三相Vienna整流器的QPR滑模控制策略研究

三相Vienna整流器的QPR滑模控制策略研究！

马

辉

& #鄢圣阳& #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)摘要：针对三相Vienna整流器双PI控制器难以同时实现快速性和准确性的问题，提出电压外环滑模控制和电流 内环准比例谐振控制（Quasi Proportional Resonant # QPR )的非线性复合控制策略，改善输入侧电流跟随三相电压的精 准性，提高网侧电流正弦化程度；同时提高整流器在负载扰动和启动时直流电压快速性及鲁棒性能。最后通过搭建 MATLAB/Simulink仿真和实验平台进行验证，仿真和实验结果表明？PR滑模复合控制策略具有较好鲁棒性和动态 性能，输入电流正弦度高和直流侧电压稳定，能较好地适应负载扰动。关键词：Vienna整流器；滑模控制；准比例谐振控制；PI控制中图分类号：TM72

文献标识码：A

DOI ： 10.16157/j.issn.0258-7998.181407

Vienna整

中文引用格式：马辉，鄢圣阳，王书征，等.三相⑴

流器的QPR滑模控制策略研究[J].电子技术应用，2019，45

：118-121.

uiYan ShengyangWang Shuzhenget al. Research on QPR and sliding-mode control strategy for three -

，

phase Vienna rectifier[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(1): 118-121.

英文弓I用格式：Ma H

，，

Research on QPR and sliding-mode control strategy for three-phase Vienna rectifier

Ma Hui1，Yan Shengyang1，Wang Shuzheng2, Wei Wei1

(1. Hubei Provincial Research Center on Microgrid Engineering Technology，Yichang 443002，China ；2_Jiangsu Collaborative Innovation Center for Smart Distribution Network，Nanjing 211167，China)

Abstract ： Aiming to slove the PI controller' s problem that it is difficult to achieve the fast and accuracy performances of Vienna rectifier

， this paper proposed a novel composited nonlinear control strategy with sliding mode controller(SMC) and Quasi proportional

resonant(QPR) controller, which can enhance the accuracy performance and the sinusoidal degree of the three-phase currents. In addition, the rapidity and robust performance of DC voltage have also been improved when starting up the rectifier or the load is disturbed. Finally, the MATLAB/Simulink model and experimental platform based on Vienna -type rectifier were built, the results show that the composited control strategy not only has the adventages of the sliding mode control strategy, but also has better ro­bust and dynamic performance. Meanwhile the speed and accuracy of the system have also been greatly improved.Key words: Vienna-type rectifier sliding mode control Quasi proportional resonant control PI control

； ； ；

〇引言

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

*基金项目：国家自然科学基金项目（51707103);江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心（XTCX201710);湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队项目（T201504)

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《电子技术应用》2019年第45卷第1期

Power Supply Technology and Its Application

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。！+ % !-、！.

为输人电压，\"+、\"b、\"。为输人电流；#+、#b、#。为滤波电感， 大小为为滤波电感等效电阻，大小为 分别为直流侧正负向电流；\"0.为直流负载电流，$1为 直流负载；％/、％*分别为直流侧上下电容，大小为％。

两相静止坐标系下Vienna整流器数学模型为[4]:!a = \"a& +' 0at

. !^ \"4

Va

%# 0!Cn — , an \"； 7 , \"\"_； _!0.

at

a

\"n

-&L

其中！a\"、\"„P为两相静止坐标系中电压电流分量，和

，W)n分别为两相静止坐标系下开关函数，为开关管

两端电压。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。

《电子技术应用》2019年第45卷第1期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！i和\"=作为输出变量， 滑模面为：

'^2

!dcref _ !0c

对滑模面,2求导：

直流侧上下电容电流方程为：% 0!Cp 一 \" _ \"

% dt p \"0c

将式(4)上下相加得式(5):% ^ddr—\"p+\"n_2\"dc

(5)

转换到同步旋转坐标系可得： %^-1(,0\"0+,=\"=)-24 (6)

由式(3)、式(6)得：乂3-^% (,d\"d+,=\"=) + 2\"dc (7)

选取指数趋近律：

S 2—-!〇Sgn，2--0，2

(%)

其中！。为趋近切换面速度，取值恒大于〇且适中。取值过大，趋近速度过快，引起较大抖动；取值过小，趋近速度过慢，增加用时。-0为趋近律指数系数，取值恒为正。综合选择！。和-0,既保证到达滑模面动态品质，又能消除抖振。由式(8)可得滑模面指数趋近律形式：!.

-!(sgn,厂-(,：

j

)

#,2--!uSgn,2--u,2

式中，！(、！1、-(和-1为指数趋近律正参数。

整流器工作在单位功率因数状态下\"^—\"d，将式(2) 和式(7)代人式(9)化简得：

-0 ( !dcref- !dc ) + ! 0 sgn ( !dcref- !dc ) ■

\"def-

3( !s-&\"d)

%%

(10)

滑模控制器原理框图如图3所示，执取值为0.003, !s为交流电压有效值，％0为上下电容之和。

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

119

电源技术与应用

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士3 1力具与实验

d3.1仿真分析

为验证文中所提

\"PR

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。

图5为系统启动和负

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\"P采用

QPR

R

R

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。

(11)

1表1装置参数

取值

2206001801222 200

参数

网侧相电压/V直流侧电压/V负载电阻/\"开关频率/kHz交流侧滤波电感/mH直流侧电容/#F

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

控制器，无需

Park变

换，简化计算，节省存储

空间。P控制器传递函数为[3]:

!pr(\")=#p+-$!^

\"十！〇率，取值为100!。

理想

PR

其中$P、$r为传递函数比例和谐振系数；！。为谐振频

A/控制器在电网频率偏移时，控制系统在非

3#T谐振点增益下降明显，为增大谐振点附近系统增益，提 高系统抗干扰能力，将其改进为QPR控制器[3]#

%$(\")=$(+\"2十2$

:

。2

R

(1/,控制

其中！。<益

PR

控制器性能由$(、$r和！。三个参数来决

主要影响控制器增

v/s定。其中！。主要影响控制器带宽，

!。和对频幅特曲线的影响如图4所示。

s

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)!。对频幅特性的影响

4o

o)/霍

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。

心=10 \\

迴騍

2o o

apA

硬粟

/。)/

45O

-45-90

//Hz

(b)$P对频幅特性的影响 图4

20

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

和$(对频幅特性曲线的影响

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图7三相电流谐波分析图

该频率下（设定为输入侧50 H$)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。

图8为系统启动时&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 *。

图8系统启动时，&相电流及直流电压波形图

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 *。

图9负载突变时，&相电流及直流电压波形图

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 /PR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/PR相结合的复合控制策略，推导了复

《电子技术应用》2019年第45卷第1期合控制器设计过程。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/PR滑模复合控制策略具有广泛工程应用价值。

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(收稿日期：2018-05-14)

作者简介：

马辉（1985-)，男，博士，讲师，主要研究方向：电力电子功率变换。鄢圣阳（1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：整流

器控制策略。

危伟（1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：整流器 控制策略。

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