娜郟WM整流器的研究

郭珍奇

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

PWM整流器具有降低網(wǎng)側(cè)交流電流諧波、實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行、直流側(cè)電壓控制恒定以及能量雙向流動等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力傳動、工業(yè)直流電源等領(lǐng)域。由于三相PWM整流器是典型的非線性系統(tǒng)，采用純線性控制方法研究整流器的控制問題已不適用[1]。為提高PWM整流器的運行特性，人們提出了許多控制策略。文獻(xiàn)[2]給出了三相PWM整流器d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了閉環(huán)控制分析。文獻(xiàn)[3]借鑒矢量合成的思路，設(shè)計了無需電感參數(shù)解耦控制網(wǎng)絡(luò)的方案，改善了PI控制器的效果，但并未考慮電壓外環(huán)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)非線性特征，導(dǎo)致外環(huán)魯棒性差?；？刂谱鳛榉蔷€性控制方法，具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化不靈敏等特點，被應(yīng)用于PWM整流器控制[4]。文獻(xiàn)[5]對電壓環(huán)和電流環(huán)僅采用滑模控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和動態(tài)響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[6]研究了滑模與無源性協(xié)調(diào)控制的可行性，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[5]中電流環(huán)趨近律和文獻(xiàn)[6]中無源參數(shù)設(shè)計復(fù)雜，增加了控制的難度。文獻(xiàn)[7]采用PI控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的混和控制策略，較傳統(tǒng)PI控制有交強(qiáng)的魯棒性，驗證了混合控制的正確性，但未考慮阻感參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化時對系統(tǒng)的控制效果。本文分析了PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，采用電流環(huán)PI控制和電壓環(huán)滑模控制的混合控制策略，并在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的滑?？刂破?，使系統(tǒng)的阻感參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化時，仍具有良好的控制效果。

1 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器的拓?fù)淙鐖D1所示，圖中ea、eb、ec為三相電源電壓，ia、ib、i為三相電源電流，L為交流測側(cè)電感，R為電感的寄生電阻，C為直流濾波電容，RL為直流負(fù)載。

圖1 三相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1可得，電源對稱式三相靜止坐標(biāo)下電壓型PWM整流器的開關(guān)數(shù)學(xué)模型為[8]：

根據(jù)“等功率”坐標(biāo)變換原則，對式（1）進(jìn)行同步變換，得d-q坐標(biāo)系下電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型為：

2 電壓環(huán)滑模控制器設(shè)計

滑?？刂票举|(zhì)上是一種非線性控制，具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)的特點。PWM整流器中，電壓環(huán)更易受到擾動的影響，為了使電壓環(huán)的輸出電壓更穩(wěn)定，可采用性能較好的滑?？刂破鳌ｋ娏鳝h(huán)受到擾動的影響相對較小，在不做較高要求的情況下，可采用PI控制[8]。

2.1 傳統(tǒng)滑?？刂破髟O(shè)計

由式（2）可得穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型為：

式中，存在Sd和Sq兩個非線性開關(guān)量，若使系統(tǒng)能運行于設(shè)定滑面上，可求得滿足滑面S1時，Sd和Sq的理想值。由S1=0，=0和式（2）可得：

將式（6）代入式（5）可得：

2.2 改進(jìn)滑?？刂破?/h3>

如式（4）所示，β在常用的滑模控制器中為一定值，當(dāng)電路電感及其寄生電阻發(fā)生變化時，可能引起輸出電壓超調(diào)，導(dǎo)致滑?？刂瓶刂菩Ч焕硐?。鑒于電壓超調(diào)時，β值對電壓輸出波形有較大影響，改進(jìn)滑?？刂破?，設(shè)計β參數(shù)為：

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗證滑模控制的優(yōu)越性和改進(jìn)方法的有效性，本文采用MATLAB/Simulink軟件對基于PI控制、滑模控制以及改進(jìn)滑?？刂频娜郟WM整流器進(jìn)行了仿真實驗。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：交流測電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，電感L=3 mH，電阻R=0.2 Ω，直流側(cè)給定電壓為600 V，電容C=4 000 μV，RL=50 Ω，系統(tǒng)開關(guān)頻率為10 kHz，電流內(nèi)環(huán)PI控制參數(shù)Kp=50，Ki=1，電壓外環(huán)滑面參數(shù)β=6.67，改進(jìn)后參數(shù)為β1=6.67，β2=0.006。

為檢驗采用滑?？刂茣r電壓環(huán)的靜態(tài)和動態(tài)特性，0.2 s時將直流側(cè)負(fù)載由50 Ω突變?yōu)?3 Ω，并進(jìn)行對比仿真實驗。如圖2所示，采用雙閉環(huán)PI控制時，輸出電壓有超調(diào)且在約0.1 s時實現(xiàn)電壓跟蹤；采用滑?？刂茣r，輸出電壓無超調(diào)且在0.05 s前實現(xiàn)電壓跟蹤。負(fù)載突變時，采用雙閉環(huán)PI控制的輸出電壓下降并在0.15 s后恢復(fù)，而采用滑模控制的輸出電壓幾乎無變化。這說明外環(huán)采用滑?？刂频腜WM整流器具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度和更強(qiáng)的抗干擾能力。

圖2 負(fù)載突變時直流輸出電壓的波形

圖3是L=2 mH時滑模控制改進(jìn)前后直流側(cè)電壓輸出的局部波形圖，可以看到直流側(cè)輸出電壓均有超調(diào)。改進(jìn)前電壓最大值約為622 V，改進(jìn)后電壓最大值約為613 V，超調(diào)量減小了約43%。改進(jìn)前電壓在0.08 s左右穩(wěn)定，改進(jìn)后電壓在0.02 s前穩(wěn)定。

通過分析圖3可知，改進(jìn)后滑?？刂破鹘涣鱾?cè)電感發(fā)生變化，導(dǎo)致直流側(cè)電壓出現(xiàn)超調(diào)，減少了超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時間。相對于改進(jìn)前的滑模控制而言，改進(jìn)后電壓輸出波形得到了極大改善。

4 結(jié) 論

本文在分析研究PWM整流器傳統(tǒng)外環(huán)滑?？刂频幕A(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)后的控制方法。通過分析與驗證得出：（1）基于外環(huán)滑?？刂频恼髌鞅炔捎秒p閉環(huán)PI控制的整流器具有更好的動態(tài)性能和魯棒性；（2）交流側(cè)電感參數(shù)變化時，改進(jìn)后的滑?？刂浦绷鱾?cè)電壓輸出超調(diào)量降低、調(diào)節(jié)時間減少，從而證明了改進(jìn)方法的正確性。

圖3 L=2 mH時改進(jìn)前后電壓輸出局部波形