0 引言

    三相三線制Vienna整流器與傳統三電平PWM整流器相比，具有開關數量少、成本低，無需設置驅動死區時間、控制系統設計相對簡單，網側電流諧波含量低、正弦度高以及單位功率因數運行等優點，被廣泛應用到航空電源、車載與船舶電源等工業場所，在中壓高功率及對功率密度和成本有嚴格要求的工業場合具有良好應用前景^[1-3]。隨著Vienna整流器被國內外學者所關注，對其控制策略研究也逐步深入，主要研究有比例諧振控制、PI控制、單周期控制、滑模控制、無源控制、滯環控制等控制算法^[1-5]。在實際應用中，Vienna整流器常采用雙PI控制，該控制算法易于實現，但增加了參數整定和控制系統設計難度，且系統響應速度慢，穩定精度差^[6-7]，難以達到理想控制效果。文獻[1]、[4]、[5]提出了幾種復合控制策略，存在滑模面介紹過少、諧波分量過大、參數整定要求過高等問題。為提高控制系統動態和穩態性能，減少交流側電流諧波分量，對Vienna整流器控制策略研究變得越來越重要。

    近些年已有大量文獻成功將滑模變結構控制應用到整流器電壓外環控制中^[1，4，5]，并取得了良好效果；PR控制器在基波處增益大，能有效減少交流電流諧波分量，有不少文獻成功將其應用到整流器電流內環控制中^[7-8]，效果十分顯著。本文提出一種Vienna整流器的復合控制算法，電壓外環采用滑模變結構控制，電流內環采用QPR控制，改善系統穩態、動態性能，減少電流諧波分量^[8]。最后通過仿真與實驗來驗證QPR滑模復合控制策略在動態響應、穩態特性以及減少交流諧波分量等方面的優點。

1 Vienna整流器數學模型

    三相Vienna整流器拓撲結構如圖1所示。u_a、u_b、u_c為輸入電壓，i_a、i_b、i_c為輸入電流；L_a、L_b、L_c為濾波電感，大小為L；R_a、R_b、R_c為濾波電感等效電阻，大小為R；i_p、i_n分別為直流側正負向電流；i_dc為直流負載電流，R_L為直流負載；C_p、C_n分別為直流側上下電容，大小為C。

    兩相靜止坐標系下Vienna整流器數學模型為^[4]：

2 QPR滑模復合控制策略

    Vienna整流器控制目標主要為：整流器單位功率因數運行，交流電流正弦度好；直流輸出電壓保持穩定，且具有較好動態性能；上下電容電壓差為零。圖2為三相Vienna整流器QPR滑模控制策略控制框圖。

2.1 電壓外環滑模控制

    滑模控制具有響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單、容易實現、對精度要求低等優點，并能快速在預先設計的滑模面上切換控制狀態，被廣泛用于電力電子設備中^[4]。電壓外環采用滑模控制算法，可以保證直流電壓快速性、準確性和魯棒性，選取u_dc和i_q作為輸出變量，滑模面為：

    滑模控制器原理框圖如圖3所示，β₀取值為0.003，u_s為交流電壓有效值，C₀為上下電容之和。

    滑模控制器抖振消除是一個重要環節，目前常用趨近律法^[3-5]。抖振產生原因是系統狀態點到滑模面速度不為零，不能停在預先設計滑模面上。減弱抖振必須降低狀態點到達滑模面速度，同時為不增加到達滑模面用時，系統狀態點向滑模面運動時速度不宜過小，理想條件是初始速度較大，到達滑模面速度為零。

2.2 電流內環QPR控制

    本文在兩相靜止坐標系下采用QPR控制，能有效減小電流諧波分量，增加系統帶寬。在兩相靜止坐標系下采用QPR控制器，無需Park變換，簡化計算，節省存儲空間。PR控制器傳遞函數為^[3]：

    其中ω_c<<ω₀，增大ω_c可以降低頻率變化對PR控制器影響。QPR控制器性能由K_P、K_R和ω_c三個參數來決定。其中ω_c主要影響控制器帶寬，K_P主要影響控制器增益。ω_c和K_P對頻幅特曲線的影響如圖4所示。

3 仿真與實驗

3.1 仿真分析

    為驗證文中所提QPR滑模控制策略優越性和有效性，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，其參數如表1所示。

    圖5為系統啟動和負載擾動時直流側輸出電壓和輸入電流仿真波形圖。由圖可知，直流側電壓和輸入電流到達穩定值所需時間小于一個電網工頻周期，電壓超調值和穩定后紋波均很小，且直流側上下電容電壓近乎相等；通過動態仿真結果證明滑模控制方法可以提高系統響應速度，使系統快速到達穩定狀態。

3.2 實驗分析

    根據上述仿真模型搭建基于TMS320F2812DSP為核心控制器的實驗樣機，具體參數與表1相同。

    圖6為a相電壓和電流穩態波形圖。由圖可知，整流系統近似工作于單位功率因數狀態，且網側電流正弦化好。

    圖7為三相電流諧波分析圖。由圖可知，電流諧波含量為3.4%，低于5%。在基波頻率處增益較大，能實現該頻率下（設定為輸入側50 Hz）零穩態誤差跟蹤，消除網側電流與電壓之間相位延遲，降低整流器在穩定工作時誤差干擾，提高系統穩態性能。

    圖8為系統啟動時a相電流及直流電壓動態實驗波形圖。由圖可知，系統啟動時動態性能較好，直流電壓到達穩定耗時大約0.017 s。

    圖9為負載由70%到滿載運行（100%）時的電壓電流波形圖。由圖可知，輸出電壓約下降8 V，很快到達穩定狀態，僅耗時0.004 s。

    由以上分析可知，QPR滑模控制在單位功率運行、降低電流諧波分量、動態響應速度以及抗干擾能力等方面性能優良，驗證了QPR滑模復合控制策略在改善Vienna整流器系統性能方面的突出效果。

4 結論

    本文基于三相Vienna整流器提出電壓外環滑模控制和電流內環QPR相結合的復合控制策略，推導了復合控制器設計過程。最后，仿真和實驗結果表明：QPR滑模控制策略在降低網側電流諧波同時電流正弦度高；在系統啟動和負載擾動時，該復合控制策略能提高控制系統抗干擾能性和響應速度，使系統具有較好動態性能和魯棒性能。因此，本文所提出QPR滑模復合控制策略具有廣泛工程應用價值。

參考文獻

[1] 馬輝，謝運祥.基于滑模變結構的Vienna整流器新型雙閉環控制策略研究[J].電工技術學報，2015，30(12)：143-151.

[2] KOLAR J W，DROFENIK U.Current handling capability of the neutral point of a three-phase/switch/level boost-type PWM(VIENNA) rectifier[C].PESC Recovd.27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference，1996：1329-1336.

[3] 趙新，金新民，唐芬，等.基于改進型比例諧振調節器的并網逆變器控制[J].電工技術學報，2014(S1)：266-272.

[4] 馬輝，謝運祥，施澤宇，等.Vienna整流器滑模直接功率及中點電位平衡控制策略[J].電機與控制學報，2016，20(8)：10-16.

[5] Ma Hui，Xie Yunxiang，Sun Biaoguang，et al.Modeling and direct power control method of Vienna rectifiers using the sliding mode control approach[J].Journal of Power Electronics，2015，15(1)：190-201.

[6] 杭麗君，李賓，黃龍，等.一種可再生能源并網逆變器的多諧振PR電流控制技術[J].中國電機工程學報，2012，32(12)：51-58.

[7] 楊秋霞，梁雄國，郭小強，等.準諧振控制器在有源電力濾波器中的應用[J].電工技術學報，2009，24(7)：171-176.

[8] SILVA J F.Sliding-mode control of boost-type unity-poewr-factor PWM rectifiers[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999，46(3)：594-603.

作者信息:

馬  輝1，鄢圣陽1，王書征2，危  偉1

(1.湖北省微電網工程技術研究中心，湖北 宜昌443002；2.江蘇省配電網技術與裝備協同創新中心，江蘇 南京211167)