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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (8): 1578-1586    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.08.017
电气工程     
单相五电平脉冲整流器滑模比例积分谐振控制
朱艺锋(),吴党建,白冰洋,岳豪
河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000
Sliding mode proportional integral resonance control for single-phase five-level pulse rectifier
Yi-feng ZHU(),Dang-jian WU,Bing-yang BAI,Hao YUE
School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
 全文: PDF(1492 KB)   HTML
摘要：

以基于耦合电感的新型单相五电平脉冲宽度调制（PWM）整流器为研究对象，为了提升系统动态响应、维持单位功率因数、减少网侧电流谐波含量，提出滑模比例积分谐振（PIR）控制算法. 通过对新型单相五电平PWM整流器的电路拓扑和工作原理分析，构建整流器d-q同步旋转坐标系下的数学模型，推导整流器电压外环滑模和电流内环PIR控制算法，给出具体设计过程. 与d-q坐标系传统比例积分（PI）电流控制算法相比，所提滑模PIR控制算法动态响应速度更快，网侧电流谐波含量更低. 搭建基于MATLAB/Simulink的仿真模型和基于RT-lab的半实物实时仿真平台，对滑模PIR控制算法与d-q坐标系传统PI电流控制算法分别进行计算机仿真和半实物实验对比研究，仿真和实验结果验证了所提滑模PIR控制算法的正确性和可行性.
关键词： 单相;  五电平;  脉冲宽度调制（PWM）整流器;  滑模控制;  比例积分谐振;  耦合电感    
Abstract:

A novel single-phase five-level pulse width modulation (PWM) rectifier based on coupled inductor was presented. A sliding mode proportional integral resonance (PIR) control algorithm was proposed to improve the dynamic response of the system, maintain unity power factor and reduce the current harmonic content of the grid side. The circuit topology and working principle of the new single-phase five-level PWM rectifier were analyzed. A mathematical model of the rectifier in the d-q axis synchronous rotating reference frame were constructed. The voltage outer loop sliding-mode and current inner loop PIR control algorithm were derived, and the specific design process was given. Compared with the traditional proportional integral (PI) current control algorithm in the d-q coordinate system, the proposed sliding mode PIR control algorithm has a faster dynamic response speed and a lower current harmonic content on the grid side. A simulation model based on MATLAB/Simulink and a hardware-in-the-loop real-time simulation experiment platform based on RT-lab were built. The sliding mode PIR and traditional PI current control algorithm in the d-q coordinate system were compared and verified in computer simulation and hardware-in-loop experimental test. Simulation and experimental results verify the correctness and feasibility of the proposed algorithm.
Key words: single phase    five-level    pulse width modulation (PWM) rectifier    sliding mode control    proportional-integral-resonance    coupled inductor
收稿日期: 2019-07-10 出版日期: 2020-08-28
CLC:  TM 46  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（U1504518）；河南省矿山电力电子装置与控制创新型科技团队资助项目
作者简介: 朱艺锋（1979—），男，副教授，博士，从事大功率变流器的优化设计及高性能控制研究. orcid.org/0000-0001-8363-3281. E-mail： zyfny@hpu.edu.cn
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朱艺锋
吴党建
白冰洋
岳豪

引用本文:

朱艺锋,吴党建,白冰洋,岳豪. 单相五电平脉冲整流器滑模比例积分谐振控制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(8): 1578-1586.

Yi-feng ZHU,Dang-jian WU,Bing-yang BAI,Hao YUE. Sliding mode proportional integral resonance control for single-phase five-level pulse rectifier. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(8): 1578-1586.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.08.017    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I8/1578

图 1  新型单相五电平PWM整流器拓扑
T1 T2 T3 uan ubn ucn udn ubd ucd ubc uad
1 0 0 udc 0 0 0 0 0 0 udc
1 0 1 udc 0 udc udc /2 ?udc /2 udc /2 ?udc udc /2
1 1 0 udc udc 0 udc /2 udc /2 ?udc /2 udc udc /2
1 1 1 udc udc udc udc 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 udc udc /2 ?udc /2 udc /2 ?udc ?udc /2
0 1 0 0 udc 0 udc /2 udc /2 ?udc /2 udc ?udc /2
0 1 1 0 udc udc udc 0 0 0 ?udc
表 1  新型单相五电平PWM整流器开关状态
图 2  谐振控制器和准谐振控制器Bode图
图 3  电流内环PIR控制示意图
图 4  新型五电平PWM整流器的滑模PIR控制系统框图
参数/单位 参数值
网侧电压us/V 310
等效输入电感Ls/mH 3.5
等效电阻Rs/Ω 0.05
耦合电感Lb/mH 3
耦合电感Lc/mH 3
开关频率fs/Hz 3000
直流侧支撑电容Cd/F 4.5
直流侧负载RL/Ω 40
直流侧电压给定值u*dc/V 400
表 2  单相五电平整流器系统仿真参数
图 5  稳态情况下网侧电压与电流仿真波形
图 6  稳态运行时网侧电流FFT分析结果
图 7  负载突变时的网侧电流d-q轴分量波形
图 8  新型单相五电平整流器系统启动和负载突变时输出直流电压仿真波形
图 9  新型单相五电平PWM整流器半实物实验系统
图 10  稳态运行网侧电压电流实验波形
图 11  稳态运行时输入端电压实验波形
图 12  负载突变时直流侧电压和网侧电流实验波形
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