0 引言
随着半导体器件的快速发展，高性能整流器拓扑应运而生。维也纳整流器因其高效率的三级结构而被提出，广泛应用于电动汽车、航空航天等要求高功率因数、低线电流谐波失真的场合。
传统的平均电流控制稳定性好，电压外环用于调节输出电压，电流内环根据电压外环输出的电流指令控制状态空间中的平均电感电流，使电流快速跟踪电压相位1。虽然这种控制方案可以实现单位功率运行和较低的总谐波失真，但PI环节控制器计算量大，导致输出电压动态响应差。当负载突然增大时，会导致输出电压偏差，甚至系统不稳定。
目前，优化VIENNA整流器平均电流控制动态性能的方法有几种。2文献中提出了一种新的电流前馈平均电流控制模式，推导了低通滤波器的增益，加快了电压环的响应速度。但是，当电网侧电压不稳定时，很难设置滤波器。文献中采用直接功率控制来改善系统的动态性能，但计算复杂。4文献中提出了一种基于扰动观测器的前馈控制，在负荷波动或电网电压波动时表现出良好的动态性能。
本文在传统平均电流控制的基础上，加入前馈控制策略，进一步优化系统的动态性能。提出在前馈控制计算中对负载电流进行采样，然后得到前馈变量值。同时用误差迭代PI算法代替传统PI算法，实现电流内环的静态无误差调节。
1 传统平均电流模式控制
图1显示了三相VIENNA整流器的等效模型。功率器件只承受一半的输出电压，使得高压输出成为可能。的传统平均电流控制框图如图2所示。在图中，输出电压u0与参考值一起被调节，并且通过PI控制器，输出随输出功率变化的项um。当负载变化时，um值也相应变化，以平衡输入和输出功率。
从瞬态到稳态的持续时间取决于um的变化率。um变化率的减小将导致系统在负载阶跃发生时从不平衡状态到稳态的持续时间变长。
2 基于前馈控制的平均电流控制
图中，Zeq(s)为等效输出阻抗，Gev(s)为PI调节器的传递函数，GDSP(s)为延时模块。表达式如下：
2.1 前馈项的求解
假设维也纳整流器工作在单位功率因数，交流侧电感和整流桥本身的损耗忽略不计。
侧电流的表达式如公式(4)所示：
2.2 误差迭代PI算法
为了克服传统PI控制器跟踪电流参考指令稳态误差的缺陷，电流内环控制采用误差迭代PI控制算法，保证输出电流对参考电流的跟踪误差趋于零，从而消除静态误差。
为了推导方便，直接提取参考文献9中的简化算法：
其中，ir()是处的输出电流，e()是处的误差采样值。然后，在误差迭代PI算法中输出到误差样本的传递函数可以被获得：
从式(15)可以看出，闭环系统传递函数的幅值为1，相移等于0，可以保证系统可以实现无静差调节。
2.3 前馈控制策略
在三相VIENNA整流器中引入前馈控制来削弱负载阶跃引起的电压u0过冲。控制方案如图4所示。
在不同的扰动条件下，前馈变量uff可以预测um的值，减小u0的偏移量。当第n个负载步骤发生时，uff可以由公式(16)预测：
但是，当um0加入到uff中时，就会导致um预测的偏差。所以检测负载阶跃时需要清除um0的值，所以需要在脉冲信号前增加一个检测模块。
2.4 负载阶跃检测
在测试中
25电容是多大的,225电容是多大9.jpg">该数字算法流程图相当于一个滞环比较器，为了防止预测出现偏差，需要保证系统只在负载阶跃的时刻进行检测。当I03 仿真分析
为了验证所提出的的前馈控制方案的可行性，本文在Saber环境下搭建了基于前馈控制的VIENNA整流器仿真模型。配置系统的仿真参数为：网侧交流输入电压220 V/50 Hz；输出电压360 V；开关管的开关频率250 kHz；滤波电感90 μH；输入电容225 μF。
图6为有前馈和无前馈作用下母线电压的瞬时响应波形图。20 ms时加入电网波动，0.12 s时加入负载突变。可见，加入前馈控制系统使得系统的动态性能显著提高。
4 实验验证
根据上述控制策略及分析结果搭建了一台基于TMS320F2808数字处理器的三相VIENNA整流器实验样机。
图7为无前馈控制下，电网电压从100%→60%→100%，继而输出侧功率从2 kW→3 kW情况下输出测的响应波形。图8为加入前馈控制情况下响应波形。
从图中可以看出，与传统的控制方式相比，带有前馈补偿控制策略的系统能在电网波动或负载阶跃时及时响应，优化了系统的动态性能。
5 结论
本文在传统平均电流控制电压环的基础上加入前馈补偿环节，电流内环采用误差迭代PI控制。设计负载检测环节来保证只检测负载阶跃时刻。稳态和负载轻微波动的情况下，不会触发负载前馈计算。由于计算过程仅发生在暂态，所以这种控制策略不会增加计算复杂度。仿真和实验验证了加入前馈控制可改善系统动态性能。
参考文献
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<4> Chen Xudong，Ren Xiaoyong，Zhang Zhiliang，et al.Dynamic response optimization for three-phase vienna rectifier with load feedforward control
<5> 倪靖猛，方宇，邢岩，等.基于优化负载电流前馈控制的400 Hz三相PWM航空整流器
<6> 赵仁德，贺益康，刘其辉.提高PWM整流器抗负载扰动性能研究
<7> 陈亚爱，薛颖，周京华.基于平均电流控制的双闭环改进控制策略
<8> 徐群伟，钟晓剑，胡健，等.基于误差迭代PI和改进重复控制的APF补偿电流控制
<9> 唐欣，罗安，涂春鸣.基于递推积分PI的混合型有源电力滤波器电流控制
作者信息：
董飞驹，邵如平，王 达
(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京211816)
