D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.0L.018 第30卷第1期 北京科技大学学报 Vol.30 No.1 2008年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2008 采用功率内环和电压平方外环的电压型PWM整流器 王久和）尹虹仁) 张金龙)李华德) 1)北京信息工程学院，北京1001012)北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要根据电压型PWM整流器在同步旋转g坐标系中建立的整流器功率控制数学模型，基于功率前馈解耦，解决了有功 功率和无功功率互为耦合问题·为克服整流器电流控制策略、直接功率控制策略及非线性控制策略的不足，提出了采用功率 内环、直流电压平方外环电压型PWM整流器的新控制策略。由于采用直流电压平方外环，提高了整流器直流电压跟踪和功 率跟踪能力，使系统具有响应快、稳定性好，抗负载扰动能力强及结构简单的优点，给出了系统控制器的设计方法·通过正常 负载及负载扰动情况下的计算机仿真，证明了新控制策略的可行性· 关键词PWM整流器：功率前馈解耦：功率控制：电压控制 分类号TM461 Three-phase voltage-type PWM rectifiers with inner power loop and outer voltage square loop WANG Jiuhe,YIN Hongren,ZHA NG Jinlong,LI Huade2) 1)Beijing Information Technology Institute,Beijing 100101.China 2)School of Information Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The independent control of instantaneous active power and reactive power is obtained based on the power control math- ematical model of voltagetype PWM rectifiers in synchronous dq coordinates and power feedforward decoupling.In order to overcome the defects of current control strategy.direct power control strategy and nonlinear control strategy for voltage-type PW M rectifiers.a new control strategy using inner power loop and outer voltage square loop is proposed.Good tracking properties of de voltage and pow- er of voltage"type PWM rectifiers are obtained by using the new strategy.The system using the new strategy has many advantages. such as fast response.good stability.load disturbance resistance,and simpler structure.The design method for a system controller is given.The new control strategy is proved feasible by Simulink simulation under nominal load and load disturbance. KEY WORDS PWM rectifier:power feedforward decoupling:power control:voltage control PWM整流器具有网侧电流低谐波、单位功率 构，利用开关表实现功率快速跟踪，具有结构、算法 因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优点，实 简单，动态响应快等优点；其不足是开关频率变化、 现了电能的“绿色变换”，PWM整流器控制策略有 网侧滤波器设计困难、电流谐波相对电流控制策略 多种，国内现行的控制策略主要有直接电流控 的大，非线性控制策略中精确反馈线性化控制策 制)、直接功率控制3及非线性控制策略101). 略，虽可使非线性系统变为线性系统，用线性系统的 直接电流控制策略采用了交流电流内环、直流电压 设计方法进行系统设计，可加速系统的响应，存在的 外环控制结构，具有网侧电流动态响应快的优点：其 问题是反馈控制律复杂、存在奇异点及对参数的鲁 不足是直流电压响应较慢、抗扰性较差.直接功率 棒性差，基于Lyapunov稳定理论的控制策略可保 控制策略采用功率滞回内环、直流电压外环控制结 证系统在大范围内干扰的情况下系统稳定，并有良 好的动态性能：问题在于求得使系统既稳定响应又 收稿日期：2006-09-30修回日期：2006-11-08 快的最佳能量函数的难度很大，对此，本文根据电 基金项目：北京市教育委员会科技计划重点项目/北京市自然科学 压型PWM整流器的数学模型，建立了整流器的功 基金重点项目(KZ200710772015):北京市属市管高等学校“拔尖创 新人才计划"资助项目(2006) 率控制数学模型，提出了基于功率解耦控制的电压 作者简介：王久和(1959一)：男，教授，博士 型PWM整流器控制策略，采用了功率内环、直流电
采用功率内环和电压平方外环的电压型 PWM 整流器 王久和1） 尹虹仁1） 张金龙1） 李华德2） 1） 北京信息工程学院北京100101 2） 北京科技大学信息工程学院北京100083 摘 要 根据电压型 PWM 整流器在同步旋转 dq 坐标系中建立的整流器功率控制数学模型基于功率前馈解耦解决了有功 功率和无功功率互为耦合问题．为克服整流器电流控制策略、直接功率控制策略及非线性控制策略的不足提出了采用功率 内环、直流电压平方外环电压型 PWM 整流器的新控制策略．由于采用直流电压平方外环提高了整流器直流电压跟踪和功 率跟踪能力使系统具有响应快、稳定性好、抗负载扰动能力强及结构简单的优点．给出了系统控制器的设计方法．通过正常 负载及负载扰动情况下的计算机仿真证明了新控制策略的可行性． 关键词 PWM 整流器；功率前馈解耦；功率控制；电压控制 分类号 T M461 Three-phase voltage-type PWM rectifiers with inner power loop and outer voltage square loop W A NG Jiuhe 1）Y IN Hongren 1）ZHA NG Jinlong 1）LI Huade 2） 1） Beijing Information Technology InstituteBeijing100101China 2） School of Information EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he independent control of instantaneous active power and reactive power is obtained based on the power control mathematical model of voltage-type PWM rectifiers in synchronous dq coordinates and power feedforward decoupling．In order to overcome the defects of current control strategydirect power control strategy and nonlinear control strategy for voltage-type PWM rectifiersa new control strategy using inner power loop and outer voltage square loop is proposed．Good tracking properties of dc voltage and power of voltage-type PWM rectifiers are obtained by using the new strategy．T he system using the new strategy has many advantages such as fast responsegood stabilityload disturbance resistanceand simpler structure．T he design method for a system controller is given．T he new control strategy is proved feasible by Simulink simulation under nominal load and load disturbance． KEY WORDS PWM rectifier；power feedforward decoupling；power control；voltage control 收稿日期：2006-09-30 修回日期：2006-11-08 基金项目：北京市教育委员会科技计划重点项目／北京市自然科学 基金重点项目（KZ200710772015）；北京市属市管高等学校“拔尖创 新人才计划”资助项目（2006） 作者简介：王久和（1959—）男教授博士 PWM 整流器具有网侧电流低谐波、单位功率 因数、能量双向流动及恒定直流电压控制等优点实 现了电能的“绿色变换”．PWM 整流器控制策略有 多种国内现行的控制策略主要有直接电流控 制［1—2］、直接功率控制［3—9］及非线性控制策略［10—13］． 直接电流控制策略采用了交流电流内环、直流电压 外环控制结构具有网侧电流动态响应快的优点；其 不足是直流电压响应较慢、抗扰性较差．直接功率 控制策略采用功率滞回内环、直流电压外环控制结 构利用开关表实现功率快速跟踪具有结构、算法 简单动态响应快等优点；其不足是开关频率变化、 网侧滤波器设计困难、电流谐波相对电流控制策略 的大．非线性控制策略中精确反馈线性化控制策 略虽可使非线性系统变为线性系统用线性系统的 设计方法进行系统设计可加速系统的响应存在的 问题是反馈控制律复杂、存在奇异点及对参数的鲁 棒性差．基于 Lyapunov 稳定理论的控制策略可保 证系统在大范围内干扰的情况下系统稳定并有良 好的动态性能；问题在于求得使系统既稳定响应又 快的最佳能量函数的难度很大．对此本文根据电 压型 PWM 整流器的数学模型建立了整流器的功 率控制数学模型提出了基于功率解耦控制的电压 型 PWM 整流器控制策略采用了功率内环、直流电 第30卷 第1期 2008年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．1 Jan．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．01．018
第1期 王久和等：采用功率内环和电压平方外环的电压型PWM整流器 .91. 压平方外环的控制结构，克服了直接电流控制、直接 系中瞬时有功功率和无功功率为： 功率控制及非线性控制策略的不足，具有系统响应 p=、3/2Umia 快、稳定性好、抗负载扰动能力强及结构简单的优 (2) g=、3/2Umig 点，计算机仿真证明了该策略的可行性 根据电压型PWM整流器在dg同步旋转坐标 1电压型PWM整流器功率控制模型 系中的数学模型式(1)及功率计算式(2)，可得以P、 1.1在dg两相同步旋转坐标系统中电压型PWM q为变量的功率控制数学模型： 整流器数学模型 L出=1.5Ua-Rp+Lq-Prd dt 电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所 (3) 示.图中a、6、u为三相对称电源相电压；ia、6、 dq=-Rg-oLp qrq dt e为三相线电流：Sa、S6、S。为整流器的开关函数， 3 S,定义为单极性二值逻辑开关函数，S;(j=a,b, 式中，p:= E Umu:ag=之Umg视为整 c)=1(上桥臂开关导通，下桥臂开关关断)，S,=0 流器的功率控制输入， (下桥臂开关导通，上桥臂开关关断)：U为直流电 若略去电阻R和主电路开关功率损失，根据功 压；R、L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧 率平衡，由式(1)可得： 电容；RL为负载；ura、山rb、ure为整流器的输入相电 压：红为负载电流，为建立数学模型作如下假设： p=ua=cu胎+层-专c+贵 (1)电源为三相对称正弦电压；(2)滤波电感是线 (4) 性的，且不考虑饱和：（③）开关为理想开关，无损耗， 式中，Ua=U 由式(4)可得 C(o)-得o5Ra币 (5) R 综合式(3)、(5)可得电压型PWM整流器的功率控 制系统结构如图2所示， 11.5U2 R+sL 0.5RC+1忘 L 图1电压型PWM整流器主电路 Fig.1 Power circuit of a three phase voltage type PWM rectifier . 由图1可得整流器在三相电压型PWM整流器 在dg两相同步旋转坐标系中的数学模型为： R+SL Ld=wRia十owli,-4d 图2电压型PWM整流器的功率控制模型 dt Fig.2 Power control model of a three phase voltage type PWM ree- db=4,-Ri,一Lia-ug (1) tifier 0c=ia-i让=(iasa十igSg)-R 由式（③）和图2可知，p、q是相互耦合的，给功 C dt 率控制造成了困难，由式(4)可知，直流电压由p决 式中，hrd=SaUde；urg=SgUd;urd、urg和Sd、Sg 定 分别为整流器输入电压矢量、开关函数在d、q上的 分量；a、g和ia、g为交流电源电压矢量、电流矢 2基于功率解耦控制的电压型PWM整流 量在d、q上的分量；在三相电源对称时，a= 器控制 √3/2Um,,=0,Um为电源相电压的幅值. 为实现三相电压型PWM整流器前馈功率解耦 1.2电压型PWM整流器功率控制数学模型 控制，将式(3)电压型PWM整流器在dg两相同步 在三相电源对称时，在dg两相同步旋转坐标 旋转坐标系中的功率控制模型变为如下形式：
压平方外环的控制结构克服了直接电流控制、直接 功率控制及非线性控制策略的不足具有系统响应 快、稳定性好、抗负载扰动能力强及结构简单的优 点．计算机仿真证明了该策略的可行性． 1 电压型 PWM 整流器功率控制模型 1∙1 在 dq 两相同步旋转坐标系统中电压型 PWM 整流器数学模型 电压型 PWM 整流器主电路拓扑结构如图1所 示．图中 ua、ub、uc 为三相对称电源相电压；ia、ib、 ic 为三相线电流；Sa、Sb、Sc 为整流器的开关函数 Sj 定义为单极性二值逻辑开关函数Sj （ j ＝ ab c）＝1（上桥臂开关导通下桥臂开关关断）Sj ＝0 （下桥臂开关导通上桥臂开关关断）；Udc为直流电 压；R、L 为滤波电抗器的电阻和电感；C 为直流侧 电容；RL 为负载；ur a、ur b、urc为整流器的输入相电 压；iL 为负载电流．为建立数学模型作如下假设： （1） 电源为三相对称正弦电压；（2） 滤波电感是线 性的且不考虑饱和；（3） 开关为理想开关无损耗． 图1 电压型 PWM 整流器主电路 Fig．1 Power circuit of a three-phase voltage-type PWM rectifier 由图1可得整流器在三相电压型 PWM 整流器 在 dq 两相同步旋转坐标系中的数学模型为： L d id d t ＝ ud— Rid＋ωL iq— ur d L d iq d t ＝ uq— Riq—ωL id— ur q C d Udc d t ＝ idc— iL＝（ idSd＋ iqSq）— Udc RL （1） 式中ur d＝ SdUdc；ur q ＝ SqUdc；ur d、ur q 和 Sd、Sq 分别为整流器输入电压矢量、开关函数在 d、q 上的 分量；ud、uq 和 id、iq 为交流电源电压矢量、电流矢 量在 d、q 上的分量；在三相电源对称时ud ＝ 3／2Umuq＝0Um 为电源相电压的幅值． 1∙2 电压型 PWM整流器功率控制数学模型 在三相电源对称时在 dq 两相同步旋转坐标 系中瞬时有功功率和无功功率为： p＝ 3／2Um id q＝ 3／2Um iq （2） 根据电压型 PWM 整流器在 dq 同步旋转坐标 系中的数学模型式（1）及功率计算式（2）可得以 p、 q 为变量的功率控制数学模型： L d p d t ＝1∙5U 2 m— Rp＋ωLq— pr d L d q d t ＝— Rq—ωL p—qr q （3） 式中pr d＝ 3 2 Um ur dqr q ＝ 3 2 Um ur q视为整 流器的功率控制输入． 若略去电阻 R 和主电路开关功率损失根据功 率平衡由式（1）可得： p＝ Udc idc＝CUdc d Udc d t ＋ U 2 dc RL ＝ 1 2 C d Ud d t ＋ Ud RL （4） 式中Ud＝ U 2 dc． 由式（4）可得 GL（ s）＝ Ud（ s） P（ s） ＝ RL 0∙5RL Cs＋1 （5） 综合式（3）、（5）可得电压型 PWM 整流器的功率控 制系统结构如图2所示． 图2 电压型 PWM 整流器的功率控制模型 Fig．2 Power control model of a three-phase voltage-type PWM rectifier 由式（3）和图2可知p、q 是相互耦合的给功 率控制造成了困难．由式（4）可知直流电压由 p 决 定． 2 基于功率解耦控制的电压型 PWM 整流 器控制 为实现三相电压型 PWM 整流器前馈功率解耦 控制将式（3）电压型 PWM 整流器在 dq 两相同步 旋转坐标系中的功率控制模型变为如下形式： 第1期 王久和等： 采用功率内环和电压平方外环的电压型 PWM 整流器 ·91·
.92 北京科技大学学报 第30卷 .1Bppp p 372UmU,S,=pg/、372 Um Ude:电压调节器 采用PI调节器，时间常数受负载控制 d4=-Rq-Lp-qq十gm L dt (6) 式中，pol、Pm2和qo为实现前馈功率解耦控制引入 的补偿项，取pml1=-lg,pm2=-1.5U品，gm= p,则可实现解耦 瞬时有功功率 PWM 无功功率计算 三相电压型PWM整流器前馈功率解耦控制结 构图如图3所示 1.5U1.5U 。 G(s) R+sL 图6采用功率内环和直流电压平方外环电压型PWM整流器 Fig.6 Three phase voltage type PWM rectifier with inner power loop and outer voltage square loop 3基于功率控制的电压型PWM整流器控 G,(s) R+sL 制器设计 图3前馈功率解耦控制结构图 3.1功率环设计 Fig.3 Diagram of power feedforward decoupling 由图4可知，有功功率和无功功率控制结构相 同，有G仰p(s)=Gpg(s),功率内环调节器采用PI 考虑PWM模块控制的小惯性，PWM模块控 调节器，其传递函数为： 制用小惯性环节来表示，KwM为桥路等效增益，T。 为延时.解耦后的功率控制结构如图4所示 Gp(s)=Kp (7) 功率环的开环传递函数为： (货 (8) G. 6尚 R+sL 令，=R,则有： 图4解耦后功率控制结构图 Gop(s)= KR Kp KPWM Fig.4 Control structural diagram after decoupling Rs(0.5T,s十1)s(0.5T,s+1(9) 设Gpp=p/pd,Gpg=q/qm分别为有功功 式中，Kp=R Kp KPWM 率、无功功率环的闭环传递函数.Pp由直流电压外 由式(9)可知功率环开环传递函数具有典型I 环提供，电压外环采用电压平方控制环，可增加功率 的形式，可按二阶最佳确定Kp: 控制能力，q取为0，实现单位功率因数，由图2 CR 和图3可得系统的控制结构如图5所示. Kp-2T.KRKPWM (10) 3.2电压环设计 电压调节器采用PI调节器，其传递函数为： Jnt Gope g a6k5 (11) 图5系统的控制结构 Fig.5 Control structure of a PWM rectifier system 则电压环开环传递函数为： K,RKm(工s十1) 采用功率内环和直流电压平方外环电压型 Gm=s(0.5LC+1)(s(0.5T.s十1)+Kp) PWM整流器控制系统如图6所示，图中Pra和qrg (12) 在PWM模块中首先生成Sa和Sg,Sa=Pra 令x,=0.5RLC,则有：
L d p d t ＝1∙5U 2 m— Rp＋ωLq— pr d＋ pco1＋ pco2 L d q d t ＝— Rq—ωL p—qr q＋qco （6） 式中pco1、pco2和 qco为实现前馈功率解耦控制引入 的补偿项取 pco1＝—ωLqpco2＝—1∙5U 2 mqco＝ ωL p则可实现解耦． 三相电压型 PWM 整流器前馈功率解耦控制结 构图如图3所示． 图3 前馈功率解耦控制结构图 Fig．3 Diagram of power feedforward decoupling 考虑 PWM 模块控制的小惯性PWM 模块控 制用小惯性环节来表示KPWM为桥路等效增益Ts 为延时．解耦后的功率控制结构如图4所示． 图4 解耦后功率控制结构图 Fig．4 Control structural diagram after decoupling 设 Gcp p ＝ p／prefGcp q ＝ q／qref 分别为有功功 率、无功功率环的闭环传递函数．pref由直流电压外 环提供电压外环采用电压平方控制环可增加功率 控制能力．qref取为0实现单位功率因数．由图2 和图3可得系统的控制结构如图5所示． 图5 系统的控制结构 Fig．5 Control structure of a PWM rectifier system 采用功率内环和直流电压平方外环电压型 PWM 整流器控制系统如图6所示．图中 pr d和 qr q 在 PWM 模 块 中 首 先 生 成 Sd 和 SqSd ＝ pr d／ 3／2Um UdcSq ＝ pr q／ 3／2Um Udc；电压调节器 采用 PI 调节器时间常数受负载控制． 图6 采用功率内环和直流电压平方外环电压型 PWM 整流器 Fig．6 Three-phase voltage-type PWM rectifier with inner power loop and outer voltage square loop 3 基于功率控制的电压型 PWM 整流器控 制器设计 3∙1 功率环设计 由图4可知有功功率和无功功率控制结构相 同有 Gcp p（ s）＝ Gcp q（ s）．功率内环调节器采用 PI 调节器其传递函数为： Gp（ s）＝ Kp τp s＋1 τp s （7） 功率环的开环传递函数为： Gop（ s）＝ Kp KPWM KR（τp s＋1） τp s（0∙5Ts s＋1）（τR s＋1） （8） 令 τp＝τR则有： Gop（ s）＝ KR Kp KPWM τR s（0∙5Ts s＋1） ＝ Kop s（0∙5Ts s＋1） （9） 式中Kop＝ KR Kp KPWM τR ． 由式（9）可知功率环开环传递函数具有典型Ⅰ 的形式可按二阶最佳确定 Kp： Kp＝ τR 2ξ2Ts KR KPWM （10） 3∙2 电压环设计 电压调节器采用 PI 调节器其传递函数为： Gv（ s）＝ Kv τv s＋1 τv s （11） 则电压环开环传递函数为： Gov＝ Kv RL Kop（τv s＋1） τv s（0∙5RL Cs＋1）（ s（0∙5Ts s＋1）＋ Kop） （12） 令 τv＝0∙5RL C则有： ·92· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 王久和等：采用功率内环和电压平方外环的电压型PWM整流器 93 1.375,x,=0.055s;电压调节器输出采用变限幅，限 Go- s[s(0.5T,s十1)十Kp] 幅值由负载变化确定 Ky Kop K=05C (13) 4.2系统仿真 按图6构建了采用功率内环和直流电压平方外 根据式(13)，按三阶最佳确定K,· 环电压型PWM整流器系统Simulink仿真模型，对 4 基于功率控制的电压型PWM整流器系 网侧交流电流、直流侧电压、瞬时有功功率和无功功 统仿真 率进行了仿真.正常负载(h1=502)仿真结果如图 7所示，负载由502突变为25Ω仿真结果如图8所 4.1仿真参数 示，负载由50Ω突变为75Ω仿真结果如图9所示， 己知参数：交流侧相电压有效值220V,L=16 负载由752突变为25Ω仿真结果如图10所示，由 mH,R=0.32:直流侧给定电压520V,C=2200 以上各图可以看出，采用功率内环和直流电压平方 ℉，额定负载hL=50:PWM开关频率2.5kz, 外环电压型PWM整流器可实现单位功率因数、网 T.=0.0004s 侧电流正弦化、直流电压恒定控制，且具有较强的抗 设计参数：K。=0.8,T=0.05333s,K,= 负载扰动能力 600 600 400 80 400 400 200 40 300 300 0 200 200 10 100 -200 40 0 400 0.1 02 0.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 6 时间/s 时间s (a)直流电压UU b)交流电压“、交流电流1 15 o 10 P 9 0 0 5 -1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 时间/s (c)瞬时功率p、g 图7在RL=50D情况下PWM整流器仿真 Fig.7 Simulation of a PWM rectifier at RL-50 600 600 400 0 9 0 500 400 200 40 300 300 0 0 200 100 -200 40 8 400 80 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.6 0.1 02 0.3 0.4 0.5 0.6 时间s 时间s (a)直流电压UU (b)交流电压“、交流电流1 15 15 10 Pre 10 5 0 0 5 -5 -10 0 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.610 时间5 (⊙)瞬时功率p、q 图8负载从50D突变为25n时PWM整流器仿真 Fig-8 Simulation of a PWM rectifier under load from 500 to 25
Gov＝ Kov s［ s（0∙5Ts s＋1）＋ Kop ］ Kov＝ Kv Kop 0∙5C （13） 根据式（13）按三阶最佳确定 Kv． 4 基于功率控制的电压型 PWM 整流器系 统仿真 4∙1 仿真参数 已知参数：交流侧相电压有效值220VL ＝16 mHR＝0∙3Ω；直流侧给定电压520VC＝2200 μF额定负载 RL＝50Ω；PWM 开关频率2∙5kHz Ts＝0∙0004s． 设计参数：Kp ＝0∙8τp ＝0∙05333sKv ＝ 1∙375τv＝0∙055s；电压调节器输出采用变限幅限 幅值由负载变化确定． 4∙2 系统仿真 按图6构建了采用功率内环和直流电压平方外 环电压型 PWM 整流器系统 Simulink 仿真模型．对 网侧交流电流、直流侧电压、瞬时有功功率和无功功 率进行了仿真．正常负载（ RL＝50Ω）仿真结果如图 7所示负载由50Ω突变为25Ω仿真结果如图8所 示负载由50Ω突变为75Ω仿真结果如图9所示 负载由75Ω突变为25Ω仿真结果如图10所示．由 以上各图可以看出采用功率内环和直流电压平方 外环电压型 PWM 整流器可实现单位功率因数、网 侧电流正弦化、直流电压恒定控制且具有较强的抗 负载扰动能力． 图7 在 RL＝50Ω情况下 PWM 整流器仿真 Fig．7 Simulation of a PWM rectifier at RL＝50Ω 图8 负载从50Ω突变为25Ω时 PWM 整流器仿真 Fig．8 Simulation of a PWM rectifier under load from 50Ωto25Ω 第1期 王久和等： 采用功率内环和电压平方外环的电压型 PWM 整流器 ·93·
94 北京科技大学学报 第30卷 600 600 400 80 5 500 200 40 88 400 300 20 200 200 100 00 40 0 400 80 0.1 0.20.3 0.4 0.5 08 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 时间/s 时间s (a)直流电压UaU (b)交流电压“、交流电流1 15 10 10 0 0 -5 -5 100 0.10.20.30.40.5 0610 时间s (c)瞬时功率p、q 图9负载从50Ω突变为75Q时PWM整流器仿真 Fig-9 Simulation of a PWM rectifier under load from 500 to 75 500 600 400 80 500 400 400 200 40 1 300 0 200 100 100 200 40 -400 0 0.1 020.30.4 0.5 0 0.1 0.20.3 0.4 0.5 0.6 时间s 时间s (a)直流电压UkUa (b)交流电压u、交流电流1 15 15 10 10 0 0 gres 5 -5 -10 -10 0 0.10.20.30.40.5 0. 时间s (©)瞬时功率p、9 图10负载从75Q突变为25n时PWM整流器仿真 Fig.10 Simulation of PWM rectifier under load from 750 to 25 China Machine Industry Press.2003 5结论 (张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制.北京：机械工业出版 社，2003) 根据电压型PWM整流器的功率控制数学模 [2]Wang Y.Zhang C J.Chen H M.A new phase and amplitude 型，提出了基于功率解耦控制的功率内环、直流电压 control strategy and mat model of three phase voltage rectifier. 平方外环的新控制策略，由于内环为瞬时功率控 Proc CSEE,2003,23(11):85 制，更具本质控制，可实现单位功率因数，又实现了 (王英，张纯江，陈辉明.三相PWM整流器新型相位幅值控制 对电流的控制；外环为直流电压平方控制，既实现了 数学模型及其控制策略.中国电机工程学报，2003,23(11)： 85) 直流电压的快速跟踪，又易于与功率内环协调控制 [3]Noguchi T.Tomiki H,Kondo S,et al.Direct power control of 新控制策略克服了电流控制、直接功率控制及非线 PWM converter without power-source voltage sensors.IEEE 性控制策略的不足：具有系统响应快、稳定性好、抗 Trans Ind Appl,1998,34(3):473 负载扰动能力强及结构简单的优点，计算机仿真证 [4]Wang J H.Li H D.Li Z X.Direct power control technology of 明了新控制策略的可行性， three phase boost type PWM rectifiers.Ado Technol Electri Eng Energy,2004,23(3):64 (王久和，李华德，李正熙.电压型PWM整流器直接功率控制 参考文献 技术.电工电能新技术，2004,23(3)：64) [1]Zhang C W.Zhang Y.PWM Rectifier and Its Control.Beijing: [5]Wang J H.Li H D.Yang L.Direct power control of three phase
图9 负载从50Ω突变为75Ω时 PWM 整流器仿真 Fig．9 Simulation of a PWM rectifier under load from 50Ωto75Ω 图10 负载从75Ω突变为25Ω时 PWM 整流器仿真 Fig．10 Simulation of PWM rectifier under load from 75Ωto25Ω 5 结论 根据电压型 PWM 整流器的功率控制数学模 型提出了基于功率解耦控制的功率内环、直流电压 平方外环的新控制策略．由于内环为瞬时功率控 制更具本质控制可实现单位功率因数又实现了 对电流的控制；外环为直流电压平方控制既实现了 直流电压的快速跟踪又易于与功率内环协调控制． 新控制策略克服了电流控制、直接功率控制及非线 性控制策略的不足；具有系统响应快、稳定性好、抗 负载扰动能力强及结构简单的优点．计算机仿真证 明了新控制策略的可行性． 参 考 文 献 ［1］ Zhang C WZhang Y．PW M Rectifier and Its Control．Beijing： China Machine Industry Press2003 （张崇巍张兴．PWM 整流器及其控制．北京：机械工业出版 社2003） ［2］ Wang YZhang C JChen H M．A new phase and amplitude control strategy and mat model of three-phase voltage rectifier． Proc CSEE200323（11）：85 （王英张纯江陈辉明．三相 PWM 整流器新型相位幅值控制 数学模型及其控制策略．中国电机工程学报200323（11）： 85） ［3］ Noguchi TTomiki HKondo Set al．Direct power control of PWM converter without power-source voltage sensors． IEEE T rans Ind Appl199834（3）：473 ［4］ Wang J HLi H DLi Z X．Direct power control technology of three-phase boost type PWM rectifiers．A dv Technol Electri Eng Energy200423（3）：64 （王久和李华德李正熙．电压型 PWM 整流器直接功率控制 技术．电工电能新技术200423（3）：64） ［5］ Wang J HLi H DYang L．Direct power control of three-phase ·94· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第1期 王久和等：采用功率内环和电压平方外环的电压型PWM整流器 .95. boosttype PWM rectifiers with the dead zone of sector borders.J 2006,36(1).9 Univ Sci Technol Beijing.2005,27(3):380 (李正熙，王久和，李华德.电压型PWM整流器非线性控制策 (王久和，李华德，杨立永设置扇形边界死区的电压型PWM 略综述.电气传动，2006,36(1).9) 整流器直接功率控制·北京科技大学学报，2005,27(3)：380) [10]Komureigil H.Kukrer 0.Lyapunoy-based control for three- [6]Wang J H.Li H D.A new direct power control strategy of three phase PWM AC/DC voltage source converters.IEEE Trans phase boost type PWM rectifiers-Proe CSEE.2005.25(16):47 Power Electron,1998.13(5):801 (王久和，李华德.一种新的电压型PWM整流器直接功率控制 [11]Lee D C.Advanced nonlinear control of three-phase PWM recti- 策略，中国电机工程学报，2005,25(16)：47) fiers-IEE Proc Electr Power Appl.000,147(5):361 [7]Wang J H.Yin H R.Zhang J L.et al.Study on power decou- [12]Deng W H.Zhang B.Qiu D Y.The Research of decoupled pling control of three phase voltage source PWM rectifiers/CES/ state variable feedback linearization control of three phase voltage IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control source PWM rectifier.Proc CSEE.2005,25(7):97 Conference.Shanghai.2006:401 (邓卫华，张波，丘东元，三相电压型PWM整流器状态反馈 [8]Escobar G.Stankovic A M.Carraso J M.et al.Analysis and de- 精确线性化解耦控制研究.中国电机工程学报，2005,25(7)： sign of direct power control (DPC)for a three phase synchronous 97) rectifier via output regulation subspaces.IEEE Trans Power [13]Lee D C,Lee G M,Lee K D.DC-bus voltage control of three- Electron,2003,18(1):823 phase AC/DC PWM converter using feedback linearization. [9]LiZ X.Wang J H.Li H D.Review on nonlinear control strate- IEEE Trans Ind Appl.2000.36(3):826 gies of three phase boost type PWM rectifiers.Electric Drive. (下期预告) 数据挖掘在安钢电极预测建模中的应用 郭飞李华德冉正云 从安钢电极控制的实际应用出发，应用数据挖掘技术建立了电极预测模型并应用于电极控制系统的参 数整定，首先介绍了建立电极预测模型的数据挖掘过程；然后在数据挖掘算法中提出了一种新的变结构遗 传Elman网络方法，该算法用改进的混合遗传算法对网络结构和权值及自反馈增益同步动态寻优，将基于 BP算法的Elman网络和本文提出的变结构遗传Elman网络都应用于安钢交流电弧炉的电极预测模型中进 行比较，通过基于安钢现场数据的计算机仿真实验表明：采用变结构遗传Elman网络的数据挖掘算法比BP 算法具有更好的动态性能、更快的逼近速度和更高的精度.在此基础上，把建立的模型应用于安钢电极控制 系统的参数整定，取得了良好的控制效果
boost-type PWM rectifiers with the dead zone of sector borders．J Univ Sci Technol Beijing200527（3）：380 （王久和李华德杨立永．设置扇形边界死区的电压型 PWM 整流器直接功率控制．北京科技大学学报200527（3）：380） ［6］ Wang J HLi H D．A new direct power control strategy of three phase boost type PWM rectifiers．Proc CSEE200525（16）：47 （王久和李华德．一种新的电压型 PWM 整流器直接功率控制 策略．中国电机工程学报200525（16）：47） ［7］ Wang J HYin H RZhang J Let al．Study on power decoupling control of three phase voltage source PWM rectifiers∥ CES／ IEEE5th International Power Electronics and Motion Control Conference．Shanghai2006：401 ［8］ Escobar GStankovic A MCarraso J Met al．Analysis and design of direct power control （DPC） for a three phase synchronous rectifier via output regulation subspaces． IEEE T rans Power Electron200318（1）：823 ［9］ Li Z XWang J HLi H D．Review on nonlinear control strategies of three phase boost type PWM rectifiers．Electric Drive 200636（1）：9 （李正熙王久和李华德．电压型 PWM 整流器非线性控制策 略综述．电气传动200636（1）：9） ［10］ Kömürcügil HKükrer O．Lyapunov-based control for threephase PWM AC／DC voltage-source converters． IEEE T rans Power Electron199813（5）：801 ［11］ Lee D C．Advanced nonlinear control of three-phase PWM rectifiers．IEE Proc Electr Power Appl2000147（5）：361 ［12］ Deng W HZhang BQiu D Y．The Research of decoupled state variable feedback linearization control of three-phase voltage source PWM rectifier．Proc CSEE200525（7）：97 （邓卫华张波丘东元．三相电压型 PWM 整流器状态反馈 精确线性化解耦控制研究．中国电机工程学报200525（7）： 97） ［13］ Lee D CLee G MLee K D．DC-bus voltage control of threephase AC／DC PWM converter using feedback linearization． IEEE T rans Ind Appl200036（3）：826 （下期预告） 数据挖掘在安钢电极预测建模中的应用 郭 飞 李华德 冉正云 从安钢电极控制的实际应用出发应用数据挖掘技术建立了电极预测模型并应用于电极控制系统的参 数整定．首先介绍了建立电极预测模型的数据挖掘过程；然后在数据挖掘算法中提出了一种新的变结构遗 传 Elman 网络方法该算法用改进的混合遗传算法对网络结构和权值及自反馈增益同步动态寻优．将基于 BP 算法的 Elman 网络和本文提出的变结构遗传 Elman 网络都应用于安钢交流电弧炉的电极预测模型中进 行比较．通过基于安钢现场数据的计算机仿真实验表明：采用变结构遗传 Elman 网络的数据挖掘算法比 BP 算法具有更好的动态性能、更快的逼近速度和更高的精度．在此基础上把建立的模型应用于安钢电极控制 系统的参数整定取得了良好的控制效果． 第1期 王久和等： 采用功率内环和电压平方外环的电压型 PWM 整流器 ·95·
