張宏杰

（健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇太倉 215411）

PWM的整流器無交流電壓傳感器控制

張宏杰

（健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇太倉 215411）

針對采用虛擬磁鏈定向控制策略的PWM整流器無交流電壓傳感器控制中存在的由積分環(huán)節(jié)帶來的一系列問題，將滑模觀測器（SMO）應(yīng)用于估測電網(wǎng)電壓角度，利用飽和函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)滑模觀測器中的符號函數(shù)以削弱系統(tǒng)抖振，并對比分析了兩種情況下等效控制信號的頻譜圖，仿真和實驗結(jié)果表明，基于滑模觀測器的PWM整流器具有良好的動靜態(tài)響應(yīng)和輸入輸出特性，驗證了所提出的無交流電壓傳感器控制策略的有效性和準(zhǔn)確性.

滑模觀測器；PWM整流器；無交流電壓傳感器；矢量控制

1 引言

三相電壓型PWM整流器（VSR）作為一種“綠色”電能變換器，可實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)運行及能量雙向流動等功能[1]，在高性能變流系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用的PWM整流器常采用電壓定向控制（VOC），需要檢測電網(wǎng)電壓、輸入電流和直流母線電壓，由于采用的傳感器較多，增加了系統(tǒng)的成本，也帶來了相應(yīng)的檢測誤差和復(fù)雜性[2].無電網(wǎng)電壓傳感器控制方式的實現(xiàn)方案主要有直接功率控制[3]和矢量控制[3-5]，前者類似于交流調(diào)速中的轉(zhuǎn)矩控制，存在著開關(guān)頻率不固定、需要高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器等不足.實際運用中多采用虛擬磁鏈定向的矢量控制，通過估計虛擬磁鏈間接獲得坐標(biāo)變換中所需要的電網(wǎng)電壓角度信息.傳統(tǒng)虛擬磁鏈觀測方法使用純積分環(huán)節(jié)，存在因積分初值選取不當(dāng)造成的直流漂移問題.文獻(xiàn)[2]采用一階低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)，雖然磁鏈的觀測結(jié)果不再依賴積分初值，但仍存在幅值和相位誤差.文獻(xiàn)[4]采用帶飽和限幅反饋環(huán)節(jié)的積分器代替純積分，利用限幅值消除直流偏移，但是一階低通濾波器的引入會帶來信號的延時問題.文獻(xiàn)[5]采用兩個低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)可以使得輸入信號幅值無差且無相移，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)不宜整定.

滑模觀測器（SMO）由于其魯棒性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點，在無位置傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[6-7].本文結(jié)合PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，利用觀測電流和實測電流之間的偏差構(gòu)建滑模平面，當(dāng)滑模發(fā)生運動時觀測器的等效控制信號中包含了電網(wǎng)電壓信息，以此直接估計電網(wǎng)電壓角度，避免了虛擬磁鏈控制中純積分帶來的一系列問題.相比較調(diào)速系統(tǒng)中觀測信號的頻率隨轉(zhuǎn)速變化而言，電網(wǎng)電壓頻率固定，觀測器的結(jié)構(gòu)更簡單，得到的角度精度更高，動態(tài)響應(yīng)更快.為了削弱系統(tǒng)的抖振，采用飽和函數(shù)替代傳統(tǒng)滑模觀測器中的符號函數(shù)，具有較高的辨識精度.仿真和實驗結(jié)果驗證了所提方法的有效性與正確性.

2 無交流電壓傳感器矢量控制系統(tǒng)

2.1 αβ坐標(biāo)系下PWM數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM整流器主電路如圖1所示，其中ea、eb、ec分別為三相電網(wǎng)電壓，L是進(jìn)線電抗器的電感，R為線路與電抗器的等效電阻，Udc為直流母線電壓.若三相電網(wǎng)電壓平衡，PWM整流器在α-β坐標(biāo)系下電壓方程為

圖1 三相電壓源型PWM整流器的主電路

式中

Sa，Sb，Sc是三相橋臂開關(guān)函數(shù)：其值為1時表示橋臂上管開通，下管關(guān)斷；為0表示橋臂下管開通，上管關(guān)斷；eα、eβ，iα、iβ分別為電網(wǎng)電壓和電流的α、β分量.

2.2 滑模觀測器設(shè)計

將式（1）寫成狀態(tài)方程形式

式中vs=[vα，vβ]T，es=[eα，eβ]T.根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本理論[7]，切換函數(shù)選取觀測電流和實測電流之間的偏差，采用常值切換控制方式且利用飽和函數(shù)代替符號函數(shù)削弱抖振，構(gòu)造滑模觀測器如下：

式中

由式（3）減式（2）可得觀測器電流誤差方程為：

式中

滑模存在條件為k＞|es|，當(dāng)系統(tǒng)運動經(jīng)過有限時刻到達(dá)切換面后，根據(jù)等效控制理論[10-11]可得

電網(wǎng)電壓角度信息可由下式估算得到

圖2 基于滑模觀測器的PWM整流器矢量控制框

圖3 等效控制信號頻譜

2.3 PWM整流器矢量控制

圖2為基于滑模觀測器的PWM整流器矢量控制系統(tǒng)框圖.電網(wǎng)電壓角度信息通過滑模觀測器估算得到，采用電網(wǎng)電壓定向的控制策略，直流電壓偏差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后作為d軸電流給定；d、q軸電流偏差信號經(jīng)過兩個電流調(diào)節(jié)器和解耦控制后經(jīng)坐標(biāo)變換作為空間矢量調(diào)制的給定.為驗證所提出觀測器的有效性，實驗中采用霍爾電壓傳感器用于獲得準(zhǔn)確的角度信息并和估算出的角度進(jìn)行對比.

3 仿真及實驗研究

為驗證上述采用滑模觀測器估計電網(wǎng)角度信息的無交流電壓傳感器控制策略的可行性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了無電網(wǎng)電壓傳感器控制的PWM整流器仿真模型，并對傳統(tǒng)符號函數(shù)和采用飽和函數(shù)下的滑模觀測器等效控制信號的頻譜進(jìn)行了對比仿真分析.仿真參數(shù)：進(jìn)線電抗器電感8 mH，電阻0.5 Ω、直流母線電容2200 μF、直流側(cè)負(fù)載電阻100 Ω、交流側(cè)輸入相電壓有效值30 V，直流母線電壓100 V、器件開關(guān)頻率5 kHz.

圖3給出了滑模觀測器等效控制型號的頻譜.由圖3（a）可知，使用符號函數(shù)時，等效控制信號中的頻譜復(fù)雜，左側(cè)第一個峰值為估測電網(wǎng)電壓頻率，其他峰值都是由抖振信號所引起的干擾頻譜，范圍較寬且幅值較大，觀測器無法直接使用.圖3（b）為采用飽和函數(shù)后的等效控制信號頻譜，相比較符號函數(shù)，飽和函數(shù)引入了一個厚度為ε的邊界層，在邊界層內(nèi)滑?？刂剖沁B續(xù)的，從而大大削弱了抖振的影響，對高頻分量起到明顯的抑制作用.圖4為利用滑模觀測器估測的電網(wǎng)電壓角度和電網(wǎng)電壓實際角度.由圖可知，觀測器能夠迅速收斂得到電網(wǎng)電壓角度，且穩(wěn)態(tài)精度高無滯后.

根據(jù)圖2搭建了基于滑模觀測器的PWM整流器無交流電壓傳感器矢量控制平臺.主電路參數(shù)與仿真參數(shù)相同，功率器件選擇三菱公司型號為PM25RLA120 的IPM，主控芯片采用TI公司的TMS320F28335.

圖5為實際電網(wǎng)電壓與滑模觀測器估測的電網(wǎng)電壓波形.圖5（a）為實際電壓與滑模觀測器估測的電網(wǎng)電壓，圖5（b）為實際角度與滑模觀測器估測的電網(wǎng)電壓角度.可以看出，估測的電壓波形正弦度良好，抖動影響得到了有效抑制，估測出的角度波形光滑且與實際角度一致無滯后.

圖6是基于滑模觀測控制的PWM整流器直流母線電壓波形.其中圖6（a）為直流母線電壓給定為100 V時，從不控整流到可控整流的啟動過程，可以看出直流母線電壓能夠迅速跟蹤給定且實際電壓與指令電壓相差不太大，啟動過程平滑無超調(diào)圖.6（b）所示為PWM整流器啟動和負(fù)載突變情況下的直流母線電壓波形，可以看出啟動后3 s負(fù)載電阻從100 Ω突減至50 Ω負(fù)載電流變大，電壓略有跌落后迅速跟蹤給定電壓，4 s后負(fù)載電阻變?yōu)?00 Ω，負(fù)載電流減小，母線電壓略有泵升后迅速跟蹤給定值，動態(tài)性能良好.圖6（c）給出了電壓給定值從100 V突變?yōu)?20 V的直流母線電壓波形.

圖7為網(wǎng)側(cè)A相電壓與電流波形，其中圖7（a）給出的是直流電壓100 V時，負(fù)載電阻由100 Ω突減至50 Ω時交流側(cè)電壓電流波形，可以看出，負(fù)載突變時網(wǎng)側(cè)電流能夠迅速調(diào)整維持功率守恒，且能夠保持單位功率因數(shù)下運行.圖7（b）為負(fù)載電阻100 Ω，直流母線電壓由80 V突變?yōu)?20 V時網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，可以看出在這兩種情況下PWM整流器具有良好的輸入特性和動態(tài)響應(yīng)能力.

圖4 估計角度與實際角度

圖6 直流電壓動態(tài)響應(yīng)

圖7 PWM整流器輸入特性

4 結(jié)論

本文將交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的滑模觀測器應(yīng)用到PWM整流器中，用以估計電網(wǎng)電壓角度，實現(xiàn)無交流電壓傳感器矢量控制，結(jié)論是：（1）該觀測器能夠準(zhǔn)確估測出電網(wǎng)電壓角度信息，且魯棒性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快，解決了傳統(tǒng)無電網(wǎng)電壓傳感器控制中純積分環(huán)節(jié)帶來的一系列問題.（2）使用飽和函數(shù)替代傳統(tǒng)觀測器中的符號函數(shù)，削弱了固有高頻抖動的影響，提高了角度信息辨識精度.（3）仿真和實驗驗證了使用滑模觀測器的PWM整流器輸入、輸出動靜態(tài)特性，實現(xiàn)了無交流電壓傳感器的矢量控制.

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Vector Control of PWM Rectifier without AC Voltage sensors

ZHANG Hong-jie
(Department of Mechanical and Electrical Engineering of CSI,Taicang 215411,China)

To solve the problems caused by integer which were used in virtual flux oriented control of PWM rectifier without AC voltage sensors,a sliding mode observer(SMO)was designed to estimate grid voltage angle. This paper analyzes the principle,designs steps of SMO.and uses saturated function instead of symbols function in traditional sliding mode observer to weaken the system chattering.The paper also analyzes the equivalent control signal spectrum diagram in the two cases.Simulation and experimental results show that PWM rectifier has a good dynamic/static response and input/output characteristics and verifies the validity and feasibility of the proposed AC voltage sensorless control strategy.

sliding mode observer;pwm rectifier;ac voltage sensorless;vector control

TM301

A

1008-2794（2012）10-0082-05

2012-09-08

張宏杰（1969—），男，江蘇東臺人，講師，碩士，研究方向：傳動控制．