一種基于前饋控制的平均電流控制方案

摘要：

在傳統(tǒng)平均電流控制電壓環(huán)路基礎(chǔ)上，提出了一種基于前饋控制的平均電流控制方案，電壓環(huán)加入負載前饋控制和電網(wǎng)電壓前饋控制，減小直流側(cè)電壓超調(diào)量；電流環(huán)采用誤差迭代PI算法，實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，優(yōu)化三相VIENNA整流器的動態(tài)響應(yīng)。所提出的負載前饋變量僅在負載階躍時更新，在穩(wěn)態(tài)時保持恒定。另外，本文對頻域響應(yīng)特性進行分析并通過仿真加以驗證。

0 引言

隨著半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，高性能的整流拓撲也應(yīng)運而生，VIENNA整流器由于其高效的三級結(jié)構(gòu)而被提出，并廣泛應(yīng)用于電動汽車、航空航天等要求功率因數(shù)較高且線路電流諧波失真較低的場合。

傳統(tǒng)平均電流控制穩(wěn)定性好，電壓外環(huán)用于調(diào)節(jié)輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)按電壓外環(huán)輸出的電流指令控制狀態(tài)空間平均電感電流，使電流快速跟蹤電壓相位[1]。這種控制方案雖然可以獲得單位功率運行且總諧波失真較低，但是PI環(huán)節(jié)控制器運算量大，導(dǎo)致輸出電壓動態(tài)響應(yīng)較差。當負載突增時，會導(dǎo)致輸出電壓偏移，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。

目前，優(yōu)化VIENNA整流器平均電流控制的動態(tài)性能的方法主要有以下幾種。文獻[2]提出一種新型的電流前饋平均電流控制模式，推導(dǎo)低通濾波器的增益來加快電壓環(huán)響應(yīng)，但網(wǎng)側(cè)電壓不穩(wěn)定時，濾波器的設(shè)置比較困難；文獻[3]采用直接功率控制提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但是計算較為復(fù)雜；文獻[4]提出了基于擾動觀測器的前饋控制，在負載波動或是網(wǎng)側(cè)電壓波動時表現(xiàn)出良好的動態(tài)性能。

本文在傳統(tǒng)平均電流控制的基礎(chǔ)上加入前饋控制策略，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)性能。提出的前饋控制計算中需要對負載電流采樣，繼而求出前饋變量值。同時，采用誤差迭代PI算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI算法，以實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)無靜差調(diào)節(jié)。

1 傳統(tǒng)平均電流模式控制

圖1為三相VIENNA整流器等效模型，功率器件僅承受一半輸出電壓，為高壓輸出提供了可能。傳統(tǒng)的平均電流控制框圖如圖2所示。圖中，輸出電壓u0與參考值m，當負載變化時，um值也相應(yīng)改變，以平衡輸入輸出功率。

從暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于um的變化率。um變化率降低會導(dǎo)致負載階躍時系統(tǒng)從失衡狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間較長。

2 基于前饋控制的平均電流控制

圖中，Zeq(s)為等效輸出阻抗，Gev(s)為PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，GDSP(s)為延時模塊，表達式如下：

2.1 前饋項的求解

假設(shè)VIENNA整流器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)下，且忽略交流側(cè)電感及整流橋自身損耗。

網(wǎng)側(cè)電流表達式如式(4)所示：

2.2 誤差迭代PI算法

為了克服傳統(tǒng)PI控制器跟蹤電流參考指令存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷，電流內(nèi)環(huán)控制采用誤差迭代PI控制算法，保證輸出電流對參考電流的跟蹤誤差趨于0，以消除靜態(tài)誤差。

為了推導(dǎo)方便，直接摘錄文獻[9]中的簡化算法：

式中，ir(τ)為τ時刻的輸出電流， e(τ)為τ時刻的誤差采樣值。繼而，可求得誤差迭代PI算法中輸出到誤差采樣的傳遞函數(shù)：

由式(15)可見，閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅值為1，相位移等于0，可以保證系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。

2.3 前饋控制策略

將前饋控制引入三相VIENNA整流器，以衰減因負載階躍導(dǎo)致的電壓u0過沖，控制方案如圖4所示。

在不同的擾動情況下，前饋變量值uff[n]可以預(yù)測um的值，減小u0的偏移。當發(fā)生第n次負載階躍時，uff[n]可由式(16)預(yù)測：

然而，當um0添加到uff[n]后將會導(dǎo)致um預(yù)測出現(xiàn)偏差。為此，在檢測到負載階躍時需要清空um0的值，所以在脈沖信號之前需要添加一個檢測模塊。

2.4 負載階躍檢測

本文通過數(shù)字算法實現(xiàn)負載階躍檢測過程，如圖5所示。

該數(shù)字算法流程圖相當于一個滯環(huán)比較器，為了防止預(yù)測出現(xiàn)偏差，需要保證系統(tǒng)只在負載階躍的時刻進行檢測。當I0[n]與I0[n-1]之間偏差超過Is時，便設(shè)置階躍信號，同時輸出I0[n]。另外，利用計數(shù)器作為檢測算法中的計時器，開關(guān)頻率為250 kHz，間隔頻率為100倍的開關(guān)頻率。

3 仿真分析

為了驗證所提出的的前饋控制方案的可行性，本文在Saber環(huán)境下搭建了基于前饋控制的VIENNA整流器仿真模型。配置系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)交流輸入電壓220 V/50 Hz；輸出電壓360 V；開關(guān)管的開關(guān)頻率250 kHz；濾波電感90 μH；輸入電容225 μF。

圖6為有前饋和無前饋作用下母線電壓的瞬時響應(yīng)波形圖。20 ms時加入電網(wǎng)波動，0.12 s時加入負載突變?？梢姡尤肭梆?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/8966/" target="_blank">控制系統(tǒng)使得系統(tǒng)的動態(tài)性能顯著提高。

4 實驗驗證

根據(jù)上述控制策略及分析結(jié)果搭建了一臺基于TMS320F2808數(shù)字處理器的三相VIENNA整流器實驗樣機。

圖7為無前饋控制下，電網(wǎng)電壓從100%→60%→100%，繼而輸出側(cè)功率從2 kW→3 kW情況下輸出測的響應(yīng)波形。圖8為加入前饋控制情況下響應(yīng)波形。

從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的控制方式相比，帶有前饋補償控制策略的系統(tǒng)能在電網(wǎng)波動或負載階躍時及時響應(yīng)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)平均電流控制電壓環(huán)的基礎(chǔ)上加入前饋補償環(huán)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)采用誤差迭代PI控制。設(shè)計負載檢測環(huán)節(jié)來保證只檢測負載階躍時刻。穩(wěn)態(tài)和負載輕微波動的情況下，不會觸發(fā)負載前饋計算。由于計算過程僅發(fā)生在暫態(tài)，所以這種控制策略不會增加計算復(fù)雜度。仿真和實驗驗證了加入前饋控制可改善系統(tǒng)動態(tài)性能。