设计应用

三相Vienna整流器的QPR滑模控制策略研究

0 引言

    三相三线制Vienna整流器与传统三电平PWM整流器相比,具有开关数量少、成本低,无需设置驱动死区时间、控制系统设计相对简单,网侧电流谐波含量低、正弦度高以及单位功率因数运行等优点,被广泛应用到航空电源、车载与船舶电源等工业场所,在中压高功率及对功率密度和成本有严格要求的工业场合具有良好应用前景[1-3]。随着Vienna整流器被国内外学者所关注,对其控制策略研究也逐步深入,主要研究有比例谐振控制、PI控制、单周期控制、滑模控制、无源控制、滞环控制等控制算法[1-5]。在实际应用中,Vienna整流器常采用双PI控制,该控制算法易于实现,但增加了参数整定和控制系统设计难度,且系统响应速度慢,稳定精度差[6-7],难以达到理想控制效果。文献[1]、[4]、[5]提出了几种复合控制策略,存在滑模面介绍过少、谐波分量过大、参数整定要求过高等问题。为提高控制系统动态和稳态性能,减少交流侧电流谐波分量,对Vienna整流器控制策略研究变得越来越重要。

    近些年已有大量文献成功将滑模变结构控制应用到整流器电压外环控制中[1,4,5],并取得了良好效果;PR控制器在基波处增益大,能有效减少交流电流谐波分量,有不少文献成功将其应用到整流器电流内环控制中[7-8],效果十分显著。本文提出一种Vienna整流器的复合控制算法,电压外环采用滑模变结构控制,电流内环采用QPR控制,改善系统稳态、动态性能,减少电流谐波分量[8]。最后通过仿真与实验来验证QPR滑模复合控制策略在动态响应、稳态特性以及减少交流谐波分量等方面的优点。

1 Vienna整流器数学模型

    三相Vienna整流器拓扑结构如图1所示。ua、ub、uc为输入电压,ia、ib、ic为输入电流;La、Lb、Lc为滤波电感,大小为L;Ra、Rb、Rc为滤波电感等效电阻,大小为R;ip、in分别为直流侧正负向电流;idc为直流负载电流,RL为直流负载;Cp、Cn分别为直流侧上下电容,大小为C。

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    两相静止坐标系下Vienna整流器数学模型为[4]

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2 QPR滑模复合控制策略

    Vienna整流器控制目标主要为:整流器单位功率因数运行,交流电流正弦度好;直流输出电压保持稳定,且具有较好动态性能;上下电容电压差为零。图2为三相Vienna整流器QPR滑模控制策略控制框图。

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2.1 电压外环滑模控制

    滑模控制具有响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、容易实现、对精度要求低等优点,并能快速在预先设计的滑模面上切换控制状态,被广泛用于电力电子设备中[4]。电压外环采用滑模控制算法,可以保证直流电压快速性、准确性和鲁棒性,选取udc和iq作为输出变量,滑模面为:

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    滑模控制器原理框图如图3所示,β0取值为0.003,us为交流电压有效值,C0为上下电容之和。

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    滑模控制器抖振消除是一个重要环节,目前常用趋近律法[3-5]。抖振产生原因是系统状态点到滑模面速度不为零,不能停在预先设计滑模面上。减弱抖振必须降低状态点到达滑模面速度,同时为不增加到达滑模面用时,系统状态点向滑模面运动时速度不宜过小,理想条件是初始速度较大,到达滑模面速度为零。

2.2 电流内环QPR控制

    本文在两相静止坐标系下采用QPR控制,能有效减小电流谐波分量,增加系统带宽。在两相静止坐标系下采用QPR控制器,无需Park变换,简化计算,节省存储空间。PR控制器传递函数为[3]

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    其中ωc<<ω0,增大ωc可以降低频率变化对PR控制器影响。QPR控制器性能由KP、KR和ωc三个参数来决定。其中ωc主要影响控制器带宽,KP主要影响控制器增益。ωc和KP对频幅特曲线的影响如图4所示。

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3 仿真与实验

3.1 仿真分析

    为验证文中所提QPR滑模控制策略优越性和有效性,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,其参数如表1所示。

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    图5为系统启动和负载扰动时直流侧输出电压和输入电流仿真波形图。由图可知,直流侧电压和输入电流到达稳定值所需时间小于一个电网工频周期,电压超调值和稳定后纹波均很小,且直流侧上下电容电压近乎相等;通过动态仿真结果证明滑模控制方法可以提高系统响应速度,使系统快速到达稳定状态。

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3.2 实验分析

    根据上述仿真模型搭建基于TMS320F2812DSP为核心控制器的实验样机,具体参数与表1相同。

    图6为a相电压和电流稳态波形图。由图可知,整流系统近似工作于单位功率因数状态,且网侧电流正弦化好。

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    图7为三相电流谐波分析图。由图可知,电流谐波含量为3.4%,低于5%。在基波频率处增益较大,能实现该频率下(设定为输入侧50 Hz)零稳态误差跟踪,消除网侧电流与电压之间相位延迟,降低整流器在稳定工作时误差干扰,提高系统稳态性能。

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    图8为系统启动时a相电流及直流电压动态实验波形图。由图可知,系统启动时动态性能较好,直流电压到达稳定耗时大约0.017 s。

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    图9为负载由70%到满载运行(100%)时的电压电流波形图。由图可知,输出电压约下降8 V,很快到达稳定状态,仅耗时0.004 s。

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    由以上分析可知,QPR滑模控制在单位功率运行、降低电流谐波分量、动态响应速度以及抗干扰能力等方面性能优良,验证了QPR滑模复合控制策略在改善Vienna整流器系统性能方面的突出效果。

4 结论

    本文基于三相Vienna整流器提出电压外环滑模控制和电流内环QPR相结合的复合控制策略,推导了复合控制器设计过程。最后,仿真和实验结果表明:QPR滑模控制策略在降低网侧电流谐波同时电流正弦度高;在系统启动和负载扰动时,该复合控制策略能提高控制系统抗干扰能性和响应速度,使系统具有较好动态性能和鲁棒性能。因此,本文所提出QPR滑模复合控制策略具有广泛工程应用价值。

参考文献

[1] 马辉,谢运祥.基于滑模变结构的Vienna整流器新型双闭环控制策略研究[J].电工技术学报,2015,30(12):143-151.

[2] KOLAR J W,DROFENIK U.Current handling capability of the neutral point of a three-phase/switch/level boost-type PWM(VIENNA) rectifier[C].PESC Recovd.27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,1996:1329-1336.

[3] 赵新,金新民,唐芬,等.基于改进型比例谐振调节器的并网逆变器控制[J].电工技术学报,2014(S1):266-272.

[4] 马辉,谢运祥,施泽宇,等.Vienna整流器滑模直接功率及中点电位平衡控制策略[J].电机与控制学报,2016,20(8):10-16.

[5] Ma Hui,Xie Yunxiang,Sun Biaoguang,et al.Modeling and direct power control method of Vienna rectifiers using the sliding mode control approach[J].Journal of Power Electronics,2015,15(1):190-201.

[6] 杭丽君,李宾,黄龙,等.一种可再生能源并网逆变器的多谐振PR电流控制技术[J].中国电机工程学报,2012,32(12):51-58.

[7] 杨秋霞,梁雄国,郭小强,等.准谐振控制器在有源电力滤波器中的应用[J].电工技术学报,2009,24(7):171-176.

[8] SILVA J F.Sliding-mode control of boost-type unity-poewr-factor PWM rectifiers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(3):594-603.



作者信息:

马  辉1,鄢圣阳1,王书征2,危  伟1

(1.湖北省微电网工程技术研究中心,湖北 宜昌443002;2.江苏省配电网技术与装备协同创新中心,江苏 南京211167)

VIENNA整流器 滑模控制 准比例谐振控制 PI控制