文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181407
中文引用格式: 馬輝,鄢圣陽,王書征,等. 三相Vienna整流器的QPR滑??刂撇呗匝芯縖J].電子技術應用,2019,45(1):118-121.
英文引用格式: Ma Hui,Yan Shengyang,Wang Shuzheng,et al. Research on QPR and sliding-mode control strategy for three-phase Vienna rectifier[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(1):118-121.
0 引言
三相三線制Vienna整流器與傳統(tǒng)三電平PWM整流器相比,具有開關數(shù)量少、成本低,無需設置驅(qū)動死區(qū)時間、控制系統(tǒng)設計相對簡單,網(wǎng)側電流諧波含量低、正弦度高以及單位功率因數(shù)運行等優(yōu)點,被廣泛應用到航空電源、車載與船舶電源等工業(yè)場所,在中壓高功率及對功率密度和成本有嚴格要求的工業(yè)場合具有良好應用前景[1-3]。隨著Vienna整流器被國內(nèi)外學者所關注,對其控制策略研究也逐步深入,主要研究有比例諧振控制、PI控制、單周期控制、滑??刂?/a>、無源控制、滯環(huán)控制等控制算法[1-5]。在實際應用中,Vienna整流器常采用雙PI控制,該控制算法易于實現(xiàn),但增加了參數(shù)整定和控制系統(tǒng)設計難度,且系統(tǒng)響應速度慢,穩(wěn)定精度差[6-7],難以達到理想控制效果。文獻[1]、[4]、[5]提出了幾種復合控制策略,存在滑模面介紹過少、諧波分量過大、參數(shù)整定要求過高等問題。為提高控制系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,減少交流側電流諧波分量,對Vienna整流器控制策略研究變得越來越重要。
近些年已有大量文獻成功將滑模變結構控制應用到整流器電壓外環(huán)控制中[1,4,5],并取得了良好效果;PR控制器在基波處增益大,能有效減少交流電流諧波分量,有不少文獻成功將其應用到整流器電流內(nèi)環(huán)控制中[7-8],效果十分顯著。本文提出一種Vienna整流器的復合控制算法,電壓外環(huán)采用滑模變結構控制,電流內(nèi)環(huán)采用QPR控制,改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能,減少電流諧波分量[8]。最后通過仿真與實驗來驗證QPR滑模復合控制策略在動態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)特性以及減少交流諧波分量等方面的優(yōu)點。
1 Vienna整流器數(shù)學模型
三相Vienna整流器拓撲結構如圖1所示。ua、ub、uc為輸入電壓,ia、ib、ic為輸入電流;La、Lb、Lc為濾波電感,大小為L;Ra、Rb、Rc為濾波電感等效電阻,大小為R;ip、in分別為直流側正負向電流;idc為直流負載電流,RL為直流負載;Cp、Cn分別為直流側上下電容,大小為C。
兩相靜止坐標系下Vienna整流器數(shù)學模型為[4]:
2 QPR滑模復合控制策略
Vienna整流器控制目標主要為:整流器單位功率因數(shù)運行,交流電流正弦度好;直流輸出電壓保持穩(wěn)定,且具有較好動態(tài)性能;上下電容電壓差為零。圖2為三相Vienna整流器QPR滑模控制策略控制框圖。
2.1 電壓外環(huán)滑??刂?/strong>
滑模控制具有響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單、容易實現(xiàn)、對精度要求低等優(yōu)點,并能快速在預先設計的滑模面上切換控制狀態(tài),被廣泛用于電力電子設備中[4]。電壓外環(huán)采用滑模控制算法,可以保證直流電壓快速性、準確性和魯棒性,選取udc和iq作為輸出變量,滑模面為:
滑??刂破髟砜驁D如圖3所示,β0取值為0.003,us為交流電壓有效值,C0為上下電容之和。
滑模控制器抖振消除是一個重要環(huán)節(jié),目前常用趨近律法[3-5]。抖振產(chǎn)生原因是系統(tǒng)狀態(tài)點到滑模面速度不為零,不能停在預先設計滑模面上。減弱抖振必須降低狀態(tài)點到達滑模面速度,同時為不增加到達滑模面用時,系統(tǒng)狀態(tài)點向滑模面運動時速度不宜過小,理想條件是初始速度較大,到達滑模面速度為零。
2.2 電流內(nèi)環(huán)QPR控制
本文在兩相靜止坐標系下采用QPR控制,能有效減小電流諧波分量,增加系統(tǒng)帶寬。在兩相靜止坐標系下采用QPR控制器,無需Park變換,簡化計算,節(jié)省存儲空間。PR控制器傳遞函數(shù)為[3]:
其中ωc<<ω0,增大ωc可以降低頻率變化對PR控制器影響。QPR控制器性能由KP、KR和ωc三個參數(shù)來決定。其中ωc主要影響控制器帶寬,KP主要影響控制器增益。ωc和KP對頻幅特曲線的影響如圖4所示。
3 仿真與實驗
3.1 仿真分析
為驗證文中所提QPR滑??刂撇呗詢?yōu)越性和有效性,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,其參數(shù)如表1所示。
圖5為系統(tǒng)啟動和負載擾動時直流側輸出電壓和輸入電流仿真波形圖。由圖可知,直流側電壓和輸入電流到達穩(wěn)定值所需時間小于一個電網(wǎng)工頻周期,電壓超調(diào)值和穩(wěn)定后紋波均很小,且直流側上下電容電壓近乎相等;通過動態(tài)仿真結果證明滑??刂品椒梢蕴岣呦到y(tǒng)響應速度,使系統(tǒng)快速到達穩(wěn)定狀態(tài)。
3.2 實驗分析
根據(jù)上述仿真模型搭建基于TMS320F2812DSP為核心控制器的實驗樣機,具體參數(shù)與表1相同。
圖6為a相電壓和電流穩(wěn)態(tài)波形圖。由圖可知,整流系統(tǒng)近似工作于單位功率因數(shù)狀態(tài),且網(wǎng)側電流正弦化好。
圖7為三相電流諧波分析圖。由圖可知,電流諧波含量為3.4%,低于5%。在基波頻率處增益較大,能實現(xiàn)該頻率下(設定為輸入側50 Hz)零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤,消除網(wǎng)側電流與電壓之間相位延遲,降低整流器在穩(wěn)定工作時誤差干擾,提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。
圖8為系統(tǒng)啟動時a相電流及直流電壓動態(tài)實驗波形圖。由圖可知,系統(tǒng)啟動時動態(tài)性能較好,直流電壓到達穩(wěn)定耗時大約0.017 s。
圖9為負載由70%到滿載運行(100%)時的電壓電流波形圖。由圖可知,輸出電壓約下降8 V,很快到達穩(wěn)定狀態(tài),僅耗時0.004 s。
由以上分析可知,QPR滑模控制在單位功率運行、降低電流諧波分量、動態(tài)響應速度以及抗干擾能力等方面性能優(yōu)良,驗證了QPR滑模復合控制策略在改善Vienna整流器系統(tǒng)性能方面的突出效果。
4 結論
本文基于三相Vienna整流器提出電壓外環(huán)滑??刂坪碗娏鲀?nèi)環(huán)QPR相結合的復合控制策略,推導了復合控制器設計過程。最后,仿真和實驗結果表明:QPR滑??刂撇呗栽诮档途W(wǎng)側電流諧波同時電流正弦度高;在系統(tǒng)啟動和負載擾動時,該復合控制策略能提高控制系統(tǒng)抗干擾能性和響應速度,使系統(tǒng)具有較好動態(tài)性能和魯棒性能。因此,本文所提出QPR滑模復合控制策略具有廣泛工程應用價值。
參考文獻
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作者信息:
馬 輝1,鄢圣陽1,王書征2,危 偉1
(1.湖北省微電網(wǎng)工程技術研究中心,湖北 宜昌443002;2.江蘇省配電網(wǎng)技術與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京211167)