仿真PWM整流器的Matlab仿真研究

摘要：随着绿色能源技术的快速发展，不可控整流引起的电磁干扰和谐波污染已经成为日益严重的问题。本文介绍了PWM整流器的工作原理，并阐述新型的控制方法———自抗扰控制的原理，利用自抗扰控制来取代PWM整流器的电压外环控制，以取得更优效果；最后利用Matlab提供的电力电子工具箱在Simulink仿真环境下进行了仿真实验，验证系统的正确性和可行性。

关键词：PWM整流器；自抗扰控制；Matlab仿真PWM整流器的Matlab仿真探讨

一整流器的原理和现状

目前，由于常规整流环节广泛采用二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路，对电网注入了大量谐波及无功，给电网带来“污染”。治理这种电网“污染”最根本的措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化且运行于单位功率因数。因此，在主电路类型上有电

压型整流器（Voltage Source Rectifier，VSR）和电流源型整流器（Current Source Rectifier，CSR），两者在工业上均成功地投入应用。由于有高电压利用率及低损耗等优点，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器电流控制中取得了广泛应用，并存在多种控制方案。

目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需快速电流响应的场合获得优越的性能。

本文讨论的三相桥式电压型PWM整流器拓扑结构如图1所示。L 为交流侧滤波电感，电阻R为滤波电感L的等效电阻和功率开关管损

耗等效电阻的合并。

参照参考文献1，可以推导出PWM整流器在三相静止坐标系ABC 下的数学模型，即：

由于在此坐标系下难以进行控制系统建模，因为经过坐标转换到两相同步旋转坐标系(d，q)后，可得：

此时，两相同步旋转坐标系(d，q)中的q轴分量表示成有功分量，而d轴分量表示成无功分量。并且有：

电流内环经解耦后，可以得到控制系统如图2所示。此为传统的PI控制的PWM整流器的模型。

二、基于自抗扰控制的电压外环控制器

由图2可以得出，传统的PWM整流器的控制系统是基于其数学模型而推导出的双环PI控制模型。这种控制方法简单快捷，稳定性好。但是由于此系统存在不同的未知干扰，为了使系统更稳定，控制效果更优秀，因此引入新型的控制方法———自抗扰控制(Auto-Disturbance-Rejection Controller)。

该控制技术源于PI控制方法的思想，其设计同样不依赖于对象的数学模型。一般它由3个部分组成：非线性跟踪-微分器（Tracking Differentiator，TD）、扩张状态观测器（Extended State Observer，ESO）和非线性状态误差反馈控制律（Nonlinear State Error Feedback，NLSEF），如图3所示。

首先，TD用来实现对系统输入信号的快速无超调跟踪，并能对其给出良好的微分信号；其次，自抗扰控制器把系统自身模型的不确定性当作系统的内扰，它与系统的外扰一起被看作整个系统的扰动，不区分内扰和外扰而直接检测它们的综合作用———系统的总扰动，通过扩张状态观测器对系统的状态和扰动分别进行估计；最后，利用非线性状态误差反馈控制律获得扰动分量的补偿作用。这种控制方法实质上具有强鲁棒的控制作用：既补偿了系统内部参数及模型的扰动，也抑制了外扰。

前面分析了此PWM整流系统用双闭环的PI控制，电压外环的作用主要是控制三相VSR直流侧电压，而电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因数正弦波电流控制。根据此系统的特点，现把系统的控制系统稍作修改，如图4所示。

系统内环采用电流控制环，外环为电压控制环，在这里外环采用自抗扰控制。由前文推导出的模型可知，在电压外环的控制系统存在扰动，这些扰动是造成系统性能下降的主要因素，因此在设计控制系统时就全面分析这些扰动，以便对其进行补偿控制。

从之前的分析可知，负载电流idc为外部干扰量，根据此来设计自抗扰控制器的各个部分。

三、系统的仿真及结论Simulink是Matlab软件中的一个仿真工具箱，它包括大量的控制系统模块，以及支持用C语言或M语言对模块进行编译。在这样一个良好扩展性的环境下，进行控制系统的仿真是相当方便的。把前文所述的系统模型及一些参数输入到Simulink中，通过示波器可以得到如图5和图6的电压输出仿真结果。

从图5的电压输出可以看出，整个系统能够较快达到给定输出值，并且没有超调现象。这表明此控制方法比PI控制优秀，并且可以看出它的优势主要表现在响应速度快、稳态误差小，说明该控制器无论对外扰还是内扰都具有良好的鲁棒性。

从图6看得出，PI控制下的直流侧电压超调量较大，震荡次数较多，响应比较慢。由于冲击比较大，这使系统在选择电子元件的时候有所，并且对电子元件的使用和寿命有一定的影响。

四、结束语

综上所述，自抗扰控制技术主要的优点表现在：控制器的设计不依赖于系统的模型，且结构简单容易实现；算法简单，无须大量的矩阵运算；控制系统的参数可以在比较大的范围内选取，即鲁棒性好。自抗扰控制器可以解决一类不确定性对象的控制问题，并具有很强的适应性和鲁棒性。它的一项核心技术就是将系统模型的不确定性和外部扰动视为一个综合扰动项，然后利用扩展状态观测器对综合扰动项进行观测和前馈补偿，实现系统的线性化。

参考文献：

[1]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]韩京清.从PID控制技术到“自抗扰控制”技术[J].控制工程，2002.

[3]Ye Zhihong.Modeling and Control of ParallelThree-Phase PWM Converters[D].Electrical and Computer Engineering，2000.