DQ坐标系下的直接电流控制原理

从上节的分析可知，虽然abc静止坐标系下的各相电流控制互相独立，然而各相电流为交流量，采用常规的PI调节器时，将在相电流的幅值和相位上存在静差。为了消除控制静差，可将各个交流量经过同步旋转坐标变换转换成直流量，由于PI调节器对直流量的控制不存在静态误差，从而改善系统的控制效果。

三相电流型PWM整流器在dq旋转坐标系下的控制原理电路如图6-22所示。将各个交流量经过同步旋转坐标变换，转换成直流量，同步旋转的角度ωt由电源电压锁相得到。为实现直流电流的恒定控制，将直流电流环的输出作为d轴电流环路的给定；为实现单位功率因数，将q轴的指令电流设置为0。电流控制器可以按照一定的控制策略进行设计，所得到的输出经过SVM控制后转换成整流器的开关信号。

图6-22 dq旋转坐标系下的三相电流型PWM整流器的直接电流控制原理电路

由式（6-31），可写出整流器电源侧交流电流的拉普拉斯方程为

由式（6-32），可写出电容电压的拉普拉斯方程为

在忽略输入电阻和变流器损耗的情况下，由功率平衡可得

对上式做小信号扰动，得到从到的传递函数为

由式（6-64）～式（6-67）和式（6-58），对应于图6-4，可得到dq坐标系下的从输入到输出的电路模型等效框图，如图6-23所示。

图6-23 dq坐标系下的电路模型等效框图

从图6-23的模型框图可知，这是一个多输入多输出系统。系统的交流电流、电压的d、q分量之间存在耦合，这种耦合会影响系统的动态性能，但是由于耦合系数是常量，可以通过合理的控制设计来抵消耦合量的影响。下面以d轴电容电压的控制为例来说明解耦控制的原理。

假定电容电压d轴控制环路的输出指令为

式中，G_v（s）代表电容电压环路控制器。将式（6-68）代入式（6-65），在忽略控制延时的情况下，整理得到

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根据关系式（6-69），可得到电容电压d轴环路控制环路框图，如图6-24所示。

图6-24 电容电压d轴环路控制环路框图

可见，电容电压d轴控制环路在该输出指令的作用下，抵消了来自q轴分量的影响，同时也消除了电感电流d轴分量对它的影响。

类似地，设定电容电压q轴控制环路的输出指令为

电容电压的q轴控制环路函数关系如下：

同样，整流器电源侧交流电流的d、q轴控制环路的输出指令、为

式中，G_i（s）代表交流滤波电感的电流环路控制器。在该指令控制作用下，可得到简化后的电源侧交流电流的d、q轴控制环路函数关系为

式中，G_cv（s）为电容电压环路的闭环传递函数。根据关系式（6-73），可画出电源侧交流电流d轴环路控制框图，如图6-25所示。

图6-25 电源侧交流电流的d轴环路控制框图

d轴和q轴控制指令经过上述设计后，实现了d轴和q轴环路之间的解耦控制，完整的d、q解耦控制系统如图6-26所示。

图6-26中，G_dc（s）代表直流电流环路控制器。基于上述设计，可画出直流电流环路的控制框图如图6-27所示。

图6-27中，G_ci（s）为电源侧交流电流环路的闭环传递函数。

从图6-24、图6-25和图6-27可以看出，经过解耦后的控制环路可以按单输入、单输出系统进行设计，各个控制器的设计更加方便。