三相PWM整流器前馈与滑模变结构控制研究*

郑　宏，王哲禹，黄　俊，张　云

（1.机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室，江苏镇江212013；2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）

三相PWM整流器前馈与滑模变结构控制研究*

郑宏1，2*，王哲禹2，黄俊2，张云2

（1.机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室，江苏镇江212013；2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013）

针对双闭环PI控制策略抑制负载扰动及电网电压波动能力差，以及系统动态响应慢等问题，提出了负载电流前馈策略来提高系统抗负载波动能力。并且电流环采用基于PID趋近率的滑模变结构控制策略来满足前馈控制策略对内环响应速度的要求，并提高系统动态性能以及鲁棒性，应用PID趋近率可以有效抑制传统变结构的抖振问题。应用Matlab/Simulink软件进行仿真，并在多功能新能源实验平台进行实验结果显示所提出控制方法可有效抑制负载变化、电网电压波动以及其它干扰所对直流电压稳定性的影响，具有很强的鲁棒性，动态响应速度快且性能稳定。

电压源整流器；前馈控制；变结构；PID趋近率

三相电压型PWM整流器（VSR）具有功率双向流通、单位功率因数运行、网侧电流正弦化、输出直流电压可调等诸多优点，真正的实现“绿色电能变换”。PWM整流器广泛应用于直流电源、电机调速、有源电力滤波、无功补偿、超导储能、统一潮流控制器、风能及太阳能新能源发电等领域［1］。

三相VSR控制目标分别是：直流电压稳定，响应快速；网侧电流正弦化、单位功率因数运行。对与电网谐波大和负载功率的变化等情况会影响整流器输入电流THD和直流电压的稳定性。由于PWM整流器是非线性时变系统，系统建模与分析困难，虽然提出时间最优控制、模糊智能控制、二次最优控制等非线性控制理论，并取得了一定效果，但其计算复杂难以数字化实现，因此无法推广应用。传统方法大多局限于电流环的改进，而忽略了电压环控制策略的研究。

通过VSR原理分析，根据功率平衡原则，本文提出在电压环加入负载电流前馈的控制理论［5-6］，通过负载电流前馈抑制负载变化对直流电压的影响。在稳态运行时，负载电流前馈可快速响应负载变化，进行调控。其前馈控制策略是建立在电流环响应快速的基础之上，因此电流环采用基于PID趋近率［6-8］的滑模变结构控制方法，提高内环响应速度，还解决电网谐波对整流器性能的影响。但由于系统惯性等因素影响，滑模变结构控制有严重的抖振问题，采用PID趋近率的方法可以抑制变结构的抖振问题。

1　三相VSR数学模型

三相电压型PWM整流器（VSR）主电路图如图1所示。ea、eb、ec、ua、ub、uc、eb分别为三相电网电压与VSR交流侧电压；ia、ib、ic为VRS交流侧电流；L为滤波电感；R、C分别为输入电阻、直流侧电容；整流器负载等效为RL；iL为负载电流。

图1　三相VSR主电路图

三相VSR在与电网基波频率同步的两相旋转（DQ）坐标系下的数学模型为：

式中：ed、eq为电网电动势矢量的d，q分量；ud、uq为三相VSR交流侧电压矢量d，q分量；id、iq为VSR交流侧电流矢量的d、q分量；p为微分算子。

图2　传统VSR双闭环原理图

如图2所示，双闭环控制由电压环和电流环构成，其中电压环负责稳定直流母线电压；电流环根据电压输出的指令进行电流控制。由式（1）可知，d、q轴的电流变量存在耦合，因此引入前馈解耦控制，即电流环采用PI控制得到电压指令，的表达式：

2　负载电流前馈控制策略

传统的采用PI控制器的双闭环控制策略在负载变化及电压波动时，直流母线电压波动较大，响应速度慢，稳态性能差。为了改善VSR的性能，电压环采用负载电流前馈策略。

根据功率守恒原则，即VSR的输入功率等于输出功率，可得到：

式中：PC为直流母线电容功率；PL为负载功率。

若将同步旋转坐标系的d轴按电网电压矢量E定向，此时电网电压 q轴分量eq=0，d轴分量ed=Em，Em为电网电压最大值。假设电流环响应速度足够快，即id≈，则功率表达式可以表示为：

根据式（3）、式（4），有功功率电流指令值可表达为：

电容功率通过PI调节器输出，负载功率通过前馈控制输出，则指令电流可改写为：

联立式（7）、式（8）得：

当系统进入稳态时，负载变化和电网电压波动几乎不会影响直流电压稳定性［10］。系统根据负载电流的前馈信号快速的跟踪控制，维持输入与输出功率平衡，保持直流母线电压的稳定。因此前馈控制提高了稳态时VSR的抗干扰能力以及动态性能。

3　基于PID趋近率的滑模变结构控制

前馈控制策略是建立在电流环响应快速、稳定的基础上，而采用PI控制器调节的电流闭环响应速度慢，鲁棒性差，控制效果不佳。滑模变结构控制本质上是一种不连续的非线性控制，其特点是系统的“结构”不固定，根据系统当前状态有目的变化，使系统按照预定“滑动模态”运动到所期望指标。其具有快速响应，对外部扰动及内部参数变化有完全适应性，物理实现简单等优点。但由于系统轨迹到达切换面时，速度有限大，因为惯性的存在，其状态轨迹不断地穿越滑模面，产生抖振，影响了系统稳定性以及变结构控制的推广应用。

图3　优化控制方案

通过设置PID参数使0＜ξ＜1（欠阻尼系统），特征方程有一对共轭复根，式（12）解为：

抖振问题只能抑制，不能消除，本文采用PID趋近率设的计方案来保证滑动模态到达过程的动态品质，减弱系统抖振。

3.1PID趋近率设计

对式（10）求导得：

式（11）为二阶微分方程，其特征方程为：

s（0）为初始状态。由式（13）可看出，系统响应是按指数衰减振荡规律趋近滑模面。

3.2滑模变结构控制器设计

将式（14）化为：

【病因】病原为属于扁形动物单殖类的三代虫（Gyrodactylus sp.）。其主要寄生在体表的有眼侧。该虫后端吸盘中央的1对短且粗的锚钩，长度35～40μm。

式（15）中，Ad、Bd为矩阵系数，Fd为扰动量。

系统的切换函数设计为：

运动点按PID趋近率到达滑模面，根据式（10）、式（16）可得到滑模变结构控制器参数为：

由式（17）得到：

式（18）中ukd为系统进入切换面的等效控制量。D轴按电网电压定向，即ed=Em，eq=0，ukd为：

同理得到其Q轴电压矢量uq。

4　仿真实验

为验证变结构优化控制对于VSR负载功率变化和抑制电网电压波动等外界扰动的能力，首先应用Matlab/Simulink软件进行仿真，然后以多功能新能源实验平台进行实验仿真。三相VSR的系统参数如表1所示。在VSR整流器运行时，突然加大负载功率，验证负载功率变化时，整流器动态性能的变化，验证本文提出方法的有效性。

表1　VSR参数

图4为负载变化时PI控制、前馈控制、变结构优化控制的直流电压、电网电压和输入电流的仿真波形。3种方法比较可知，前馈控制抗负载变化能力强，直流电压恢复快，但无法抑制电网谐波干扰，电流畸变率达。而将前馈控制和滑模变结构控制相结合的优化控制，不仅减小负载变化所带来的影响，还可抑制电网谐波的影响，电流畸变率低，动态响应速度更快。

图4　MATLAB仿真波形

图5展示负载变化时，3种控制方法的实验波形。为检验谐波对整流器的干扰，整流器输入电压含有一定量的谐波。当系统的负载发生变化时，PI控制效果最差，直流电压波动大，输入电流畸变高；带有前馈的PI控制直流母线电压波动相对较小，但输入电流波形畸变较高。采用PID趋紧率的优化控制，由于提高电流内环的响应速度，使直流母线电压波动与恢复时间进一步减小，并且采用滑模变结构控制可以抑制电网电压谐波对整流器性能干扰，其输出电流畸变率低。

图5　实验波形

5　结论

本文提出了结合PID趋近率的滑模变结构控制与负载电流前馈控策略，将优化控制方法与传统PI控制进行Matlab/Simulink仿真并应用新能源实验平台进行实验验证。将仿真、实验波形进行对比可知，负载电流前馈可以有效抑制负载变化以及电网电压波动对直流母线电压的影响；电流环采用基于PID趋近率的滑模变结构控制可有效抑制抖振问题，提高整流器的鲁棒性与动态性能。

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［5］Wu X H，Panda S K.Design of a Plug Inrepetitive Control Scheme for Eliminating Supply-Side Current Harmonics of Three-Phase PWM Boost Rectifier Sunder Generalized Supply Voltage Conditions［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010.25（7）：1800-1810.

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［10］唐勇奇，赵奎银，王超.基于滑模变结构控制的三相PWM整流器［J］.电力自动化设备，2006，26（5）：39-41.

郑宏（1965-），男，教授，博士，研究方向为大功率电力电子变换器、分布式发电与储能技术研究；

王哲禹（1989-），男，硕士生，研究方向为大功率电力电子变换器、光伏并网逆变器、PWM整流器；

黄俊（1990-），男，硕士生，有源滤波装置、分布式发电与储能技术研究；

张云（1990-），女，硕士生，无功补偿装置，开关电源研。

Design on Feed-Forward and Variable Structure Control for Three-Phase Voltage Source PWM Rectifier*

ZHENG Hong1，2*，WANG Zheyu2，HUANG Ju2，ZHANG Yun2
（1.Key Laboratory of Facility Agriculture Measurement and Control Technology and Equipment of Machinery Industry，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2.Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

To improve the function of traditional double closed-loop PI control strategy，in which insurance load disturbance and voltage fluctuation have a great influence on the DC bus voltage，as well as dynamic response problem. Load current feed forward strategy was proposed to weaken load disturbance.Current loop uses sliding mode control based on PID trending law strategy to satisfy the requirement of load current feed-forward and improve robusness. PID trending law can minimize the vibration of sliding mode control.Simulation with Matlab/Simulink and experiment result of new energy experimental platform shows proposed method can effectively eliminate the DC bus voltage fluctuation，which caused by load change and grid voltage fluctuation，fast dynamic response and robustness.

VSR；feed-forward control；sliding mode control；PID reaching law

TM46

A

1005-9490（2016）05-1275-05

项目来源：江苏高校优势学科建设工程项目（61074019）

2015-06-27修改日期：2015-12-14

EEACC:121010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.049