三相PWM整流器的前馈解耦控制与仿真研究

匝镌电冻　２０１２年７月２５日第２９卷第４期　】Ｉ：　Ｊｕｌｙ　２５，２（）１２，Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．４　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　文章编号：１００９—３６６４（２０１２）（）４～０００８—０２　ｊ　研　发－　．－ＰＷＭ整流器的前馈解耦控制与仿真研究　唐玉良　（烟台南山学院计算机与电气自动化学院，山东龙口２６５７１３）　摘要：基于前馈解耦控制策略，研究了三相电压型ＰＷＭ整流器的建模与控制问题。首先，在　ｇ旋转坐标系下建立　了三相电压型ＰＷＭ整流器的数学模型，给出了三相电压型ＰＷＭ整流器的双闭环控制结构，按此方法确定了电压、电流　ＰＩ调节器的设计方法。仿真结果表明该方法能使所设计的ＰＷＭ整流器运行于单位功率因数，输出的直流电压稳定在期　望值且具有快速的动态响应，满足了设计要求。　关键词：ＰＷＭ整流器；仿真；控制　中图分类号：ＴＭ４６１　文献标识码：Ａ　Ｆｅｅｄ—Ｆｏｒｗａｒｄ　Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ＴＡＮＧ　Ｙｕ－ｌｉａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｙａｎｔａｉ　Ｎａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１．ｏｎｇｋｏｕ　２６５７１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ　ｄｅｅｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔ　ｏｆ　ａｌｌ，ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ１　ｍｏｄｅ１　ｏｆ　ｔｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔｈａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｉＳ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａＣｑ　ｒｏｔａ—　ｔｉｏｎ　ｆｒａｍｅｓ．Ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｌｏｏｐ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｅｅｄ－ｆｏｒｗａｒｄ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ　ＰＩ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｎｅｄ．ｇ　Ｔｌ１ｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｔｌｌａｋｅ　ＰｗＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｒｕｎ　ｗｉｔｈ　ｕｎｉｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｅｍａｎｄｓ　０　引　言　三相电压型ＰＷＭ整流器具有交流侧输入电流正　弦性好、功率因数高、能量双向流动、直流电压脉动小等　优良特性，因此ＰＷＭ整流器的高性能控制得到越来越　广泛的关注＿１］。ＰＷＭ整流器的控制实际上是对交流侧　电流的控制，实现的方案有间接电流控制和直接电流控　制两种。由于直接电流控制具有良好的动、静态性能，　因此该方法成为目前控制系统设计的主流Ｌ２］。而双闭　环控制结构是实现直接电流控制的主要方式。本文基　于前馈解耦控制策略，设计了三相ＰＷＭ整流器的双闭　环控制系统，并对其性能进行了仿真研究。　图１　三相电压型ＰＷｌＶｉ整流器主电路图　根据基尔霍夫定律，三相电压型ＰＷＭ整流器在　ａ，ｂ，Ｃ三相静止坐标系中的模型可表示为ｌ＿４］　１　三相电压型ＰＷ１Ｍ整流器的数学模型　三相电压型ＰＷＭ整流器主电路如图１所示，设　主电路三相对称，即　＝Ｕｍｃｏｓ（ｒｏｔ），Ｕｂ　Ｕ　ｃｏｓ（ｍｔ一　２￣／３），Ｕ　＝Ｕ　ＣＯＳ（ｍｔ＋２ｎ／３）。其中，单极性开关函　数５，＝ｓｉ（￡）∈｛０，１｝，ｉ＝ａ，ｂ，Ｃ。５。＝１时上桥臂开关导　ｆＬ　：　－Ｓｉ／Ｘｄｃ～　ｌｃ　一　ｊ　Ｕｄｃ　＝一　∑　ｃ。ｓ（　＋　）　利用等功率坐标变换【３］　ｏｓ０　ｃｏｓ（　一　）　通，下桥臂开关关断　＝０时上桥臂开关关断，下桥臂　开关导通。　为桥臂中点电压。Ｌ为交流侧滤波电　感。ｒ为交流侧电动势与滤波电感的等效内阻。Ｃ为　直流侧滤波电容。ＲＩＪ为负载电阻。　收稿日期：２０１２—０３～２０　作者简介：唐玉良（１９８３一），男，山东烟台人，硕士，研究方向为　功率变换器与电机的非线性控制。　Ｔ＝＝　Ｊ一　　１１　１　，１　／ｇ　可将式（１）变换为两相　ｑ同步旋转坐标系下　ＰＷＭ整流器的数学模型　通馋电．潦梭术　２０１２年７月２５日第２９卷第４期　唐玉良：三相ＰＷＭ整流器的　前馈解耦控制与仿真研究　Ｔｅｌｅｅｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊｕｌｙ　２５，２０１２，Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．４　『Ｌ　一“ａ　ａ￣ａ，Ｌｉ　－－ＳｄＵｄｃ　态下时，无功分量的给定值设为ｏ，两个给定值与网侧　（２）　经过变换后的反馈值进行比较后，可以采用ＰＩ调节进　行电流控制。通过控制ｄ轴电流控制整流器的有功　Ｌ　Ｌ　功率，控制ｑ轴电流控制整流器的无功功率，这就是基　垫出　出　于同步选择坐标系的ＰＩ控制方法。　＋　＋　．　．ｎ　ｊ　Ｌ誓一　一　。一ｃ　一　“出　ｌｃ％　一（　＋　）一　Ｕｄｃ　２三相电压型ＰＷＩＶｌ整流器的控制策略　根据同步旋转幽坐标系下的整流器数学模型，　得出由轴电流除受控制量Ｓｄ‰和ＳｑＵ　影响外，还受　到输入电流　ｑ轴分量耦合作用的影响，以及电网电　压“ａ和　。扰动的影响。因此，单纯引人电流反馈，并　没有解除电流之间的耦合作用。为解除耦合，令　＝　Ｓｄ　，　＝Ｓｑ　ｄｃ，采用前馈解耦控制策略［５］，控制方程　为：　，　厶　／　—　／　ｌ　Ｉ志　＋　＋　图２三相电压型ＰＷｌＶｌ整流器控制系统结构框图　３仿真试验及结果分析　为了验证所提出的控制算法的正确性，在Ｍａｔ—　ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下对所建模型进行系统仿真实验。一般　说来，对整流器的仿真采取两种形式：一是对数学模型　的仿真，二是面向结构仿真。数学模型仿真的优点是　能够从原理上验证理论的正确性，仿真速度快。面向　结构仿对数学模型仿真速度比较慢，但结构仿真　采用ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的电力电子器件，更接近实际，而且　能够实时观测各个电力电子开关的电压和电流波形。　｛ｊ　一一（是　ｐ＋　）（Ｚ～ｄ—ｉｄ）＋正　ｑ＋“ｄ　（３）　｝　一一（　＋　）（　一　）一ｏｇｉｄ＋　ｌ　Ｓ　式中，　，　为幽轴电流指定值。ｋ　ｋ　为电流内环　比例调节增益与积分调节增益。　将式（３）代人式（２）中可得　）（　一ｉｄ）　每）（　，　ｉｑ）　（４）　式（４）说明前馈解耦控制算法使三相ＶＳＲ电流内　环　，　实现了解耦控制，其控制框图如图２所示。　输出电压与给定的参考值比较后输入电压ＰＩ控制器。　电压控制器作为外环控制，一方面控制输出电压跟踪　电压设定值；另一方面通过ＰＩ调节器得到有功输入电　流分量的参考值。当整流器运行在单位功率因数的状　本文采用面向数学模型的仿真。其主电路仿真模型及　参数如图３所示，其中正弦电源电压的峰值　＝３１１　Ｖ，频率ｆ＝５０　Ｈｚ，期望输出的直流电压Ｕｄ　＝６２０　Ｖ。　图４为Ａ相电压和电流的波形，可以看出电流波形接　近正弦规律变化，且与输人电压同相位，实现了单位功　率因数运行；图５为输出直流电压波形，可以看到输出　电压快速的稳定在期望值上，满足了设计要求。　图３三相ＰＷＭ整流器的主电路仿真模型　（下转第２５页）　通镌电．潦筏术　２０１２年７月２５日第２９卷第４期　２ｅ１￥ｔｌ１，Ｚ５　Ｚ０：４ｚ：●‘ｍ；；；；；ｉｉ；；；；；；＝；ｊｉｉ；；；；　Ｏｋ　Ｎ…１　宗艳玲，等：基于ＤＳＰ的光伏并网　技术的研究与实现　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊｕｌｙ　２５，２０１２，Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．４　波信号，通过对电网电压频率与相位的跟踪，使全比较　器发出与电网电压同频同相的工频控制信号。实验波　形如图５所示，调整时间为６个电网周期，说明此锁相　一　【＾　＼／Ｉ　，＿、　＾　，、　环能较快的跟踪电网电压，实现光伏发电并网锁相。　参考文献：　［１］桑福环．光伏并网逆变系统的研究与设计［Ｄ］．西安：西安　理工大学，２０１０．　、　＼－一，　、，　＼　／　Ｍａｘ（ｅｌＨＩｎＩｃｉ；一　：：＝＝＝　３，ｉ６５７ＩＪ　’　ｐ－ｐ‘Ｃｚ）　ｆ２］Ｍａｒｔｉｎ　Ａ　Ｇｒｅｅｎ．Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｔｅｃｈ—　ｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｚ］．Ｐｒｅｎｔｉｃｅ－Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ．　１９８２，Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ　Ｃｌｉｆｆｓ，Ｎ．Ｊ．０７６３２，１９８２．　（ｂ）电网电压过零检测波形　图４　硬件采样电路与实验波形　［３］沈向荣．光伏并网发电系统研究［Ｄ］．深圳：深圳研究生　４实验结果　Ｆ２８１２的捕获单元捕获电网电压过零检测后的方　Ｚ＠１２，＇９３￣＇１１：翟：ｚ３：ｉ３　’　；；；　＿●＿－＿＿＿＿－；＝　＝　＝；　ｌ　Ｏｋ　Ｈｏｒ●性１　院，２００９．　ｒ４］　Ａｔｈｕｌａ　Ｒａｊａｐａｋｓｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｐｈｏｔｏ—　ｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍｓ［Ｚ］．Ｐｕｌｓｅ　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２００８　ｂｙ　ＨＶＤＣ　ｃｅｎｔｒｅ　Ｉｎｃ．Ｍａｎｉｔｏｂａ，Ｃａｎａｄａ，２００８．　［５］张洪亮．单相光伏并网逆变数字控制策略研究与实现　ｎ　广＿］　．ｊ１Ｉ　Ｊ　ＮＩ￣（Ｃ１）－　１．１６　￣【ｃｌ】呐Ｈ　－。　几广　［Ｄ］．济南：山东大学，２００７．　［６］崔岩，蔡炳煌，李大勇，等．太阳能光伏系统ＭＰＰＴ控制　算法的对比研究口］．太阳能学报，２００６，２７（６）：５３５—５３９．　ｌ　［７］赵［８］孙为．太阳能光伏并网发电系统的研究［Ｄ］．合肥：合肥　健，潘俊民，赵小妹．基于数字锁相环的并网逆变器　工业大学，２００３．　ＩＩ，Ｈｚ　ｍｑ（ｃｚ）％‘ｚ。　电流跟踪控制Ｉ－Ｊ］．低压电器，２０１０，（７）：４１—４４．　Ｈａｘ【ＣＺ，　３．５００００Ｕ　图５过零方波与工频控制信号波形图　（上接第９页）　ＰＷＭ整流器的建模与ＰＷＭ控制问题。仿真结果表　明该控制策略能够很好地控制网侧电流，使其谐波含　量少，实现了单位功率因数运行，大大减少了对电网的　污染。并且该方法能够有效地控制输出电压快速地稳　定在期望值上，输出电压纹波小，响应速度快。因此这　种控制方法具有较高的理论意义和实用价值。　参考文献：　图４　ａ相输入电压电流波形　［１］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，２００２．　［２］伍小杰，罗悦华，乔树通．三相电压型ＰＷＭ整流器控制　技术综述［Ｊ］．电工技术学报，２００５，２０（１２）：７一ｌ２．　［３］Ｌｅｅ　Ｔｚａｎｎ　Ｓｈｉｎ．Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐａｓｓｉｖｉｔｙ－ｂａｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ＡＣ／ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｏｕｒｃｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，５１　（４）：８９２－９０２．　［４］徐德鸿．电力电子系统建模及控制［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，２００５．　图５输出直流电压波形　［５］李谦，李永东．三相ＰＷＭ整流器闭环控制研究［Ｊ］．电　气传动，２００７，３７（１１）：１８—２１．　５结论　本文采用前馈解耦控制方法，研究了三相电压型　・２５・