研究背景

三相电压型PWM整流器可实现网侧电流正弦化、单位功率因数运行、能量双向传输，真正实现了“绿色电能变换”。在PWM整流器的应用中，负载变化一般较剧烈，传统双闭环PI控制虽能获得理想的稳态性能，但因其在控制系统结构上固有不足及PI调节的滞后性，动态过程中直流电压会出现较大的偏差，不利于系统高品质运行。

在双闭环控制基础上加入负载电流前馈控制是提高PWM整流器抗负载扰动动态性能的主要方法。这里结合PWM整流器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，给出了PWM整流器双闭环PI控制系统结构图，从控制角度分析了双闭环PI控制在克服负载扰动方面的不足，具体设计了负载扰动前馈补偿器。分析表明，理论上可达到对负载扰动完全补偿的动态前馈补偿器在实际系统中难以实现，为简化问题，得到了静态前馈补偿器表达式，分析了负载电流前馈控制策略的补偿机理及影响静态前馈补偿效果的因素。最后用实验验证了理论分析的正确性并提出了进一步提高PWM整流器抗负载扰动动态性能的方法。

PWM整流器负载电流前馈控制

为提高 PWM 整流器对负载电流扰动的克服能力，可在原有双闭环控制系统结构基础上加入负载电流前馈控制。设电流环闭环传递函数为 W_ci(s)，前馈补偿器传递函数为G_f(s)，因前馈补偿器的输出作为电流环给定值的一部分，则加入负载电流前馈控制后，电压环结构如图2所示。

在实际系统中，由于PWM整流器主电路中L，R等参数的非线性及时变特征，难以精确确定W_ci(s)的表达式，且因W_ci(s)分母阶次大于分子 阶次。为简化问题，考虑到PWM整流器电流环的响应速度快，同时因电流环采用了PI调节，电流响应无静差，若忽略电流环调节延迟而近似认为电流环闭环传递函数W_ci(s)=1，则有

加入I_L静态前馈控制后电压环结构如图3所示。结合图3可知，因PWM整流器电流内环的响应速度比电压外环快得多，加入I_L前馈控制后，当I_L变化时，经前馈作用，有功电流的给定值i_d*迅速改变，通过电流环的快速调节，id及I_dc迅速变化以补偿I_L的变化，大大减小了I_L变化对U_dc的影响。按上式确定的前馈补偿器极易实现，但由于仅实现了对负载扰动的静态补偿，在负载扰动很剧烈的场合，U_dc仍有较明显的动态偏差，当C大小一定时，U_dc动态偏差的大小主要取决于电流环调节延迟大小。扰动前馈补偿的引入并不影响原闭环系统的稳定性，而闭环控制的存在又降低了对负载电流检测精度和前馈补偿器精度的要求。

研究结论

结合三相电压型PWM整流器在两相同步旋转d，q坐标系下数学模型，建立了PWM整流器双闭环PI控制系统结构图，设计了负载扰动前馈补偿器。分析了动态前馈补偿器在实现上存在的困难，得到了简化后的静态前馈补偿器。实验结果表明，负载电流的静态前馈补偿可显著改善抗负载扰动动态性能。在负载剧烈变化或对PWM整流器抗负载扰动动态性能要求很高的场合，可通过以下方法在静态前馈补偿的基础上进一步提高PWM整流器的抗负载扰动动态性能：①提高电流环调节的快速性，该方法可通过适当调整电流环PI调节器参数或适当减小PWM整流器交流侧电感大小来实现；②估测电流环延迟的大小，在前馈补偿器中适当加入能抑制高频噪声的负载电流的微分项以近似抵消电流环调节的延迟。