彭镜轩，聂金铜，张颖超，武艺楠

（1.陆军工程大学，重庆 400035；2.63896 部队，河南 洛阳 471000）

0 引 言

1994 年，奥地利学者J.W.Kolar 提出了一种新型三相脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）整流器拓扑，即Vienna 整流器拓扑。由于具有电流连续，电感上没有零序电流、每个开关管所承受的最大电压仅为母线电压的一半、输出桥臂不会直通，不需要设置开关管的死区时间、输入电流纹波低，功率因数高等优点，Vienna 整流器得到越来越多的应用，如新能源汽车充电桩、大功率通信电源、医疗设备等。

自从Vienna 整流器拓扑提出以来，各种控制策略不断地被提出来。传统双PI 控制策略应用简单，但是参数整定复杂，且对系统参数的敏感性高，特别是在负载突变等工况下动态特性差[1,2]；滞环电流控制策略电路简单，动态响应快、鲁棒性高，但各相电流相互影响、开关频率不固定[3-6]；精确线性化控制策略在非线性、多变量的三电平整流器中表现出良好的控制性能，但需要使用高速数字信号处理器[7]；基于模糊比例谐振控制的控制策略可实现电流无误差跟踪控制，但其积分系数、模糊调整规则要靠经验设计，缺乏系统科学性[8]；单周控制策略鲁棒性高、开关频率固定、控制电路简单，但基本以分立元件、单周控制芯片为硬件配置，电路调整面临的难度较大[9-13]；无源控制控制策略能确保全局稳定，动态特性好，不存在奇异点问题，但会产生较高的交流电总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）[14-16]；直接功率控制策略结构简单、功率因数高、响应快，但受三电平拓扑具有的特殊性影响，在三电平拓扑中应用此种控制策略有着不小难度[17]。因此，有必要将各种控制策略进行互补，形成更实用、性能更优越的控制策略。本文将传统双闭环解耦控制中的外环PI 控制，由自抗扰控制律替换，形成一种新型双闭环控制策略，该复合控制方法具有静动态特性好、易于实现、鲁棒性强的优点。

1 结合自抗扰控制的控制律

Vienna 整流器在dq坐标系下的数学表达式可整理为

式中：ed和eq、id和iq、ud和uq分别为Vienna 整流器产生的交流电网电压、电网电流和桥电的d轴、q轴分量；udc为直流侧输出电压；r为等效线路和电感电阻；ω为交流电压角频率；Po为Vienna 整流器的负载功率。

由于q轴电流调节为0，忽略其中的耦合项和q轴分量，可得

式中：u(t)为控制器输入到内环的参考；b为电路增益，固定为1.5ud/(Cudc)；a(t)可以看作集总扰动，包含外部扰动功率、内部损耗、控制差异的总和。

将直流侧输出电压作为参量输入进扩展状态观测器，能够得到如图1 所示的控制结构，其中包含外环电压自抗扰控制环和内环电流控制环，电流环仍然使用传统 PI 进行控制。

图1 Vienna 整流器自抗扰控制

控制律的核心是扩展状态观测器，对于一阶的扩展能量状态方程，使用二阶观测器实现观测，其输出z1是对变换器扩展状态变量的估算，z2是对集总扰动a(t)的估算。采用线性龙贝格观测器，对应表达式为

其中：

式中：p为观测器的增益；u0由反馈增益kg和反馈误差乘积构成；u的构造中使用了z2作为前馈通道中的前馈项。

将传统双闭环解耦控制中的外环PI 控制，由自抗扰控制律替换，得到图2 所示的不同于传统全PI控制的复合控制方法。

图2 Vienna 整流器自抗扰控制框图

2 参数整定

使用第1 节中的控制律，在z1能够较好跟踪变换器的直流侧电压，z2能够跟踪集总扰动前提下，a(t)与z2抵消，控制律等效为

此一阶方程的解为

对电压的跟踪时间主要与反馈增益系数相关，若以跟踪值达到目标值的1%以内确定建立时间，则跟踪时间大约为5/kg，文献[7]对直接状态变量跟踪的一阶自抗扰控制，使用2%指标作为建立时间，得到Tsettle=4/kg。观测器增益P应有充分的带宽，通常设置为kg的310 倍，或者35 倍[21,22]。

为了验证控制增益kg、观测器增益P与瞬态恢复时间的对应关系，使用PLECS 在0.4 s 时刻加入2 kW 阶跃负载，仿真不同配置参数情况下负载投切的瞬态响应。仿真对应的主要参数如表1 所示。

表1 仿真参数

瞬态响应与增益系数关系对比如图3 所示。图3 中上半部分为kg=700，p=2 000 的仿真结果，恢复时间约为0.10 s；下半部分为kg=350，p=2 000 的仿真结果，恢复时间约为0.20 s。可见，当将反馈控制增益加倍后，对应的瞬态恢复时间减小一半，恢复时间与反馈增益系数大小满足对应关系。

图3 瞬态响应与增益系数关系对比

3 仿真结果

在表2 所示的系统参数配置下，由轻载到2 kW恒功率负载的暂态过程波形及过渡后的稳态如图4所示。

表2 系统参数

图4 新型双闭环控制策略下Vienna 整流器稳态与暂态过程有效性验证

本文设计的额定功率为7 kW，在额定功率内无论是自抗扰控制还是传统的双PI 控制，Vienna 整流器都能稳定工作。经过调试，传统双PI 控制在电压外参数为kp=1.5、ki=500 下的工作性能最好。Vienna整流器由轻载到2 kW 恒功率负载时，将新型双闭环控制下与传统双PI 控制下的直流侧电压瞬态恢复时间对比，可得到图5。根据图5 可知，虽然自抗扰控制暂降较大，但是瞬态恢复时间更短。

图5 2 种控制策略下Vienna 整流器瞬态恢复时间对比

4 结 论

本文提出了一种基于自抗扰的Vienna 整流器新型双闭环控制策略，将传统双闭环解耦控制中的外环PI 控制，由自抗扰控制律替换，针对参数设计进行了具体分析，并在PLECS 环境下进行了仿真验证。结果表明，本文提出的控制策略可行，相比传统全PI 控制具有静动态特性好、易于实现、具有很强的鲁棒性强的优点。