摘要:针对滑模电流控制算法的抖振问题,将滞环空间矢量(SVPWM)算法与滑模电流控制算法相结合,论证了将两种控制算法结合的可能性和必要性。提出以误差电流矢量的模为切换标准、按不同控制阶段的不同控制要求交替使用滞环SVPWM算法和滑模电流控制的双滞环SVPWM算法。新算法提高了滞环SVP-WM算法的快速性,同时避免了滑模电流控制带来的抖振问题。通过仿真证明了该算法的可行性。
关键词:PWM整流器;SVPWM;滑模变结构控制
三相电压型整流器(VSR)由于具有电能双向传输、网侧功率因数可控、低谐波污染等特点,被广泛用于各种功率应用场合。随着对变流器动态性能和抗扰能力要求的不断提高,国内外学者作了大量的研究工作。不仅从VSR的拓扑结构上对其性能进行改善,而且提出许多新颖的、先进的控制方案,如滑模控制[1]、神经网络控制和鲁棒控制等,对变流器作进一步的完善。
本文通过比较和分析滞环SVPWM控制算法和滑模电流控制算法中的空间电压矢量[2]切换规律,揭示电压矢量切换规律与所达到的控制效果之间的关系,论证了两种算法间互补性的存在。并在此基础上提出以误差电流矢量的模为切换标准、按不同控制阶段的不同控制要求交替使用滞环SVPWM算法和滑模电流控制的优化的SVP-WM算法。
就三相VSR SVPWM电流控制而言,主要分成两大类:一类是通过VSR空间电压矢量合成指令电压矢量,以达到电流控制的目的;另一类则是将滞环控制与SVPWM控制相结合,通过VSR空间电压矢量的实时切换,使电流误差被限制在一个给定滞环内,从而获得电流的高品质控制。本文讨论的SVPWM算法属于后者。
滑模控制又称变结构控制,以其鲁棒性强的特点为广大学者关注。另外,动态响应快也是滑模控制的突出优点。对于电力电子变流装置,如PWM整流器等,由于本身的变结构及参数时变性,采用滑模控制可望取得良好的动态性能[5]。滑模控制的基本要求可概括为:1)存在性:适当选择滑模函数S,使控制系统在滑模面S=0上的运动渐近稳定,且动态性能较好;2)可达性:确定控制作用μ,使所有运动轨迹于有限时间内到达滑模面。
通过比较上述两种控制原理发现:尽管两者的控制思想不同,但是得到的控制规律之间却存在着很多相似之处。归纳为如下3个方面。
1)控制的最终实现都是通过空间电压矢量的切换。滞环SVPWM算法是基于空间电压矢量的切换,而不是一般的SVPWM的用电压矢量合成指令电压矢量。所以滞环SVPWM在这一点上与滑模电流控制是相同的。
2)滞环SVPWM中的ΔI与滑模控制中的滑模面S之间有着对应关系。滞环SVPWM中,ΔI=I*-I,代表指令电流与实际电流之间的误差。而在滑模控制中,将滑模面S定义为:Sd=Id-I*dSq=Iq-I*q,因为是基于两项旋转坐标,所以分为了两个式子,而就其物理意义来讲ΔI与S的含义是一样的。
3)滞环SVPWM的控制规则与滑模控制可达性条件间的关系:SVPWM选择空间电压矢量Vk的规则是:使其对应的LdΔIdt具有与误差电流矢量ΔI方向相反的最小分量;而滑模控制可达性条件sgn(μd-μeqd)=sgn(Sd),同样是要求控制量要与电流误差具有相反的符号(方向)。
4.2 两种控制算法间的区别
1)滞环SVPWM算法的规则2规定:当Δ较小时,保持原空间电压矢量切换。这一点是保证系统在稳态时开关频率低的主要原因。而滑模控制没有对应的规则,所以当滑模控制的整流系统接近稳态时,开关状态切换的频率明显提高,这就是所谓的滑模控制的抖振问题。
2)滑模控制动态性能好,与其等效控制μeq的作用是有一定关系的。μeq一方面反映了给定的变化,另一方面又影响着控制量μ的选择,从而使得控制量的选择能够更加快速而直接地反映出给定的变化。而滞环SVPWM的规则是固定的,机动性差,所以其快速性不如滑模控制。以上分析了两种控制算法的联系与区别。
两者的联系说明:将滞环SVPWM算法与滑模控制相结合是有可能的。而两者的区别说明:
将两者结合是有必要的,可以做到扬长避短。下面根据这个思路提出优化的SVPWM算法。根据滞环SVPWM控制规则,选择具有与误差电流矢量ΔI方向相反的最小分量,在确保电流矢量I跟踪参考电压矢量V*的同时,限制了电流变化率,从而抑制了电流谐波。然而,当误差电流较大时,电流的跟踪性明显不足,造成系统快速性差。引入滑模变结构控制,则滑模控制在快速性上的优势可以体现。
当系统进入稳态时,滑模控制出现抖振问题,即误差电流较小时,仍然进行控制电压矢量的频繁切换,开关频率极大。而此时应用SVPWM算法,根据规则当ΔI较小时不进行电压矢量切换或者选择最小分量的电压矢量进行切换。从而避免了滑模控制的抖振问题。
本文通过分析滞环SVPWM算法与滑模电流控制,论证了将两者结合的可能性,提出将两者结合的控制算法,并通过Matlab仿真验证了双滞环SVPWM控制算法的正确性,说明将滑模电流控制与滞环SVPWM算法结合是可行的。
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