Design and Simulation of Three-Level PWM Rectifier Based
on the Double Closed Loop
Zhao Zhi-wang
(The 71366 Army,  Xiaogan 432900,China)
Abstract:The model of three-level PWM rectifier is usually designed based on the double closed loop control system with voltage outer and current inner loops. The voltage outer loop decides the valueof three-level PWM rectifier output and the direction of three-phase current reference signal. And the current inner loop tracks the given current. This paper mainly studies the three-level PWM rectifier system design and simulation. The results show that the designed double closed loop system has good performance and there is a marked improvement in dynamic response.
Key words:three-level; PWM rectifier; decoupling; double closed loop
        由于全控器件的不连续性以及系统模型的电流耦合性,给系统设计带来了困难。因此,本文首先对三电平PWM整流器进行解耦,得到d-q旋转坐标系中的电流解耦模型。
       其次,三电平PWM整流器系统的控制有多种方式,其中双闭环控制系统由于控制结构简单、控制性能优良等优点被广泛应用。本文根据三电平PWM整流器系统设计要求,提出了较为可行的双闭环系统设计方案并进行仿真验证。
1   数学模型
       二极管箝位三电平PWM整流器拓扑如图1所示。

       经过坐标变换,三电平PWM整流器在d-q坐标系下的数学模型[1]可以描述为

式中 p=d/dt 是微分算子,id和iq是网侧电流在d-q坐标系下的分量。可以看出PWM整流器在d-q坐标系下的变量相互耦合,给控制器的设计造成一定的困难,为此采用解耦控制策略,控制方程[2]见式(2),解耦后如图2所示

     式中:Ud*,Uq*,id*,iq*分别为d-q坐标系下电压和电流给定;Kdp,Kdi,Kqp和Kqi为调节器系数。
     

2   双闭环控制系统调节器设计
       (1)电流调节器设计
       解耦后的电流内环简化结构如图3所示。

       根据二阶最佳整定法,在一般情况下,希望电流超调量σi<5%[3],取ξ=0.707[4],此时电流截止频率为ωci=KI=1/(2Ts)。进一步求出PI调节器的Kip和Ti。

         (2)电压外环调节参数设计
         电压外环控制结构图的近似等效如图4所示。

        降阶后的电压外环开环传递函数[5]为
        根据公式(6)和(7)可解得电压调节器的比例参数Kpv。

       3   仿真研究
      利用Matlab对系统进行了仿真,并验证双闭环系统调节器整定方法的可行性。
       图5给出了仿真结果。其中,图5(a)为网侧相电压(ea)、电流(ia)仿真波形,在0.135s时负载突然由半载加到满载,在0.25s时电路工作在能量回馈模式。可以看出:电压电流相位一致,经计算功率因数在0.99以上。图5(b)给出了直流母线电压(Udc)波形。可以看出:在突加负载情况时,会引起母线电压的跌落(18V)。

      4   结束语
      三电平PWM整流器电压内环采用典型I型系统调节方式进行的调节器参数整定对系统电流具有较快的跟踪能力,而电压外环通过“振荡指标法”得到的系统响应不仅能够满足系统设计要求,而且相比采用其他常用调节系统具有更好的抗扰动性能,动态响应也得到了明显的改善。
参考文献
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[3]李友善主编,自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,1980.
[4]Malinowski M, Kazmierkowski M P, Blaabjerg F.Virtual flux based direct power control of three phase PWM rectifiers.IEEE Transactions on Industry Applications,2001 37(4):1019-1027.
[5] 张颖超.中点箝位三电平双PWM变频器控制技术研究.清华大学工学博士学位论文,2008,47-49.

作者简介
赵志旺 (1982-),男。硕士,工程师。河北南宫人。研究方向:电力电子及电力传动

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