《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于優(yōu)化前饋控制的VIENNA整流器動態(tài)性能研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
董飛駒，邵如平，王 達
南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816
摘要： 在傳統(tǒng)平均電流控制電壓環(huán)路基礎(chǔ)上，提出了一種基于前饋控制的平均電流控制方案，電壓環(huán)加入負(fù)載前饋控制和電網(wǎng)電壓前饋控制，減小直流側(cè)電壓超調(diào)量；電流環(huán)采用誤差迭代PI算法，實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，優(yōu)化三相VIENNA整流器的動態(tài)響應(yīng)。所提出的負(fù)載前饋變量僅在負(fù)載階躍時更新，在穩(wěn)態(tài)時保持恒定。另外，本文對頻域響應(yīng)特性進行分析并通過仿真加以驗證。
中圖分類號： TN86
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173373
中文引用格式： 董飛駒，邵如平，王達. 基于優(yōu)化前饋控制的VIENNA整流器動態(tài)性能研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(6)：142-145.
英文引用格式： Dong Feiju，Shao Ruping，Wang Da. Research on VIENNA rectifier based on optimized feedforward control[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(6)：142-145.
Research on VIENNA rectifier based on optimized feedforward control
Dong Feiju，Shao Ruping，Wang Da
College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China
Abstract： Based on the traditional average current control voltage loop, this paper proposed an optimized feedforward control scheme. The voltage control loop introduced the load feedforward control and the grid voltage feedforward control to reduce the voltage overshoot in DC side. The current control loop designed as a proportional controller using error iteration algorithm, which realize floating control and optimize the dynamic response of three-phase VIENNA rectifier. The proposed load feedforward terms updated when the load step and remains constant at steady state. In addition, this paper analyzed the frequency response characteristics and validates them by simulation.
Key words : VIENNA rectifier；average current control；load feedforward；error iteration PI

0 引言

    隨著半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，高性能的整流拓?fù)湟矐?yīng)運而生，VIENNA整流器由于其高效的三級結(jié)構(gòu)而被提出，并廣泛應(yīng)用于電動汽車、航空航天等要求功率因數(shù)較高且線路電流諧波失真較低的場合。

    傳統(tǒng)平均電流控制穩(wěn)定性好，電壓外環(huán)用于調(diào)節(jié)輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)按電壓外環(huán)輸出的電流指令控制狀態(tài)空間平均電感電流，使電流快速跟蹤電壓相位[1]。這種控制方案雖然可以獲得單位功率運行且總諧波失真較低，但是PI環(huán)節(jié)控制器運算量大，導(dǎo)致輸出電壓動態(tài)響應(yīng)較差。當(dāng)負(fù)載突增時，會導(dǎo)致輸出電壓偏移，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。

    目前，優(yōu)化VIENNA整流器平均電流控制的動態(tài)性能的方法主要有以下幾種。文獻[2]提出一種新型的電流前饋平均電流控制模式，推導(dǎo)低通濾波器的增益來加快電壓環(huán)響應(yīng)，但網(wǎng)側(cè)電壓不穩(wěn)定時，濾波器的設(shè)置比較困難；文獻[3]采用直接功率控制提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但是計算較為復(fù)雜；文獻[4]提出了基于擾動觀測器的前饋控制，在負(fù)載波動或是網(wǎng)側(cè)電壓波動時表現(xiàn)出良好的動態(tài)性能。

    本文在傳統(tǒng)平均電流控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制策略，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。提出的前饋控制計算中需要對負(fù)載電流采樣，繼而求出前饋變量值。同時，采用誤差迭代PI算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI算法，以實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)無靜差調(diào)節(jié)。

1 傳統(tǒng)平均電流模式控制

    圖1為三相VIENNA整流器等效模型，功率器件僅承受一半輸出電壓，為高壓輸出提供了可能。傳統(tǒng)的平均電流控制框圖如圖2所示。圖中，輸出電壓u0與參考值dy2-1-x1.gif共同調(diào)節(jié)，經(jīng)過PI控制器，輸出一個隨輸出功率變化的項um，當(dāng)負(fù)載變化時，um值也相應(yīng)改變，以平衡輸入輸出功率。

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dy2-t2.gif

    從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于um的變化率。um變化率降低會導(dǎo)致負(fù)載階躍時系統(tǒng)從失衡狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間較長。

2 基于前饋控制的平均電流控制

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    圖中，Zeq(s)為等效輸出阻抗，Gev(s)為PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，GDSP(s)為延時模塊，表達式如下：

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2.1 前饋項的求解

    假設(shè)VIENNA整流器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)下，且忽略交流側(cè)電感及整流橋自身損耗。

    網(wǎng)側(cè)電流表達式如式(4)所示：

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2.2 誤差迭代PI算法

    為了克服傳統(tǒng)PI控制器跟蹤電流參考指令存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷，電流內(nèi)環(huán)控制采用誤差迭代PI控制算法，保證輸出電流對參考電流的跟蹤誤差趨于0，以消除靜態(tài)誤差。

    為了推導(dǎo)方便，直接摘錄文獻[9]中的簡化算法：

    dy2-gs12.gif

式中，ir(τ)為τ時刻的輸出電流， e(τ)為τ時刻的誤差采樣值。繼而，可求得誤差迭代PI算法中輸出到誤差采樣的傳遞函數(shù)：

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    由式(15)可見，閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅值為1，相位移等于0，可以保證系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。

2.3 前饋控制策略

    將前饋控制引入三相VIENNA整流器，以衰減因負(fù)載階躍導(dǎo)致的電壓u0過沖，控制方案如圖4所示。

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    在不同的擾動情況下，前饋變量值uff[n]可以預(yù)測um的值，減小u0的偏移。當(dāng)發(fā)生第n次負(fù)載階躍時，uff[n]可由式(16)預(yù)測：

    dy2-gs16.gif

    然而，當(dāng)um0添加到uff[n]后將會導(dǎo)致um預(yù)測出現(xiàn)偏差。為此，在檢測到負(fù)載階躍時需要清空um0的值，所以在脈沖信號之前需要添加一個檢測模塊。

2.4 負(fù)載階躍檢測

    本文通過數(shù)字算法實現(xiàn)負(fù)載階躍檢測過程，如圖5所示。

dy2-t5.gif

    該數(shù)字算法流程圖相當(dāng)于一個滯環(huán)比較器，為了防止預(yù)測出現(xiàn)偏差，需要保證系統(tǒng)只在負(fù)載階躍的時刻進行檢測。當(dāng)I0[n]與I0[n-1]之間偏差超過Is時，便設(shè)置階躍信號，同時輸出I0[n]。另外，利用計數(shù)器作為檢測算法中的計時器，開關(guān)頻率為250 kHz，間隔頻率為100倍的開關(guān)頻率。

3 仿真分析

    為了驗證所提出的的前饋控制方案的可行性，本文在Saber環(huán)境下搭建了基于前饋控制的VIENNA整流器仿真模型。配置系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)交流輸入電壓220 V/50 Hz；輸出電壓360 V；開關(guān)管的開關(guān)頻率250 kHz；濾波電感90 μH；輸入電容225 μF。

    圖6為有前饋和無前饋作用下母線電壓的瞬時響應(yīng)波形圖。20 ms時加入電網(wǎng)波動，0.12 s時加入負(fù)載突變?？梢姡尤肭梆伩刂葡到y(tǒng)使得系統(tǒng)的動態(tài)性能顯著提高。

dy2-t6.gif

4 實驗驗證

    根據(jù)上述控制策略及分析結(jié)果搭建了一臺基于TMS320F2808數(shù)字處理器的三相VIENNA整流器實驗樣機。

    圖7為無前饋控制下，電網(wǎng)電壓從100%→60%→100%，繼而輸出側(cè)功率從2 kW→3 kW情況下輸出測的響應(yīng)波形。圖8為加入前饋控制情況下響應(yīng)波形。

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    從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的控制方式相比，帶有前饋補償控制策略的系統(tǒng)能在電網(wǎng)波動或負(fù)載階躍時及時響應(yīng)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

5 結(jié)論

    本文在傳統(tǒng)平均電流控制電壓環(huán)的基礎(chǔ)上加入前饋補償環(huán)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)采用誤差迭代PI控制。設(shè)計負(fù)載檢測環(huán)節(jié)來保證只檢測負(fù)載階躍時刻。穩(wěn)態(tài)和負(fù)載輕微波動的情況下，不會觸發(fā)負(fù)載前饋計算。由于計算過程僅發(fā)生在暫態(tài)，所以這種控制策略不會增加計算復(fù)雜度。仿真和實驗驗證了加入前饋控制可改善系統(tǒng)動態(tài)性能。

參考文獻

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作者信息：

董飛駒，邵如平，王  達

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816)

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