一种Vienna整流器双闭环控制方法与流程

本发明涉及一种Vienna整流器的控制方法，尤其涉及一种Vienna整流器的双闭环控制方法。

背景技术：

滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）是一种不连续的非线性控制，在预先设计的滑模面上快速地切换系统的控制状态，具有高频开关特性，特别适用于电力电子装置的开关控制。并且SMC对系统模型精度要求不高，对参数变化和外部扰动不敏感，具有动态响应速度快、抗干扰能力强、控制规律简单和实现容易等优点。三相Vienna整流器，因其开关数目少电路结构简单、无输出电压桥臂直通、无需设置开关死区、输入电流谐波含量低、可实现输入单位功率因数校正等优点，受到各国学者的广泛关注。对Vienna 整流器的研究主要集中在数学模型分析、优化脉宽调制技术和改善电路性能的控制策略等三方面。随着Vienna 整流器应用场合的多样化，对其静、动态性能的要求也越来越高，由于该整流器是一个非线性系统，采用常规的双闭环PI 控制算法难以达到理想的控制效果。

传统电流电压双闭环控制策略的PI 调节器控制参数为常数且较为敏感，在系统启动和负载变动时，Vienna 整流器存在动态响应速度慢、抗干扰性能差、网侧电流谐波（THD）含量大等问题。

技术实现要素：

为了克服Vienna 整流器存在动态响应速度慢、抗干扰性能差、网侧电流谐波（THD）含量大的问题，本发明提出一种Vienna整流器的双闭环控制方法。

本发明将滑模控制应到Vienna 整流器的双闭环中，提出新型双闭环滑模非线性控制策略，内环采用直接功率滑模控制（DPC-SMC），不需要电网电压的相位信息和同步旋转坐标变换，具有控制结构简单，计算量小和动态响应快等优点；电压外环采用电压平方反馈闭环滑模控制器提高电压响应速度。

Vienna整流器双闭环控制方法，包括三相Vienna整流主电路、电压外环滑模控制、功率内环滑模控制三个部分。

所述三相Vienna整流主电路，由六个二极管组成的桥式电路、三个开关、两个滤波电容以及负载和电源组成。

所述电压外环滑模控制，采用线性PI 调节器利用d 轴电流对直流母线电压进行跟踪，构造以电压平方为控制量间接实现电压闭环的滑模控制策略，以提高系统的动态特性和稳态精度。

所述功率内环滑模控制采用指数趋近率设计滑模控制，用于减弱滑模变结构控制的抖振，为了消除系统状态变量与其参考值之间的误差，定义滑模控制器的输入为系统变量及其参考值之差。

本发明的有益效果是：算法的控制结构简单，运算量小，引入电压平方反馈使系统具有良好的动态电压跟踪效果。在系统启动和负载突变时，采用双闭环滑模控制既改善了系统响应速度，又提高了系统的抗干扰性能；同时双闭环滑模控制算法能满足系统的控制性能要求：网侧为单位功率因数，输入电流正弦度高且谐波含量低，输出直流电压稳定且纹波小等。因此，双闭环滑模控制具有良好的应用价值。

附图说明

图1 三相Vienna 整流器的拓扑结构。

图2 三相Vienna 整流器控制框图。

具体实施方式

图1中，每个双向开关由一个开关功率器件和四个二极管组成，结构如图1右半部所示；每只桥臂上存在上下两只快速恢复二极管（a相）。有功功率单方向从交流侧流到直流侧，而无功功率仅在交流侧流动，两者的耦合关系通过交流电感体现；直流电容在一个开关周期内不消耗功率，只提供稳定直流电压的作用；有功功率由直流电压的数值平方体现，电压外环的输出作为功率内环的有功给定值，无功给定值设定为零。

滑模控制器采用指数趋近率设计滑模控制器，用于减弱滑模变结构控制的抖振。通过合理选择参数，既可以保证滑动模态的动态品质，又可以减弱控制信号的高频抖振，让系统状态量以变速和指数两种速率趋向滑模面，提高趋近速率，当接近滑模面时，指数趋近律的速度接近为零，有效减小进入滑模面时的抖动。

根据整流器在静止α-β坐标系下的数学模型，经过同步旋转变换后，直流母线电压与电流和电流均相关，采用线性PI调节器利用d轴电流id对直流母线电压进行跟踪，构造以电压平方为控制量间接实现电压闭环的滑模控制策略，以提高系统的动态特性和稳态精度。

图2，根据检测到的三相电源电压和电流，利用在静止坐标系下的公式，估算求得瞬时有功和无功功率，外环控制的输出作为内环有功功率的给定值，无功给定设定为零，利用功率误差式求得，进行空间矢量调制。功率内环无需同步速旋转坐标变换和电网电压的相位信息,控制结构简单；电压外环的数值平方作为反馈量，其效果等效于增加直流增益，且不影响系统稳定性，经过放大的误差使电压快速跟随其给定值，加快系统的响应速度。