静止坐标系下的直接电流控制原理解析

间接电流控制虽然具有控制结构简单的优点，然而该控制算法对主电路参数较为敏感，一旦主电路参数发生改变，则必然影响交流电流的控制性能。为此，可引入对交流电流的直接控制，从而抑制参数变化对控制性能的影响。

在输入电压对称且开关函数也对称的情况下，由于v_oo′为零，三相电路彼此独立，不存在耦合关系。因而从交流侧看，可以把三相电流型PWM整流器看成是对三个输入电压相位互差120°的单相电流型PWM整流器进行控制。下面以a相为例，分析电流型PWM整流器在abc静止坐标系下的控制方法。

为了实现整流器输出直流电流的恒定和输入端接近单位功率因数，三相电流型PWM整流器的直接电流控制通常采用两级环路控制。外环是直流电流控制环，其目的一般是保持i_dc的恒定。在直流电流环中，采样的直流电流与给定值进行比较，产生的误差信号经过直流电流控制器G_dc（s）调节后，输出作为电源侧交流电流的幅值指令I^*_sm，将I^*_sm与电源电压的同步信号相乘，便可得到交流电流的指令信号i^*_sa，由i^*_sa和i_sa经过比较得到的误差信号经过交流电流控制器G_s（s）得到调制信号，再经过SPWM控制后，便可得到开关控制信号，从而实现输入电流i_sa跟踪指令电流i^*_sa，并使得直流电流维持恒定。三相电流型PWM整流器在abc静止坐标系下的a相控制原理电路如图6-16所示。b、c两相与之类似，只是在给定的相位上分别相差120°和240°。

图6-16 abc静止坐标系下的三相电流型整流器的直接电流控制原理电路（以a相为例）

根据图6-2给出的等效电路，可写出交流侧a相变量之间的传递函数为

交流侧b、c两相变量之间的传递函数与之类似，不再赘述。整流器直流侧电压v_dc到直流电流i_dc之间的传递函数为

若忽略高频分量，整流器对指令的响应可近似为时间常数为T_d的一阶惯性环节，即

由式（6-55）～式（6-59），对应于图6-2，可得到静止坐标系下的从输入到输出的电路模型等效框图，如图6-17所示。

图6-17 abc静止坐标系下的电路模型等效框图

结合图6-16的控制结构，可得到与之对应的三相电流型PWM整流器的完整控制框图，如图6-18所示。

图6-18 电流型PWM整流器在abc静止坐标系下的控制系统

当输入电源电压稳定时，可忽略v_sa、v_sb、v_sc扰动对控制系统的影响，此时控制系统的设计得以简化，简化的控制系统如图6-19所示。

从图6-19可知，控制系统由两级控制环路构成，内环由三个瞬时相电流控制环路构成，外环为直流电流控制环路。交流电流内环控制结构框图如图6-20所示。(www.xing528.com)

由于开关网络对指令的响应时间较快，T_d较小，通常满足T_dω_c1≪1，ω_c1为内环的截止频率，因此内环被控系统的传递函数可近似为

图6-19 忽略输入电源扰动的控制系统框图

图6-20 交流电流内环控制结构框图

因此，内环的被控对象为一个二阶系统。控制器G_s（s）通常选取PI调节器，控制器参数的选取应满足稳定性的要求，同时使得控制环路具有良好的跟随性能。

在设计直流电流外环时，把内环闭环作为一个被控对象。直流电流外环的输出只是改变交流电流内环参考正弦波的幅值。从控制的角度看，被控对象的输入是50Hz正弦波的幅值，输出也是50Hz正弦波的幅值，该被控对象的增益就是内环闭环传递函数幅频特性上50Hz频率对应的增益。由于外环的截止频率要比内环小很多，在设计外环时，可以将内环等效为一阶惯性环节，其时间常数取决于内环的截止频率，从而简化外环的设计。由此可得简化后的内环闭环传递函数为

式中，K_cl为内环闭环传递函数在50Hz处的增益；T_cl为交流电流内环的惯性时间常数。

根据稳态关系，由式（6-36）可得

根据式（6-61）和式（6-62），可以把图6-19中的直流电流外环被控系统的传递函数写成

简化后的直流电流外环如图6-21所示。

图6-21 直流电流外环控制框图