基于內?？刂频娜娖絇WM整流器控制方法

，，，

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072）

1 引言

PWM整流器具有交流側電流諧波含量小，功率因數高，能量雙向流動等突出優點，因而在AC／DC功率變換中得到了廣泛應用［1］。目前，在中等功率應用場合，一般采用兩電平PWM整流器；而在高壓大容量應用場合，PWM整流器一般采用多電平的拓撲結構［2－3］。如在軋鋼和軌道交通系統中廣泛應用的高壓大容量三電平變頻調速系統，其整流環節多采用三相的三電平整流器［4］。與兩電平PWM整流器相比，二極管鉗位式三電平PWM整流器具有明顯的優勢，因此得到越來越多的應用。

為了提高系統的動態響應和降低諧波分量，近年來國內外學者提出了多種電壓型PWM整流器的控制策略。傳統的PWM整流器采用雙閉環控制策略，電流內環采用PI調節器進行前饋解耦。然而這種方法參數多，調節比較復雜，同時對系統參數準確性要求也較高。

本文將內?？刂疲↖MC）原理應用于三電平PWM整流器中，用內?？刂苼泶鎮鹘y雙閉環中的電流內環PI調節器。在Matlab中對IMC電流調節器進行了仿真分析，結果表明了內模調節器的設計不僅對PWM整流器參數的依賴性較小，容易調整，并且具有優良的電流內環動態響應性能。

2 三電平整流器的數學模型

二極管鉗位式三電平PWM整流器的主電路結構如圖1所示。其中ea，eb，ec為電源電壓，ia，ib，ic為交流側輸入電流，L和R分別為每相的濾波電感和等效串聯電阻。RL為整流器負載，Ed為反電動勢。

根據三電平整流器的拓撲結構，可以建立其在dq同步旋轉坐標系中的數學模型［5］：

圖1 三電平PWM整流器主電路結構圖Fig.1 Structure of three－level voltage source PWM Rectifier

式中：ed，eq，id，iq分別為dq坐標系上的交流側輸入電壓、電流分量；ud，uq為整流器交流側電壓在dq坐標系上的分量。

由PWM整流器在dq坐標系下的數學模型中可見，d，q軸電流分量id，iq相互耦合，給電流控制設計器帶來不便［6］。因此，在本文中引入內?？刂破髯鳛殡娏鲀拳h調節器，實現id，iq的解耦控制。圖2為基于內?？刂频娜娖絇WM整流器控制框圖。

圖2 基于內?？刂频娜娖絇WM整流器控制框圖Fig.2 Control structure of three－level VSR based on IMC

3 內模解耦控制策略

內?？刂剖且环N基于過程數學模型進行控制器設計的新型控制策略［7］，其主要特點是結構簡單、設計直觀簡便，在線調節參數少，調整容易，魯棒性能、跟蹤性能、動態性能良好［8］。

3.1 電流內模解耦控制的基本原理［9］

內?？刂频幕驹砣鐖D3所示。其中CIMC（s）為內?？刂破?，G（s）為被控對象模型，（s）為預測模型。對圖3a進行等效變換得圖3b，其等效控制器為

圖3 內?？刂萍捌涞刃Х答伩刂茍DFig.3 IMC and its equivalent feedback structure

3.2 PWM整流器電流內?？刂?/h3>

在圖3的內?？刂浦?，若設定輸入R（s）為電流給定為交流側的輸入電流Y（s）＝［idiq］T，G（s）為控制對象整流器的模型，U（s）為PWM整流器輸入側電壓。則有：

其中

式中：分別為輸入側電阻和電感預測值。

通常，為了提高魯棒性，減少控制對象與建模之間不匹配造成的影響［10］，常引入一個低通濾波器為

式中：λ為閉環帶寬，I為單位陣。

因而所設計的內?？刂破鳛?/p>

將式（5）代入式（3）中，則IMC電流控制器的反饋控制器為

整流器內?？刂瓶驁D如圖4所示。

圖4 內模解耦控制框圖Fig.4 Control blocks of decoupling based on IMC

需要指出的是，當預測模型與實際對象一致時，系統閉環帶寬僅取決于參數λ［11］，并且λ與階躍響應上升時間的關系近似為tr＝2.2／λ［12］。

4 三電平空間矢量調制

三電平整流器每個橋臂有3種輸出狀態，因此共有27種基本電壓矢量，如圖5所示。假設期望的電壓空間矢量在第1扇區的B三角形中，如圖6所示。電壓矢量由最近的3個空間矢量V1，V3，V4合成，計算出各輸出電壓矢量的作用時間，即可得到對應開關器件的導通和關斷時間。由空間電壓矢量的伏秒平衡原則，可得：

式中：Ta，Tb，Tc分別為電壓矢量的作用時間；Ts為系統采樣控制周期；θ為相角；M為調制深度，

圖5 三電平整流器空間電壓矢量圖Fig.5 The space voltage vector of three－level rectifier

同理，可以得出電壓矢量在A，C和D中合成三矢量的作用時間。根據對稱性可得其余5個扇區的矢量作用時間。根據各矢量的作用時間，按中心化對稱的矢量發送順序，可以分別得出參考矢量Vref位于扇區4個三角形A，B，C和D中的三相輸出矢量時序圖，也就可以得到空間矢量調制模式。進而，根據相應的空間矢量調制模式和上述電壓矢量的作用時間，就可以得到三相橋臂各開關器件的驅動信號，從而可以實施對三電平整流器的SVPWM控制。

圖6 在扇區1中的參考矢量合成Fig.6 Reference vector synthesis in sector 1

5 仿真結果

基于上述PWM整流器的數學模型及控制策略，可以方便地在 Matlab／Simulink下搭建整個系統的仿真模型。和傳統雙閉環控制不同的是，電流內環采用的是內模解耦控制。系統仿真涉及的主要參數為：交流側輸入電壓為ea＝220V，輸入電阻R＝0.15Ω，電感L＝8mH；直流母線電容C1＝C2＝2 000μF（為了防止母線電壓沖擊，電容C1，C2的初始電壓分別為270V）；整流運行時直流母線給定值Udc＝690V，逆變運行時母線反電動勢給定Ed＝720V；直流側電阻RL＝69Ω，開關頻率為2kHz。需要指出的是，為了更方便直觀地觀察與比較電壓和電流波形，文中將電源電壓波形縮小了5倍。

圖7為基于內?？刂频娜娖絇WM整流器的仿真波形。其中0～0.2s為整流狀態，0.1s時，負載減小為原來的一半；0.2～0.3s為逆變狀態。圖7a為整流器輸入側的線電壓?？梢钥吹剑赫髌鬏斎雮染€電壓為5電平，而傳統的兩電平整流器電壓僅為3電平，因此系統的諧波性能明顯優于兩電平系統。由圖7c可以看出，整流或逆變時，整流器的功率因數基本分別為±1。圖7b表明直流母線電壓平穩，能有效抵抗負載擾動。同時從圖7f及圖7g可以看出，dq軸實際電流分量能很好地跟隨給定值。

圖8為直流母線電壓給定突增和突減時，基于內?？刂频娜娖絇WM整流器仿真結果。

0.1s時刻母線電壓給定從600V突增至700V，0.2s時又突減至600V?？梢钥闯?，當母線電壓給定信號發生變化時，實際母線電壓能很好地跟蹤，電流dq分量也能很好地跟蹤給定。

圖7 基于內?？刂频娜娖絇WM整流器仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of three－level VSR based on IMC

圖8 直流母線突變時的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of DC bus voltage mutation

6 結論

用內?？刂破鬟M行調節時，只需要設定參數λ，與傳統PI調節器相比調節更加簡單。理論分析和仿真結果表明，基于內?？刂频碾p閉環三電平PWM整流系統具有很強的魯棒性，并且動態性能好。在整流或逆變時，系統功率因數基本分別為±1，直流母線電壓保持恒定。當負載突變時，母線電壓基本不變，并且電流分量能很快跟隨給定值。

［1］黃華.基于三電平PWM整流的地鐵牽引供電系統［J］.電力電子技術，2009，40（12）：4－6.

［2］詹長江，韓郁，趙良炳，等.基于電壓空間矢量PWM脈寬調制方式的新型三電平高頻整流器研究［J］.電工技術學報，1999，14（2）：60－64.

［3］Lin B R，Wei T C.Three－phase High Power Factor Rectifier with Two NPC Legs［C］∥IEE Proc.Electr.Power Appl.，2003，150（6）：639－649.

［4］李永東，肖曦，高躍.大容量多電平變換器——原理·控制·應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［5］詹長江，秦荃華，韓英鐸，等.三電平脈寬調制高頻整流器系統數學模型及仿真分析［J］.中國電機工程學報，1999，19（7）：45－48.

［6］裘錦勇，宋文祥，韓楊，等.基于電壓空間矢量的三電平PWM整流器研究［J］.電力系統保護與控制，2009，37（13）：58－62.

［7］王樹青.先進控制技術及應用［M］.北京：國防工業出版社，2003.

［8］Normey－Rico J E，Bordons C，Camacho E F.Improving the Robustness of Dead－time Compesating PI Controllers［J］.Control Engineering Practice，1997，5（6）：801－810.

［9］朱希榮，伍小杰，周淵深.基于內?？刂频耐诫姍C變頻調速系統的研究［J］.電氣傳動，2007，37（12）：46－48.

［10］鄧富金，蔡旭.基于內?？刂频碾p閉環PWM整流器［J］.電力電子技術，2008，42（6）：60－62.

［11］宋春華，胡丹，柯堅.內?？刂圃陔娏髡{節器中的應用［J］.電力自動化設備，2008，28（4）：15－18.

［12］ Harnefers L，Nee H P.Model－based Current Control of AC Machines Using the Internal Model Control Method［J］.IEEE Trans.IA，1998，34（1）：133－141.