带负载电流前馈的三相VSR的控制策略
高立东 冯丽娜
【摘 要】在三种坐标系下详细分析了三相电压型PWM整流器的数学模型，采用双闭环控制策略，在两相旋转坐标系下构建外环电压和内环电流双闭环的控制模型，电压外环引入负载电流前馈控制，并且利用能量守恒的原理和数字化实现的原理设计了电压外环的PI参数，准确估计了负载电流。仿真结果表明系统的电压电流响应迅速准确，抗扰动能力明显提高。
【Abstract】Under three kinds of coordinate systems， the mathematical mode of PWM rectifier of three phase voltage mode is analyzed in detail. A double closed loop control strategy is used to construct the double loop control mode of outer loop voltage and inner loop current in two phase rotating coordinate system， and load current feed-forward control is introduced in the voltage outer loop. Through using the principle of energy conservation and digital realization， the PI parameters of the voltage outer loop are designed， and the load current is accurately estimated. The simulation results show that the voltage and current response of the system is fast and accurate， and the ability of anti disturbance is obviously improved.
【关键词】双闭环；前馈；能量守恒
【Keywords】double closed loop； feed-forward； conservation of energy
【中图分类号】TM424 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0173-03
1 引言
拥有端口正弦电流，可调功率因数，双向流动的能量，可调电压的PWM技术，是能源友好型技术重点发展方向。新能源系统一直研究此项技术，特别是直驱式风力发电、光伏并网发电。PWM整流器是风力发电系统中实现机侧BOOST升压、可调功率因数和最大功率跟踪控制（MPPT）[1-2]的关键技术。功率控制风力发电系统的核心，为达到最大指标功率，捕捉最大风能，利用永磁同步发电机定子磁场定向原理使发电机转矩跟随风速变化，实现最优输出。
在20世纪末期，由于A.W.格林等人提出基于坐标变换的PWM整流器的连续和离散动态数学模型，使PWM整流器提升到崭新的水平。电压型PWM整流器主要研究电流控制的控制策略。由于三相电压型PWM整流器拓扑结构简单，采用相应的控制系统策略和滤波器就可以得到高品质输出输入电流。基于电流电压双环控制的三相PWM整流器一般采用间接或者直接电流控制方法。
2 数学模型
三相半桥PWM整流器主电路拓扑结构如下图。每个桥臂是由两个带反并联二极管的IGBT开关管串联组成，共有3个桥臂。从图中可以看出，交流侧三相电压源和三相电流分别是ea、eb、ec、ia、ib、ic；輸入侧电感和输入侧等效电阻分别是L和R，三个桥臂的交流输入测电压分别为ua、ub和uc，直流侧电压为udc，负载是RL。
4 仿真结果
利用Simulink中的SimpowerSystems模块搭建三相VSR仿真模型，仿真使用电网电压矢量定向和SVPWM调制方式，将电网电压定向在轴，利用电网电压瞬时值获得电网电压的矢量角，使用直接电流控制技术降低电流谐波含量，建立合适的微分器，估计负载电流。
本文所采用PI设计算法和负载电流的估计方法是正确的，它实现了三相整流器的单位功率因数运行，负载的电流准确估计，有效提高了整流器的抗干扰能力。
【参考文献】
【1】赵仁德，王永军，张加胜. 直驱式永磁同步电机风力发电系统最大功率追踪控制[J]. 中国电机工程学报，2009，29（27）：106-111.
【2】姚骏，廖勇，庄凯. 永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略[J]. 电力系统自动化，2008，32（20）：88-92.
【摘 要】在三种坐标系下详细分析了三相电压型PWM整流器的数学模型，采用双闭环控制策略，在两相旋转坐标系下构建外环电压和内环电流双闭环的控制模型，电压外环引入负载电流前馈控制，并且利用能量守恒的原理和数字化实现的原理设计了电压外环的PI参数，准确估计了负载电流。仿真结果表明系统的电压电流响应迅速准确，抗扰动能力明显提高。
【Abstract】Under three kinds of coordinate systems， the mathematical mode of PWM rectifier of three phase voltage mode is analyzed in detail. A double closed loop control strategy is used to construct the double loop control mode of outer loop voltage and inner loop current in two phase rotating coordinate system， and load current feed-forward control is introduced in the voltage outer loop. Through using the principle of energy conservation and digital realization， the PI parameters of the voltage outer loop are designed， and the load current is accurately estimated. The simulation results show that the voltage and current response of the system is fast and accurate， and the ability of anti disturbance is obviously improved.
【关键词】双闭环；前馈；能量守恒
【Keywords】double closed loop； feed-forward； conservation of energy
【中图分类号】TM424 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0173-03
1 引言
拥有端口正弦电流，可调功率因数，双向流动的能量，可调电压的PWM技术，是能源友好型技术重点发展方向。新能源系统一直研究此项技术，特别是直驱式风力发电、光伏并网发电。PWM整流器是风力发电系统中实现机侧BOOST升压、可调功率因数和最大功率跟踪控制（MPPT）[1-2]的关键技术。功率控制风力发电系统的核心，为达到最大指标功率，捕捉最大风能，利用永磁同步发电机定子磁场定向原理使发电机转矩跟随风速变化，实现最优输出。
在20世纪末期，由于A.W.格林等人提出基于坐标变换的PWM整流器的连续和离散动态数学模型，使PWM整流器提升到崭新的水平。电压型PWM整流器主要研究电流控制的控制策略。由于三相电压型PWM整流器拓扑结构简单，采用相应的控制系统策略和滤波器就可以得到高品质输出输入电流。基于电流电压双环控制的三相PWM整流器一般采用间接或者直接电流控制方法。
2 数学模型
三相半桥PWM整流器主电路拓扑结构如下图。每个桥臂是由两个带反并联二极管的IGBT开关管串联组成，共有3个桥臂。从图中可以看出，交流侧三相电压源和三相电流分别是ea、eb、ec、ia、ib、ic；輸入侧电感和输入侧等效电阻分别是L和R，三个桥臂的交流输入测电压分别为ua、ub和uc，直流侧电压为udc，负载是RL。
4 仿真结果
利用Simulink中的SimpowerSystems模块搭建三相VSR仿真模型，仿真使用电网电压矢量定向和SVPWM调制方式，将电网电压定向在轴，利用电网电压瞬时值获得电网电压的矢量角，使用直接电流控制技术降低电流谐波含量，建立合适的微分器，估计负载电流。
本文所采用PI设计算法和负载电流的估计方法是正确的，它实现了三相整流器的单位功率因数运行，负载的电流准确估计，有效提高了整流器的抗干扰能力。
【参考文献】
【1】赵仁德，王永军，张加胜. 直驱式永磁同步电机风力发电系统最大功率追踪控制[J]. 中国电机工程学报，2009，29（27）：106-111.
【2】姚骏，廖勇，庄凯. 永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略[J]. 电力系统自动化，2008，32（20）：88-92.
