文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173903
中文引用格式： 王賢東，邵如平，李艷. 基于滑模變結(jié)構(gòu)與內(nèi)模控制相結(jié)合的VIENNA整流器控制策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：150-153.
英文引用格式： Wang Xiandong，Shao Ruping，Li Yan. Research on control strategy of VIENNA rectifier based on sliding mode variable structure and IMC[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(9)：150-153.
0 引言
伴隨著我國(guó)新能源汽車戰(zhàn)略的推廣以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，新能源汽車行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)代[1]。電動(dòng)汽車充電機(jī)的發(fā)展帶動(dòng)了新能源汽車的發(fā)展。VIENNA整流器是一種新型的功率因素校正電路拓?fù)?，它以其開(kāi)關(guān)應(yīng)力小、開(kāi)關(guān)數(shù)目少、不需要設(shè)置開(kāi)關(guān)死區(qū)補(bǔ)償控制、輸入低諧波高功率因素等特點(diǎn)，常被用來(lái)設(shè)計(jì)作為電動(dòng)汽車充電機(jī)的前級(jí)，以實(shí)現(xiàn)前級(jí)電路的整流以及有源功率因數(shù)校正。
系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性與系統(tǒng)控制策略緊密相關(guān)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)VIENNA整流器的控制策略進(jìn)行了大量的研究。其中，文獻(xiàn)[2]提出了將滯環(huán)控制策略應(yīng)用于VIENNA整流器，滯環(huán)控制策略能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所以該策略易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)它的魯棒性以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度都很好。但是采用滯環(huán)控制策略的電路往往有線路電流之間的耦合性強(qiáng)以及開(kāi)關(guān)頻率不固定等一些缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]首次提出了基于單周期控制的PWM整流器控制策略，文獻(xiàn)[4]將單周期控制策略應(yīng)用于VIENNA整流器。該控制策略有效改善了控制結(jié)構(gòu)并且有穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，而VIENNA整流器自身存在的中點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題并沒(méi)有能夠解決。PI控制是現(xiàn)前應(yīng)用最為廣泛的控制方法[5]，但是它對(duì)系統(tǒng)模型的精確度要求很高，參數(shù)整定較為復(fù)雜，魯棒性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往難以滿足設(shè)計(jì)要求。除此之外，無(wú)源性控制方法和直接功率控制方法也被用在了VIENNA整流器的控制器設(shè)計(jì)上，并且都不同程度地提高了整流器的性能，而同時(shí)它們也存在著參數(shù)整定的困難和直流電壓難以跟蹤等一些問(wèn)題。本文提出一種滑模變結(jié)構(gòu)和內(nèi)?？刂?/a>方法相結(jié)合的控制方式，并將此控制方式應(yīng)用在VIENNA整流器中。
本文將滑模變結(jié)構(gòu)控制(SMC)應(yīng)用于VIENNA整理器電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)，電流內(nèi)環(huán)則是采用內(nèi)?？刂?IMC)進(jìn)行設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略魯棒性強(qiáng)，不依賴負(fù)載參數(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，相比PI控制、滯環(huán)控制等控制策略有更強(qiáng)的優(yōu)越性。
1 三相VIENNA整流器基本原理
VIENNA整流器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。
為了方便研究其控制策略，現(xiàn)在對(duì)其作出假定：所有開(kāi)關(guān)器件均為理想器件，電路開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)側(cè)基波頻率，三相輸入電源工作在理想狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]，則電路拓?fù)湓赿q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：
2 電流內(nèi)環(huán)內(nèi)?？刂撇呗?/strong>
2.1 內(nèi)模控制原理
內(nèi)模控制（IMC）的設(shè)計(jì)依據(jù)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，作為一種新型的控制策略具有控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便和控制性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，IMC的基本原理如圖2、圖3所示。
圖2中，系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分別為R(s)和Y(s)；GIMC(s)和G(s)分別為系統(tǒng)內(nèi)?？刂破骱拖到y(tǒng)控制對(duì)象；
是被控對(duì)象的內(nèi)模；D(s)和d(s)分別為系統(tǒng)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)誤差負(fù)反饋。
圖3為等效的控制圖，其中：
2.2 三相VIENNA整流器電流內(nèi)模控制
根據(jù)式(1)，令：
3 電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì)
3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)關(guān)鍵
滑模變結(jié)構(gòu)控制作為一種非線性控制已經(jīng)逐步在電力電子控制領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)滑?？刂破鞯年P(guān)鍵首先在于保證其滑動(dòng)模態(tài)的存在，在此基礎(chǔ)上使滑模運(yùn)動(dòng)能夠趨于穩(wěn)定并且最終滿足系統(tǒng)的品質(zhì)要求。
3.2 基于滑模變結(jié)構(gòu)的VIENNA整流器電壓外環(huán)設(shè)計(jì)
VIENNA整流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證基于滑模變結(jié)構(gòu)的VIENNA整流器的內(nèi)?？刂撇呗缘目煽啃院蛢?yōu)越性，用MATLAB/Simulink按圖4搭建了模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真模型的參數(shù)分別為：網(wǎng)側(cè)輸入相電壓的有效值為110 V，頻率是50 Hz；直流輸出電壓設(shè)定值為
=300 V；網(wǎng)側(cè)電感值為2 mH；直流輸出側(cè)的電容值為2 200 μF；開(kāi)關(guān)頻率12 kHz。
圖5是系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)的直流輸出電壓響應(yīng)波形。由此可見(jiàn)，輸出電壓在0.03 s左右的時(shí)候就達(dá)到穩(wěn)定，響應(yīng)速度和超調(diào)都較為理想，這就表明滑?？刂撇呗缘淖饔檬菑?qiáng)迫使系統(tǒng)運(yùn)行軌跡在滑模面上運(yùn)動(dòng)并最終使系統(tǒng)快速趨向穩(wěn)定。圖6為系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的網(wǎng)側(cè)電壓/電流波形，由圖可見(jiàn)電壓、電流為同相位且是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。
圖7為直流給定電壓在0.35 s時(shí)增加100 V并在0.12 s時(shí)跌落100 V的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖。結(jié)合圖7和圖8可知，直流輸出電壓在0.35 s后只用了極短的時(shí)間就穩(wěn)定在400 V，輸出電壓能精確跟蹤電壓給定值。給定電壓突增或者突減時(shí)，輸入電流也相應(yīng)地突增或者突減并能保持標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，電壓電流能始終保持同相，系統(tǒng)功率因數(shù)為1。
搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)一步驗(yàn)證所提理論的可行性。樣機(jī)參數(shù)與仿真參數(shù)相同，樣機(jī)采用TMS320F28033作為主控芯片來(lái)完成電壓、電流的采樣控制以及系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)分配和電路的監(jiān)控與保護(hù)。選用STM公司的型號(hào)為STW48NM60N大功率MOS管和GBJ25120整流橋組成雙向開(kāi)關(guān)。
從圖9的直流電壓輸出波形可以看到直流輸出電壓跟隨性好、紋波小且電壓值穩(wěn)定；由網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形可見(jiàn)輸入電流可以較好地跟隨輸入電壓且為正弦波，諧波成分較少，電流、電壓接近同相位，從而實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的單位功率因數(shù)控制。
5 結(jié)論
本文介紹了一種新的非線性控制策略并將其應(yīng)用于VIENNA整流器，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分別采用滑模控制和內(nèi)?？刂频目刂品绞?。在此控制策略下進(jìn)行了MATLAB/Simulink建模仿真以及搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明在這種控制策略下VIENNA整流器的輸出電壓響應(yīng)速度快、超調(diào)量小。當(dāng)給定電壓發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓還能較好跟蹤給定電壓且變化值小，說(shuō)明該控制策略動(dòng)態(tài)性能良好且抗干擾能力強(qiáng)。輸入電壓和電流始終保持在同相位，且系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果則更好地驗(yàn)證了該控制策略的可行性。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳衍泰，張露嘉，汪沁，等.基于二階段的新能源汽車產(chǎn)業(yè)支持政策評(píng)價(jià)[J].科研管理，2013(s1)：167-174.
[2] 黃駿.高性能VIENNA整流器的研制[D].西安：西安理工大學(xué)，2013.
[3] QIAO C，SMEDLEY K M.A general three-phase PFC controller for rectifiers with a series-connected dual-boost topology[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38(1)：137-148.
[4] 馮鑫振，高捷.單周期控制三相VIENNA整流器[J].通信電源技術(shù)，2012，29(3)：1-3.
[5] 劉秀翀，張化光，褚恩輝，等.三相電壓型PWM整流器功率控制方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(1)：47-51.
[6] KOLAR J W，ZACH F C.A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules[J].Intelec,1994，44(4)：456-467.
[7] HADJ-YOUSSEF N B，AL-HADDAD K，KANAAN H Y，et al.Small-signal perturbation technique used for DSP-based identification of a three-phase three-level boost-type Vienna rectifier[J].IET Electric Power Applications，2007，1(2)：199-208.
[8] YOUSSEF N B H，AL-HADDAD K，KANAAN H Y.Large-signal modeling and steady-state analysis of a 1.5 kW three-phase/switch/level(Vienna) rectifier with experimental validation[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008， 55(3)：1213-1224.
[9] 帥定新，謝運(yùn)祥，王曉剛.三相PWM整流器混合非線性控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(12)：30-35.
作者信息：
王賢東，邵如平，李 艷
(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)