单相PWM整流器前馈解耦控制策略研究

余发山，刘根锋，张宏伟，耿　冲

(河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000)

单相PWM整流器前馈解耦控制策略研究

余发山，刘根锋，张宏伟，耿冲

(河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000)

考虑到单相电压型PWM整流器只有一相的特殊性,提出了一种基于旋转坐标变换的前馈解耦控制策略，通过构建正交虚拟电流完成网侧电流的单相旋转坐标变换和采用前馈解耦控制，实现网侧电流的矢量控制和稳定直流母线电压。在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型和基于RT-LAB的半实物仿真实验平台，结果表明该控制策略能够满足系统要求，验证了所提出的控制策略的正确性和有效性。

单相PWM整流器；前馈解耦控制；单相坐标旋转；单位功率因数

随着电力电子器件性能的不断提高，脉宽调制(PWM)整流器因具有谐波含量低、可实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数还具有能量双向流动等优势，在越来越多的场合获得了广泛的应用[1-2]。其中，在某些特定场合单相PWM整流器用的还是比较多，因而其控制策略也成为研究的热点。目前单相电压型PWM整流器主流的控制方法是基于PI、P调节器的双环控制[3]，但无法实现电流的无静差控制；比例谐振控制[4-5]不便实现有功、无功功率非独立控制；基于旋转坐标单相PWM整流器控制[6]输入量之间相互耦合等控制策略存在一些不足。

本文采用的是基于坐标变换[7]的前馈解耦控制策略，实现单相PWM整流器有功、无功功率独立控制、网侧单位功率因数运行及稳定直流母线侧电压。在MATLAB中进行建模仿真和RT-LAB的半实物实验，结果表明此系统能够达到控制要求，验证了此控制策略的正确性和有效性。

1　单相PWM整流器的数学模型

单相PWM整流器的拓扑结构如图1所示。

其中us、is、d为交流侧电网电压、电流和占空比，Ls为交流侧电感，起能量传递、抑制网侧高频谐波以及平衡电网电压与直流输出电压的作用；Rs为交流侧等效电阻，一般比较小；udc为直流侧电压；V1～V4为全控型功率开关管；VD1～VD4为依次并联在V1～V4上的续流二极管，以缓冲PWM过程中无功能量；电容C为直流滤波电容，为高次谐波电流提供低阻抗通路以及减少直流电压纹波。通过功率开关管的控制，电路可以工作在整流状态或逆变状态。

由图1可知，运用电路原理可得单相电压型PWM整流器拓扑结构的占空比数学模型为：

设单相PWM整流器交流侧电压和电流分别为：

任意单相正弦向量x(t)分解后可得：

将Xd和Xq视作为d-q旋转坐标系中的直流量，由于单相PWM整流器系统只有一个自由度，无法直接进行坐标变化，为此可以虚拟一个与单相系统交流量正交的交流量iv来满足坐标变化的两个自由度条件，从而可以构成虚拟的两相静止坐标系，然后可以用旋转坐标变化将输入电流转化为旋转坐标系下的直流量[8]。虚拟交流电流量可通过将实际的交流电流量延迟π/2然后乘以－1得到：

(2)式和(6)式可表示成(5)式的形式：

将(9)式带入(1)式可得到单相电压型PWM整流器在旋转坐标系下的数学模型：

2　单相PWM整流器前馈解耦控制策略

从式(10)式可以看出，id、iq相互耦合，不能实现独立控制，可以借鉴三相型PWM整流器中常用的前馈解耦控制方式，将其引入到单相电压型PWM整流器的控制中，其控制数学模型为：

将式(11)带入式(12)可得：

式(12)中：id、iq完全解耦，能够实现独立控制，其中id*为有功电流指令值，由电压外环给出；iq*为无功电流指令值，设其为零即可实现单相电压型PWM整流器网侧运行于单位功率因数。其系统控制框图如下图2所示。

图2　旋转坐标变换的前馈解耦控制框图

3　仿真和实验验证

3.1仿真分析

本文搭建了MATLAB/Simulink仿真模型，仿真参数为：网侧电压为交流us=220 V，频率为50 Hz；交流侧电感为Ls= 5 mH，交流侧等效电阻为Rs=0.1 Ω；直流侧电容为C=3 mF；直流母线电压的直流值为Udc*=400 V，负载电阻为R=178 Ω；PWM整流器的输出功率为900 W，仿真时间是0.5 s。

图3　单相PWM整流波形

图4　单相PWM逆变波形

图3是单相PWM整流器整流状态的网侧电压电流is和直流母线侧电压us波形。由图可以看出直流母线电压udc在0.25 s左右时系统进入稳态，直流母线侧电压稳定在400 V左右，并且网侧电压电流能够实现同相位运行且波形接近正弦波。图4所示是单相PWM整流器逆变状态的网侧电流电压波形。从图中可以看出网侧电压电流能够实现反相位运行且波形接近正弦波。这说明了此前馈解耦控制算法能够使单相PWM整流器运行在近单位功率因数，达到了控制要求且波形很好。

3.2实验结果分析

为了进一步验证所提出控制策略的正确性，搭建了基于RT-LAB的半实物仿真实验平台。RT-LAB是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套工业级的分布式实时系统平台，可以在这个平台上实时仿真，快速控制原型与硬件进行回路测试，实现工程项目的设计。

实验电路参数：交流电压有效值220 V，频率50 Hz，交流侧电感5 mH，直流侧电容为3 000 μF，直流母线电压指令400 V,负载178 Ω；主电路采用IXFH28N60P3 MOSFET管，驱动模块采用IR2110，电流检测用传感器HBA10-SP，电压检测用HV25-P。

图5是整流时直流母线侧的电压udc波形，直流母线侧电压能稳定在400 V。图6所示是在整流时交流侧电压us电流is波形，图中显示的波形接近正弦波，且电压电流同相位，图7是逆变时交流侧电压us电流is波形，波形接近正弦波，且电压电流同反相位。说明此控制策略能达到控制要求，使网侧电流正弦化和输出稳定在400 V。

图5　直流母线udc波形

图6　整流us与is波形

图7　逆变us与is波形

4　结束语

本文分析了单相PWM整流器的工作原理，针对其特殊性，提出了一种基于单相坐标旋转及其输入电流前馈解耦的控制策略，并在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型和基于RT-LAB的半实物实时实验平台。仿真和实验结果显示，系统能够运行在单位功率因数和维持直流侧电压的稳定，验证了所提出的控制策略的正确性和有效性。

[1]张兴.PWM整流器及其控制策略的研究[D].安徽：合肥工业大学，2003.

[2]YU F S,LIU G F,ZHANG H W.The design of monitoring system for Li-ion battery formation equipment[J].Advanced Materials Research,2014,953/954:780-785.

[3]杨会敏，宋建成.基于双环控制的单相电压型PWM逆变器建模与仿真[J].电气传动自动化，2009,31(2):15-18.

[4]高吉磊，林飞，郑琼林.基于网压预测的单相PWM整流器比例谐振控制[J].电工技术学报，2011,26(5)：45-50.

[5]朱荣伍，伍小杰，杨艳，等.采用比例谐振调节器的单相电压型PWM整流[J].高电压技术,2010,36(8):2095-2100.

[6]肖汉，曾岳南，唐雄民.基于旋转坐标变换的单相电压型PWM整流器系统仿真[J].通信电源技术，2009,26(5):43-46.

[7]吴昇，王清灵，郭玉堂.基于可逆PWM整流器的蓄电池充放电装置[J].电源技术，2010,34(10):1062-1064.

[8]孙毅超，赵剑锋，季振东，等.一种基于虚拟电路闭环的单相PWM整流器控制新方法[J].电工技术学报，2013,28(12):222-229.

Research on feed-forward decouple control strategy for single-phase PWM rectifier

YU Fa-shan,LIU Gen-feng,ZHANG Hong-wei,GENG Chong
(School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo Henan 454000,China)

Due to the only one phase of the single-phase voltage source PWM rectifier,a feed-forward decouple control strategy based on rotating coordinates transform was proposed,by constructing virtual current to complete single phase rotating orthogonal coordinate transformation of net side current.Finally,the MATLAB/Simulink simulation model and simulation experiment platform based on RT-LAB were built up.The results show that the control strategy can satisfy the system requirements,which verifies the correctness and validity of the proposed control strategy.

single-phase PWM rectifier;feed-forward decoupling control;single-phase coordinate rotation;unit power factor

TM 461

A

1002-087 X(2016)10-2068-03

2016-03-01

余发山(1952—)，男(土家族)，湖北省人，教授，博士生导师，主要研究方向为过程控制、电力电子传动等。