1.基于电网电压定向的前馈解耦控制策略

若同步旋转坐标与电网电压矢量同步旋转，且同步旋转坐标系的d轴与电网电压矢量重合，则称该同步旋转坐标系为基于电网电压定向的同步旋转坐标系。显然，当电网为三相对称系统时，u_d为恒值，而u_q＝0，则根据瞬时功率理论，系统的瞬时有功功率p和无功功率q分别为

式（5.9）表明，当电网为三相对称系统时，即u_d为恒值，PWM整流器的瞬时有功功率p和无功功率q仅与PWM整流器三相输入电流的d、q轴分量i_d、i_q成正比。因此，当电网电压不变时，可以通过i_d、i_q的控制间接控制PWM整流器的有功功率、无功功率。

如忽略PWM整流器的滤波器损耗和开关损耗，则交流侧有功功率和直流侧有功功率相等，即 。可知，当电网电压不变且忽略PWM整流器自身损耗时，PWM整流器的输出电压u_DC和交流侧输入电流的d轴分量i_d成正比，而PWM整流器的有功功率p又与i_d成正比，因此PWM整流器输出电压u_DC的控制可以通过有功功率p即i_di_d的控制来实现。

基于电网电压定向的前馈解耦控制的控制系统框图如图5.9所示。控制系统由直流电压外环和有功电流内环、无功电流内环、前馈解耦控制环组成。直流电压外环是为了稳定直流侧电压，显然，引入直流电压反馈并通过一个PI控制器可实现直流电压的无静差控制。由于直流电压u_DC可以通过i_d的控制来实现，因此直流电压外环PI控制器的输出量即为有功电流内环的电流参考值，从而对PWM整流器的有功功率进行控制。无功电流内环的电流参考值，是通过PWM整流器所需的无功功率 计算而得，当i_q-ref＝0时，则PWM整流器单位功率因数运行，即电网仅提供有功功率。在dq坐标系中，PWM整流器数学模型在d、q轴间存在耦合。

为了实现d、q轴的解耦控制，通常采用前馈控制策略，即引入前馈量+ωLi_d和-ωLi_q，使其与模型中的耦合项-ωLi_d和+ωLi_q抵消，解耦后的系统数学模型化为相互独立的且完全对等的两部分。在采用前馈解耦控制的基础上，假如电网电压的前馈控制以补偿电网电压变化对系统控制的影响，则电流内环的控制结构可简化为如图5.10所示（当开关频率足够高时，整流器的传递函数可以由K_pwm表示）。

图5.9 基于电网电压定向的前馈解耦控制的控制系统框图

图5.10 解耦后的dq轴电流内环控制结构

当直流侧电压稳定为u_DC＝U_DC时，根据功率守恒，则

从而可得直流侧电压外环的控制结构，如图5.11所示。图中，G_c（s）表示电流内环的闭环传递函数。

图5.11 电压外环控制结构

2.前馈功率解耦的直接功率控制策略

从功率的角度看，在交流电压一定的情况下，通过控制PWM整流器的瞬时有功功率和无功功率在允许范围内，也就间接控制了瞬时电流在允许范围之内，这种控制策略称为直接功率控制。采用前馈功率解耦的直接功率控制具有结构、算法简单，动态响应快等优点。

图5.12所示为前馈功率解耦的直接功率控制系统框图，控制系统包括直流电压外环、瞬时有功/无功功率计算单元和功率解耦控制器。直流电压外环采用PI调节器，输出为PWM整流器的有功功率给定值；瞬时有功/无功功率计算单元实时计算交流侧输入有功/无功功率，并提供给功率解耦控制器；功率解耦控制器消除了旋转坐标系下dq轴之间的耦合，使其成为相互独立的控制单元。

（1）PWM整流器功率控制模型

根据电压型PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型式（5.7）和式（5.8）以及功率计算公式，可得到以p、q为变量的功率控制模型为(www.daowen.com)

图5.12 前馈功率解耦的直接功率控制系统框图

式中，p_in、q_in均为整流器的功率控制输入 、 。

根据功率守恒可得

设u_D＝u²_DC，则式（5.12）变为

式（5.11）和式（5.13）为PWM整流器在两相同步旋转坐标系下的功率控制模型，其模型框图如图5.13所示。

图5.13 两相同步旋转坐标系下的功率控制模型

由图5.13可知，有功功率p和无功功率q互为耦合，同时，有功功率p还受到恒定项U²_m的影响，为消除以上弊端，采用前馈功率控制策略的功率解耦控制。

（2）功率解耦控制

为实现三相电压PWM型整流器前馈功率解耦控制，将式（5.11）在同步旋转坐标系下的功率控制模型变为如下形式：

式中，p_co1、p_co2、q_co均为实现前馈功率控制引入的补偿项，p_co1＝-ωLq、p_co2＝-1.5U²m、q_co＝ωLp。

根据图5.13、式（5.14）可得PWM整流器前馈功率解耦控制结构图如图5.14所示。

图5.14 PWM整流器前馈功率解耦控制结构图

解耦后的功率控制结构框图和PWM整流器前馈功率解耦控制系统结构框图分别如图5.15和图5.16所示，可知，通过前馈功率解耦将系统转换为线性系统结构，则可根据该结构进行系统设计。

图5.15 解耦后的功率控制结构框图

图5.16 前馈功率解耦控制系统结构