0 引言

    PWM整流器以其高功率因數(shù)，輸入電流諧波成分少且易于控制等優(yōu)勢(shì)在諸多場(chǎng)合中得到廣泛應(yīng)用^[1-3]。其中，系統(tǒng)控制策略決定了PWM整流器的工作性能，工程中常通過(guò)引入坐標(biāo)變換方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有功無(wú)功的解耦控制設(shè)計(jì)^[4-6]。而由于坐標(biāo)變換運(yùn)算較為復(fù)雜且單相系統(tǒng)虛擬量的構(gòu)建不便于模擬電路實(shí)現(xiàn)，因此，PWM整流器常采用數(shù)字控制^[7-8]的形式，該方式由于AD轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的引入，其量化誤差在一定程度上降低了系統(tǒng)控制精度，其次，采樣與計(jì)算延時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)帶寬，在某些情況下系統(tǒng)會(huì)發(fā)生振蕩甚至失去穩(wěn)定性。

    針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種坐標(biāo)變換模擬實(shí)現(xiàn)電路，由全通濾波器實(shí)現(xiàn)周期正弦信號(hào)的延時(shí)，結(jié)合運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，應(yīng)用該電路并結(jié)合運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)了單相PWM整流器旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制，進(jìn)一步在DQ坐標(biāo)系下分析了系統(tǒng)模型與控制結(jié)構(gòu)并給出了補(bǔ)償器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的有效性與補(bǔ)償器參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

1 單相PWM整流器DQ坐標(biāo)系雙環(huán)控制

    單相PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中v_s為電源電壓，i_s為網(wǎng)測(cè)電流，i_dc為直流側(cè)輸出電流，R_L為負(fù)載電阻，L為交流側(cè)儲(chǔ)能電感，起到傳遞能量，抑制電流高次諧波的作用，R_s為交流側(cè)的等效電阻主要表現(xiàn)為電感寄生電阻。

    為實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的解耦控制，文獻(xiàn)[4]給出了一種DQ坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制策略，分析了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文對(duì)此提出了一種模擬電路實(shí)現(xiàn)上述所提控制，圖2為其實(shí)現(xiàn)框圖。

2 模擬控制電路設(shè)計(jì)

    由圖2控制框圖可看出系統(tǒng)包含延時(shí)電路、dq變換及dq反變換電路、補(bǔ)償器電路、運(yùn)算電路和PWM調(diào)制電路設(shè)計(jì)。

2.1 延時(shí)電路設(shè)計(jì)

    對(duì)于單相PWM整流器輸入電流i_s只有一相，為進(jìn)行坐標(biāo)變換，通過(guò)全通濾波器電路實(shí)現(xiàn)相位延時(shí)90°構(gòu)建其虛擬正交量，電路如圖3所示。

    其傳遞函數(shù)G_d(s)為：

2.2 dq變換及dq反變換電路設(shè)計(jì)

    dq變換矩陣T與dq反變換矩陣T^-分別為：

    為實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換，需分別構(gòu)建d軸基準(zhǔn)信號(hào)cosωt與q軸基準(zhǔn)信號(hào)sinωt。本文將交流側(cè)輸入電壓v_s經(jīng)霍爾傳感器得到的采樣信號(hào)作為d軸基準(zhǔn)，其采樣系數(shù)為1/v_m，再由d軸基準(zhǔn)通過(guò)圖3的延時(shí)電路作為q軸基準(zhǔn)，最后結(jié)合運(yùn)放構(gòu)成的運(yùn)算電路即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換與坐標(biāo)反變換，電路分別如圖4和圖5所示。

2.3 電壓電流補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

    圖6給出了單相PWM整流器DQ變換雙環(huán)控制傳遞函數(shù)框圖，其中為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無(wú)差，電壓補(bǔ)償器G_cu(s)與電流補(bǔ)償器G_ci(s)分別采用線性PI控制器，其中，G_cu(s)=k_pu+k_iu/s和G_ci(s)=k_pi+k_ii/s分別為電壓與電流控制器的傳遞函數(shù)；G₁(s)為控制電壓到輸出的傳遞函數(shù)，G₂(s)為整流器交流側(cè)電流d軸分量i_d到直流側(cè)輸出電流idc的傳遞函數(shù)。

2.3.1 補(bǔ)償器參數(shù)設(shè)計(jì)

    考慮到控制電壓改變時(shí)，脈寬調(diào)制器和PWM整流器需經(jīng)過(guò)短暫的延遲才能反映到輸出，延遲時(shí)間一般取開關(guān)周期的一半，即可等效為一階慣性環(huán)節(jié)：

    為得到電壓環(huán)傳遞函數(shù)，應(yīng)首先確定G₂，當(dāng)整流器工作在單位因數(shù)整流時(shí)，PWM調(diào)制器采用雙極性SPWM調(diào)制，定義開關(guān)函數(shù)p為：

2.3.2 補(bǔ)償器電路設(shè)計(jì)

    由于補(bǔ)償器為PI控制器，則選用圖7所示的基本的運(yùn)算放大器構(gòu)成，傳遞函數(shù)G_c(s)為：

2.4 調(diào)制電路設(shè)計(jì)

    PWM調(diào)制為雙極型SPWM調(diào)制，開關(guān)管PWM信號(hào)由比較器與反相器輸出，原理圖如圖8所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    表1給出了實(shí)驗(yàn)主電路參數(shù)，為驗(yàn)證系統(tǒng)分析與電路設(shè)計(jì)的正確性，采用小功率實(shí)驗(yàn)板簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。由式(11)和式(19)可得出補(bǔ)償器參數(shù)k_pi=10，k_ii=1 000，k_pu=45，k_iu=225 000，代入式(20)可得補(bǔ)償器電路具體參數(shù)。

    圖9給出了坐標(biāo)變換基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了工頻信號(hào)的90°相移。圖10為坐標(biāo)變換測(cè)試波形，輸入信號(hào)為v_s，可以看到d軸分量v_d為10 V，交軸分量v_q為0 V，驗(yàn)證了坐標(biāo)換電路的正確性。圖11分別給出了i_d^*=2 A，i_q^*=0 A和i_d^*=3 A，i_q^*=0 A電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)現(xiàn)了電流指令的跟蹤，其中電流波形存在一定畸變，這是由于電路中元件參數(shù)不可避免存在一定誤差。圖12給出了雙閉環(huán)電壓定向控制實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓穩(wěn)定無(wú)差，輸入功率因數(shù)接近于1。

4 結(jié)論

    本文給出了坐標(biāo)變換的具體實(shí)現(xiàn)電路，并實(shí)現(xiàn)了單相PWM整流器DQ變換的雙環(huán)控制，進(jìn)一步分析了得出控制參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提電路及參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，為在DQ坐標(biāo)系下所構(gòu)建的控制策略提供了一種簡(jiǎn)單有效的模擬電路實(shí)現(xiàn)方案。

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作者信息：

劉  煒，盧偉國(guó)

（重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）