基于电压定向PWM整流器控制系统设计

基于电压定向PWM整流器控制系统设计

作者：常宝存 王平

来源：《中国科技纵横》2013年第21期

【摘 要】 介绍了PWM整流器电压定向控制的基本原理，详细分析了电压定向控制系统中电压环以及电流环的设计方法，并基于Matlab/Simulink仿真平台对电压定向PWM整流器控制系统进行了仿真研究，仿真结果验证了本文所设计的基于电压定向的控制系统的正确性和有效性。

【关键词】 PWM整流器 控制系统设计 电压定向控制 1 引言

PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用推动了PWM技术的应用与研究。随着电力系统理论的发展和对电力系统中所存在问题的深入研究，如无功功率补偿、谐波抑制、对负载对电网冲击的抑制等，三相电压型PWM整流器已被广泛用于改造电网污染和提高电能利用率和新能源的开发利用，如用作并网装置，把本地装置消耗不了的电能回馈到电网，以单位功率因数运行，消除谐波，最终可以提高对风能、太阳能的利用率。总之，这种整流器性能优越，可以替代传统的整流电路实现装置的“绿色”运行，有着广泛的应用前景和重要的研究价值。

为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类：一类是由J.W.Dixon和B.T.Ooi提出的“间接电流控制”；另一类就是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。“间接电流控制”通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于“间接电流控制”其网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略已逐步被“直接电流控制”策略所取代。“直接电流控制”策略以其快速的电流响应和鲁棒性受到了学术界的关注，并先后研究出各种不同的控制方案，主要包括以固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制，以及以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制等。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器电流控制中取得了广泛应用，研究人员先后提出了多种控制方案。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需要快速电流响应场合获得优越的性能，在具体的控制策略上提出了状态反馈控制等。 本文主要介绍了PWM整流器电压定向控制的基本原理，详细分析了电压定向控制系统中电压环以及电流环的设计方法，并基于Matlab/Simulink仿真平台对电压定向PWM整流器控制系统进行了仿真研究，通过仿真结果验证本文所设计的基于电压定向的控制系统的正确性和有效性。

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2 电压定向控制基本原理

电压定向控制是一种基于同步旋转坐标的矢量控制方式。这种算法中用到四种变换：三相静止ABC坐标系至两相静止坐标系的变换，称为Clark变换；两相静止坐标系至两相旋转坐标系的变换，称为Park变换。以及这两种变换的反变换Clark-1，Park-1。通过坐标变换，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间可以互换，就可以把对交流量的控制化为对直流量的控制，使控制简化、系统得到较好的动静态性能。

对于三相交流对称系统，若只考虑交流基波分量，则稳态时dq模型的d、q分量均为直流变量，d轴表示有功分量参考轴，而q轴表示无功分量参考轴，则在两相旋转坐标系下就可以实现对有功、无功的独立控制。

基于空间矢量的三相VSR电压定向控制系统框图如图1所示，控制系统采用双闭环控制：电压外环和电流内环，电压外环的作用主要是控制三相VSR直流侧电压；电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦电流控制。 由图1可知，实际检测到的直流侧电压与给定值相比较，将电压误差送入电压PI调节器，调节器输出为直轴电流（有功电流）给定。为达到功率因数为1，交轴电流（无功电流）的给定值iq*=0。有功和无功电流给定按照如图3-1的解耦控制算法，就可以得到两相旋转坐标系下交流侧电压的给定值，按照SVPWM调制原理，产生的脉冲信号输入PWM整流桥，就可以控制功率器件的开通和关断。整流器网侧的交流电流、交流电压以及直流侧电压可以通过霍尔传感器来检测。这种双闭环控制的主要优点是物理意义清楚，控制结构简单、控制性能优良、工程化设计调试方便。电压定向控制方案能够实现功率四象限变换，并具有动态响应快，稳态性能好等优点。 3 电压定向调节器设计

在设计电流调节器之前，假定给定电压在PWM线性调制区内没有饱和，dq轴电流完全被解耦且经过电网电压的前馈补偿，在dq坐标系下进行调节器的设计。 3.1 电流调节器设计

在进行内环控制器设计时候考虑到除了不容许产生振荡响应的系统外，通常都希望控制系统具有适度的阻尼、较短的调节时间，因此把内环按二阶控制系统设计。 3.2 电压调节器设计 4 仿真结果和分析

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为验证采用电压定向进行PWM整流器控制系统电流内环和电压外环设计的正确性和有效性，本文借助Matlab/Simulink搭建两电平整流器仿真模型，进行仿真分析，系统仿真波形如下图所示。

在理想正弦电源电压输入时的稳态运行波形仿真波形如图4所示，由图4可知，控制系统稳态运行时输出直流电压为550V，且波形较平直，波动小，输入电压与输入电流同相位，功率因数近似为1，因此这种控制系统整流器的稳态运行性能较理想。 5 结语

本文主要介绍了PWM整流器电压定向控制的基本原理，详细分析了电压定向控制系统中电压环以及电流环的设计方法，并基于Matlab/Simulink仿真平台对电压定向PWM整流器控制系统进行了仿真研究，通过仿真结果验证了本文所设计的基于电压定向的控制系统的正确性和有效性。 参考文献

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