PWM整流器系统双向运行前馈解耦控制

国网吉林省电力有限公司集安市供电公司 李轩宇

由于传统前馈解耦控制方法电压外环模型复杂，导致解耦控制时间较长，研究PWM整流器系统双向运行前馈解耦控制的新方法。利用分量输入电压解耦dp坐标系，采用合并小时间常数和转换PI调节器的形式，实现电流内环的设计，通过简化直流侧电流的原始算法得到新的算法，构建电压外环解耦控制模型。经过实验发现，单相PWM整流器中的本文方法的解耦控制时间平均为0.298s，传统方法平均为0.899s，在三相PWM整流器中本文方法的解耦控制时间平均为0.424s，传统方法平均为1.04s，本文设计的PWM整流器系统双向运行前馈解耦控制方法更快。

PWM整流器系统成为了传统电源系统的替代产品，在太阳能发电等众多电力领域都有着广泛的应用。由于系统在运行的过程中需要输入指令来操控某一部分进行活动，但这种指令的输入不是一次性的，在活动的过程中，还需要向受控的部位利用捷径的方式传递前馈信号，受控部位在接收原始指令的同时也需要接收前馈信号，可以保证活动的准确执行。前馈信号的传递由于不是单一输入得到单一输出的，因此多个信号同时输入就会出现耦合的情况，会使得信号的传输发生紊乱，受控部位会接收不正确的信号。因此如何解除前馈信号传递过程中出现的耦合现象就变得十分的重要。

1 双向运行前馈解耦控制方法

1.1 分量前馈解耦旋转坐标系

PWM整流器dq坐标系中的轴变量是相互耦合的，因此需要对该数学模型进行解耦。控制系统的指令电压是交流输入电压在坐标轴上的分量，有功与无功电流相互耦合，采用电流解耦的方式实现控制。在dq坐标系中，交流的侧电压的表达式如下列公式(1)所示。

在公式(1)中，ud代表d坐标轴中的侧电压，ld代表分量电压，Vad表示有功电流的转速，ad表示有功电流，s为时间，C为长度，α为有功电流的长度系数。在q坐标中字母代表的意思与d坐标中字母代表的意思相同。将指令电压在两个坐标轴中进行分量，可以得到下列公式(2)。

通过调节的方式，根据电流的实际值和给出的原始值可以得到下列公式(3)。

在公式(3)中，Qj为电流的实际值，Qz为给定值，i为电流经过的路程，为d轴上的交流侧指令电压。lq0为q轴上的交流侧指令电压。将上述公式(3)代入公式(2)中，再将公式(2)代入公式(1)中，就能得到模型。在该坐标中，将电网电压的初始值设定为d轴的初始值，交流侧电流的初始量与电网电压的初始值呈相关关系，因此，只有d轴需要进行分量，q轴的分量则为0。

1.2 设计电流内环

设系统采样的时间为T，电流无法进行实时采样，电流采样一般都具有滞后性，因此，整流器就成为了一个小的惯性环节。交流侧就会成为一个积分环节。将指令电压输入电流内环，得到滞后的电流采样，通过整流桥等效增益得到整流器的小惯性环节，将d轴中的侧电压和分量电压分别输入电流内环，得到有功电流。将整个电流控制环结构中的小时间常数进行合并，再将PI调节器转换到零极点这种形式，则可以使整个流程不经过滞后的电流采样环节，而是基于合并后的小时间常数和PI调节器的零极点形式直接在输入侧电压和分量电压后，得到有功电流，当忽略电网电压的干扰时，为了增加系统的抗干扰能力，将电流内环采用Ⅱ型系统，将中宽频设置为5，提高电流的响应速度。

1.3 构建电压外环解耦控制模型

PI调节器的输出会被认定为指令电流，电压外环的电压可以用下列公式(4)来表示。

而当单位功率呈现出因数状态的时候，电网的电压将会与交流侧电流一致，即为公式(5)所示。

每个交流侧电流与开关函数相乘之后，再全部相加起来，便得到了直流侧电流，只考虑该函数的低频分量，此时这个函数可以用下列公式(6)来表示。

在公式(6)中δ为初始相位角，x为调制比，调制比最大不能超过1。将公式(5)和公式(6)代入直流侧电流的运算公式中，会简化直流侧电流的原始公式，得到一个新的简便公式，如下列公式(7)所示。

因为电压的采样同电流一样都具有滞后性，所以，电压采样环节同样可以看成是一个惯性环节，且此惯性环节的滞后时间为3倍。输入原始电压，通过采样环节，经历3倍的采样时间，利用公式(7)通过加入侧电流和分量电流最终得到有功电压。依旧和电流内环一样将调节器转换为零极点模式，合并小时间常数。调整后的整个流程不经过滞后的电压采样环节，而是基于合并后的小时间常数和PI调节器的零极点形式直接在输入侧电流和分量电流后，得到有功电压。为了增加系统的抗干扰能力，将电压外环采用Ⅱ型系统，将中宽频设置为5。根据上述算法设计PI调节器，确定基本参数，在实际系统中还需要对调节器进行参数的微调，以提高控制准确性。

2 实验分析

为验证本文研究的PWM整流器系统双向运行前馈解耦控制方法的解耦控制时间，选择单相三相两种整流器分别进行实验测试，选取本文设计的解耦控制方法为实验组，传统解耦控制系统为对照组，对两种方法解耦控制的时间进行实验。第一组在单相PWM整流器中进行系统双向运行前馈解耦控制实验。为防止出现偶然性及其他因素的影响，提高实验结果的说服力和可靠程度，故进行10次实验，10次实验输入的指令逐渐复杂。表1为两种方法解耦控制时间。

表1 单相PWM整流器解耦控制时间(s)

根据表1的实验数据可以看出，实验组比对照组的解耦控制时间更快。第二组在三相PWM整流器中进行系统双向运行前馈解耦控制实验。表2为两种方法解耦控制时间。

表2 三相PWM整流器解耦控制时间(s)

根据表2的实验数据可以看出，实验组比对照组的解耦控制时间更快。通过以上两组实验数据可以得出，本文所用的前馈解耦控制方法所需要的时间都小于传统前馈解耦控制方法。

结束语：本文给出新的PWM整流器系统双向运行前馈解耦控制方法，该方法在理论上比传统方法解耦控制的速度更快，解耦控制效果更好。但本文仅从解耦时间上进行对比实验，实验以单相PWM整流器和三相PWM整流器为对象，对比传统解耦控制方法和本文解耦控制方法在控制时间上的差异，得到本文的解耦控制方法比传统解耦控制方法用时更短的结论。