三相PWM整流器雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的新型設(shè)計(jì)

摘要：通過分析三相脈寬調(diào)制( PWM) 整流器在d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了具有前饋解耦控制的PWM 整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)電流內(nèi)環(huán)的控制要求設(shè)計(jì)電流比例積分( PI) 調(diào)節(jié)器，提出按閉環(huán)幅頻特性峰值( Mr) 最小準(zhǔn)則來確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法;根據(jù)系統(tǒng)對(duì)電壓外環(huán)的控制要求，采用模最佳整定法來設(shè)計(jì)電壓PI 調(diào)節(jié)器。最后對(duì)整個(gè)PWM 整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了PI 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的正確性。

　　0 　引　言

　　PWM 整流技術(shù)在抑制諧波及無功補(bǔ)償方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢，具有網(wǎng)側(cè)電流輸入接近正弦，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控，能量雙向傳輸，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛采用的是基于電壓定向的PWM 整流器。電壓型PWM 整流器要控制的變量有兩個(gè)，一是整流器的直流電壓輸出，二是整流器的輸入電流，基于d-q 坐標(biāo)變換的矢量控制通過對(duì)PWM 整流器有功和無功電流控制，達(dá)到控制輸入電流的目的。因此，如何合理的設(shè)計(jì)控制兩個(gè)變量的調(diào)節(jié)器參數(shù)以保證在電源電壓波動(dòng)范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)良好的控制性能很重要。

　　本文在分析PWM 整流器工作原理和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立前饋解耦控制系統(tǒng)框圖，提出電流環(huán)和電壓環(huán)PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并給出simulink 仿真結(jié)果。

　　1 　PWM整流器工作原理及數(shù)學(xué)模型

　　三相PWM整流器主電路如圖(1) 所示， ea ， eb ， ec為電源電壓， ua ， ub ， uc 為整流器整流側(cè)輸出電壓，其中整流器交流側(cè)輸入電感L 起到濾波和升高直流電壓的作用，直流側(cè)電容C 作為儲(chǔ)能元件并起到穩(wěn)壓作用。三相PWM 整流器在d2q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為:

圖1 　PWM整流器電路結(jié)構(gòu)

　　由上式，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，以d 軸電源電壓矢量定向(矢量圖如圖2 ，把對(duì)電網(wǎng)相電流的控制轉(zhuǎn)化為對(duì)電流is在d 軸和q 軸的直流分量的控制，從而簡化了PWM 整流系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)) 的PWM整流器模型為:

　　式中，ω為旋轉(zhuǎn)角速度; sd ，sq 為開關(guān)函數(shù)。

圖2 　d 軸電網(wǎng)電壓定向的PWM整流器矢量圖

　　從式(1) 數(shù)學(xué)模型看出， d-q 軸變量相互耦合，不但電壓無法進(jìn)行單獨(dú)控制，而且給控制器的設(shè)計(jì)帶來一定的困難。為此，引入id 、iq 的前饋解耦控制，對(duì)ud 、uq 進(jìn)行前饋補(bǔ)償，得到電流控制的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓指令為式(2) 。前饋解耦控制框圖如圖3 所示。

圖3 　前饋解耦控制框圖