摘 要： 針對三相電壓型PWM整流器的雙閉環控制系統直流母線電壓超調較大、對擾動克服能力不強、魯棒性差等問題，本文對控制系統進行了改進，在電壓外環設計一種基于內模原理的控制器以取代傳統PI控制器，并對內模控制器中濾波器部分的參數設計進行分析，最后使用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究，并與電壓外環采用PI控制器的系統性能進行比較。仿真結果表明，在電壓環采用內模控制器，可以有效降低直流母線電壓超調，快速抑制擾動，具有良好的魯棒性，性能優于傳統PI調節器。
關鍵詞： PWM整流器；內模控制；魯棒性
本文以北京科技大學350 mm熱軋機主傳動改造項目為背景。該項目擬將原有110 kW直流主傳動系統擴容為200 kW交流調速系統。目前整流側使用的是電壓型PWM整流器，采用雙閉環控制結構，電流內環與電壓外環均采用PI控制器。但直流母線電壓超調較大，對擾動克服能力不強，致使逆變側控制受到影響，整個交流變頻調速系統性能較差[1]。
內模控制器具有設計簡單、跟蹤性能好、魯棒性強、能消除不可測干擾的影響等優點，基于以上因素本文在電壓環設計內模控制器來改善整流側控制系統性能。最后使用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究。仿真結果表明，電壓環采用內模控制器后，直流母線電壓超調減小，對擾動克服能力加強，系統具有良好的魯棒性。
1 理論基礎
1.1 內模控制
內模控制結構圖如圖1所示。這種結構中，控制器的輸出同時作用到控制對象和內部模型，系統的實際輸出與內部模型的輸出之差經過反饋回路與設定值比較后作為控制器的輸入。圖1中虛線框內是整個內模控制系統的內部結構。該結構中除了有控制器以外，還包含了過程模型^Ｇ，內模控制因此而得名[2]。
1.2 PWM整流器
目前通用的整流電路大部分采用二極管或晶閘管整流，功率因數低并且諧波污染嚴重。PWM整流技術具備功率因數可調、理想無低次諧波、能量雙向流動、輸出直流電壓可調且無紋波等優點，具有廣闊的發展前景[3-4]。
PWM整流器可以分類成電壓型和電流型兩大類。相比于電流型PWM整流器，電壓型PWM整流器具有結構簡單、損耗較低、控制方便等優點，因此應用較為廣泛。本系統中亦采用電壓型PWM整流器。
2 電壓外環內模控制器的設計
在三相電壓型PWM整流器控制系統的設計中，通常采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制結構。電壓外環的主要作用是控制三相電壓型PWM整流器直流側電壓；電流內環的主要作用是按電壓外環輸出的電流指令進行電流控制，實現整流器網側單位功率因數正弦波電流控制。
本文電流內環控制器的設計采用參考文獻[4]中典型I型系統電流調節器設計方法。按照此種方法設計時，電流內環具有較快的動態響應，對指令電流的跟隨性能較好[4]。
根據參考文獻[4]，電流內環PI控制器的參數分別為：
由上兩式可得：
圖中，τv為電壓外環采樣小慣性時間常數。
2.2 電壓外環內模控制器的設計
由圖1可知，當模型完全準確，即G(s)=^G(s)，且沒有外界擾動，即^D(s)=0時，可得出模型的輸出與過程的輸出相等，此時反饋信號為零。這樣，在無模型不確定性和無未知輸入的條件下，內模控制系統具有開環結構。對于開環穩定的過程，反饋的目的就是克服過程的不確定性。在工業過程控制中，模型不確定性是難免的。此時，內模控制結構中的反饋信號就反映了過程模型的不確定性和擾動的影響，構成了閉環控制結構。
對于三相電壓型PWM整流器雙閉環控制系統，GIMC(s)分子多項式的系數大于分母多項式的系數，為保證控制器的可實現性及系統的穩定性和魯棒性，需加一個低通濾波器
中，分子多項式的次數比分母多項式次數大2，可知γ=2即可保證內模控制器的有理性。因此ε為整個內模控制系統唯一需要調節的參數[5]。
3 仿真實驗結果
基于以上的控制方法進行軟件仿真試驗。在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真模型參數取自硬件系統的實際參數。交流電源電壓幅值為 311 V，頻率50 Hz，交流側電感L＝1.6 mH，寄生電阻R＝0.02 Ω，直流側電容C＝3 600 μF；開關頻率為10 kHz，負載電阻RL＝30 Ω。在0.1 s時加入+50 V的電壓擾動。
圖3為采用內模控制器的電壓外環控制結構圖。
ε的選擇要根據電壓信號采集系統所需低通濾波器的帶寬來決定。可令a=1/ε，a的數值首先應小于電壓基波成分頻率，其次a應大于PWM整流器開關頻率。在具體調節?著的過程中發現，當選擇ε較小時，系統延遲較小，抗干擾性能較差；當選擇ε較大時，內環抗干擾性能較強。
仿真過程中，電壓外環分別采用PI控制器和內模控制器。二者比較的曲線如圖4所示。采用PI調節器時，電壓超調接近20%,而采用內模控制器的系統電壓超調小于10%。在0.1 s加入擾動時，內模控制系統的抗擾性能更強。但采用內模控制器時，系統具有一定延遲[5]。
采用內模控制器的系統，交流側輸入電壓與輸入電流波形如圖5所示，能量回饋時交流側輸入電壓與輸入電流波形如圖6所示。由仿真圖可見輸入電流正弦度很好，實現了系統的單位功率因數運行和能量的雙向流動。
本文建立了基于內模控制的改進型雙閉環PWM整流器的模型，在MATLAB/SIMULINK環境下進行仿真研究。仿真結果表明，采用內模控制器后，直流母線電壓超調減小，抑制擾動能力加強，并且網側功率因數接近于1，減少了對電網的污染，實現了整流器的能量雙向流動以及高功率因數運行；證實了本設計硬件結構合理，參數調節適當，具有實際工程應用價值。
參考文獻
[1] 李曉東，王京，張勇軍，等.VME總線嵌入式交流調速控制系統[J].電氣傳動，2007，37(11).
[2] 趙輝.基于內模控制原理的PID控制器設計[D].天津：天 津大學，2005.
[3] ZHOU Ke Liang，WANG Dan Wei，XU Guang Yan.Repetitive controlled three-phase reversible PWM rectifierPower[C]. American Control Conference.2000.Proceedings of the 2000. June 28-30，2000.Chicago，IL，USA.vol.1：125-129.
[4] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2003.
[5] 周淵深.感應電動機交-交變頻調速系統的內模控制技 術[M].北京：電子工業出版社，2005.
[6] SKOGESTAD S.Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning[J].Journal of Process Control， 2003(13)：291-309