三相電壓型PWM整流器非線性解耦控制研究

1、第!"卷第#期電力電子技術()*!"+,(*#()*!"I,(*-./01203+4%&-./01203I$%&年月5(6.07).890(:;8<三相電壓型#$%整流器非線性解耦控制研究盧至鋒H張波I鄧衛(wèi)華（華南理工大學+廣東廣州&%JK%）摘要!基于非線性系統(tǒng)反饋線性化理論，建立了三相電壓型5=>整流器非線性仿射模型，推導出其對應的非線性坐標變換矩陣和非線性狀態(tài)反饋矩陣，得到了三相電壓型5=>整流器反饋線性化模型，提出了三相電壓型5=>整流器無功功率和有功功率的解耦控制策略。對三相電壓型5=>整流器解耦控制

2、特性進行了細致分析和研究。結果表明，反饋線性化能較好地實現三相電壓型5=>整流器的解耦控制。給出的試驗結果驗證了文中理論研究的正確性。關鍵詞!整流器；脈寬調制F非線性系統(tǒng)；反饋線性化；解耦控制中圖分類號!L>KJ#文獻標識碼!M文章編號!#%N#%OP$%&Q%E%K%E%4&()*+,-.)/01),)2341!#4567),0589)*1(#$%#:.;(0<2<16=56-)/>)/!?</51960A:-=5(B?</51<C50<)/34)1RSTU;"V.:W，TXM,YZ(+7,Y=.;"U

3、12P)*%&+,+-.$/.-!012-&3*450(+.*6*7389%$.7:+*%&%JK%+,+-.$QD=6015(0EZ2<.A(:9U.V.A/28);:.20;29;(:9U.(03V(0:(:);:.20<3<9.D<+2:(:);:.202VV;:.D(A.)V(09U0.U2<._()92W.<(108.5=>5-?20.0.<.:9.A9U.8(00.<(:A;:W:(:);:.208(0A;:29.8(:_.0<(:2)D290;a2:A:(:);:.20<929.V.A/28

4、D290;a20.A.A18.A(190(<.A*9U.V.A/28);:.20D(A.)(V9U0.U2<._()92W.<(108.5=>5-?0.89;V;.0<20.(/92;:.A2:A2A.8(1).A0.289;_.2:A289;_.(6.08(:90()<9029.W3(V9U0.U2<._()92W.<(108.5=>5-?0.89;V;.0<20.b.<.208U<U(6<9U29;982:0.2);.20(a;D29.A.8(1).);D;9.A/3(19190.89;V;.A_()92W.2:

5、A8(:<902;:9LU;<8(:90()<8U.D.82:0.2);.A.8(1).A8(:90()(V9U.9U0.U2<.5=>5-?0.c1;0.D.:9<V(0<6;98U;:WV1:89;(:<*0.89;V;.0<*d;D1)29;_.2:A.a.0;D.:92)0.<1)9<_.0;V39U.8(00.89:.<<(V9U.9U.(0;.<20.8(00.89*FG)1-6E0.89;V;.05=>F:(:");:.20<3<9.DV.A/28);:.20;29;(

6、:A.8(1).A8(:90():)*/-50<)/#1)H(0E50(_;:8.d.8;2)>2e(050(e.89(:56.07).890(:;8<(Vd8;.:8.2:AL.8U:()(W35)2:(VY12:WA(:W!引言入交流電源的無功控制和直流電壓調節(jié)。目前，阻礙三相5=>5-?整流器發(fā)展的最大!難題是實現三相電壓和電流的解耦控制。利用!個單相5-?整流器可以解決耦合控制問題，但明顯存在開關元件多、電路不緊湊和均流問題；采用三相四線偽橋式單開關5-?整流電路，上下半橋獨立，可實現部分解耦，但電路需要中線，有!次諧波電流通過，需對電流反饋進行濾波，增加控制復

7、雜性。為此，本文針對三相電壓型5=>5-?整流器非線性解耦控制問題，利用非線性系統(tǒng)反饋線性化理論，在建立同步旋轉坐標系下的三相電壓型5=>整流器仿射非線性模型基礎上，提出具有一般性的$非線性全解耦控制策略，從而精確實現整流器輸"同步旋轉坐標系下的三相電壓型#$%整流器仿射非線性模型圖示出三相電壓型5=>整流器。圖三相電壓型5=>整流器電路圖中!A8直流側電容電壓"A8+#A8直流側電容、電阻基本假設B（）三相電網電壓為對稱三相交流電，分別為：!<$C%D8(<!&#%!<C%D8(<!&E$!F!"$

8、%基金項目!廣東省科技計劃項目電力電子專項重點項目!4%4M%&%!"定稿日期!4%KN%KN4%作者簡介：盧至鋒!"fg#"I男#湖南漣源人#碩士研究生#研究方向為三相5-?$（）!<(C%D8(<!&G4!F!"&（4）交流側的電感三相對稱，并在工作范圍內不三相電壓型$%&整流器非線性解耦控制研究飽和；（!）所有開關器件均為理想元器件；（"）開關器件的工作頻率遠大于電網頻率。以電壓空間矢量為!軸方向，與之垂直的方向為"軸方向#建立兩相旋轉坐標系，可以得到!#"同步旋轉坐標系下的

9、三相電壓型$%&整流器模型：()!.,9:5.!"#.029;.9:5.!"01.29;39:5.!"013$.66!3,9:53!".029;.9:53!"01.29;39:53!"013&%.66（<）式中9李代數中的微分符號式（<）即為：!.,59.29&1.!3,59.329&1".（=）*#+!,!#-.&-.&(+"+*01)/%*,-!*-.&-.&(+)+"*01"/%*&,.!-.&*0

10、(1!*+!2(1"*+"",*0-*0,*0&*$式中(1)4(1"旋轉坐標系下的開關函數控制變量)#"坐標系下的直流量，可視為常數&+)#&+"!)#"軸旋轉角速度式中&1，&1"非線性狀態(tài)反饋量&1，&1"分別為8（3）#9&,9*+2!*+":&5.&*0(1%1/（>）$&.%9&1",5!*+:9*+"25&*0(1"+/+/&由此可求得

11、式（!）非線性反饋解耦控制量為：)1,式（3）表明旋轉坐標系下三相電壓型$%&整流器模型是一個兩輸入兩輸出的強耦合非線性系統(tǒng)，無法采用一般的線性控制技術實現解耦控制，必須利用非線性控制技術。1(&79*7!*7&?+,),+0-9)1&)&1(9*-!*7&?+.311+"+/1"*01"+"+"（）由式（!）或三相電壓型$%&整流器便可實現非線性反饋線性化。"#(解耦控制策略三相$%&$AB整流器的控制目標有兩個：一是實現對輸入功率因數的控制；二是實現對輸出電壓的控制。

12、對于前者，可以轉換成對輸入無功功率的控制，顯然當控制輸入無功功率為零時，整流器的功率因數$,.。無功控制（.）定義整流器的無功功率"+,-&+*+"，通過無功電流*+"來直接控制"+。當控制*+",6時，無功功率"+,6，三相$%&$AB整流器功率因數$,.。輸出直流電壓&*0控制（3）如果忽略三相電壓型$%&整流器功率管損耗，直流側功率應等于交流側輸入功率，則83!&*7!&*,&*&7（F）+"+"*0*0*0-CDE*!即!&+*+7!&

13、amp;+"*+",*0&*0*&*07;.4其中;.是負載功率。*式（F）可視為實現功率因數控制或無功控制的約束條件。&*0與*0的關系式為8（.G）*0,*0*&*0*當采用單位功率因數校正時4*+",6，由式（=）4式（F）和式（.6）可得：!*=&)=:;.9（.）&&<!+由此可以得到圖3三相電壓型$%&$AB整流器解耦控制系統(tǒng)。!下轉第""頁"!非線性反饋線性化及"#$解耦控制策略%!&反饋線性化非線性系統(tǒng)反饋線性化理論的基本思路，就是

14、選擇適當的非線性坐標變換.,/（0）和非線性狀態(tài)反饋量&,"（0）（0）從而使非線性系統(tǒng)得以在大2#1，范圍甚至全局范圍內線性化，對于多變量非線性系統(tǒng)，在實現線性化的同時，實現解耦。根據非線性反饋線性化理論!)，在考慮到電壓型整流器&*0為恒定條件下，選取狀態(tài)變量0,0.#03*+!#*+"，輸入變量1,1.#13(1!#(1"，可將式（3）寫,成以下兩輸入兩輸出的仿射非線性模型或方程：#!,()（020）23.1.233130$）0$）%)$（4.,5.0$）（!）)（43,530$）&*!*+"2&/式中（60）,+5

15、!*+)2&%/,-7.&*0.3（,/.0）.!6/%)!6（3,30）7.&*0/)（5.0$）,*+530$）,*+"對于式（!），其相關階次8,8.783,.2.,3等于狀態(tài)方程階數，滿足線性化條件，根據式（!）輸出方程可得其非線性坐標變換為84.和43，.,.*,).*.3+"（"）則式（!）在該非線性坐標系中的模型為8第!"卷第#期電力電子技術()*!"+,(*#-./01203+4%&年月5(6.07).890(:;8<的缺陷就是計算量過大。這里的瞬時，只是理論上的瞬時檢測。本文設計的數字帶通

16、濾波器-=>，在基頻處幅值無衰減，無相位延時；并且在實現時采用了?-的遞推關系，每輸出一個點只需要$次乘法，$次加法，大大減少了計算量。算法的實時性。（$）衡量諧波檢測的一個很重要的指標是系統(tǒng)的實時性，由文中虛擬儀器實驗結果!結束語理論和實驗分析均證明，本文所提出的檢測方法是可行的。該方法不僅節(jié)約了計算量，還具有優(yōu)良的跟隨性能，克服了長期以來數字化諧波檢測系統(tǒng)實時性差的問題，實現起來十分方便。該方法可用于任何一種電力系統(tǒng)的諧波補償裝置中。參考文獻劉波，王兆安!瞬時無功功率理論的串聯(lián)混合ACB劉進軍，型單相電力有源濾波器ADB!中國電機工程學報，C""E+CE（C）F!

17、E"GC!顏剛峰，趙光宙!單相電路瞬時諧波及無功電流A$B蔣斌，實時檢測新方法ADB!電力系統(tǒng)自動化，（$C）$%+$GF!&"!H!張俊敏!基于?-的瞬時諧波檢測方法ADB!電力A!B劉開培，自動化設備，（$!）$%!+$FH"C%!劉永清，吳開培*虛擬儀器在電力系統(tǒng)諧波測量AGB婁本剛，中的應用ADB*計算機自動測量與控制，：$%+（H&）$I"$H!可以看出，直接設計帶通濾波器的動態(tài)響應時間為一個整周期，與傳統(tǒng)的瞬時功率檢測方法所需要的大大節(jié)約了動態(tài)響應時間。時間A&B相比，算法的適用性。長期以來，（!）諧波檢測系統(tǒng)的設計只

18、是針對某一種系統(tǒng)而進行的，而文中提出的數字化諧波檢測方法直接對電網電流中的基頻進行處理，將三相四線制系統(tǒng)自身的電流反向后再注入零線中，以實現對零線的補償，因此該方法可適用于任何一種電力系統(tǒng)的諧波檢測。!上接第GC頁"試驗采用KM!$%-$G%E作為系統(tǒng)控制的核心，樣機參數如下：交流輸入電壓有效值!;:#H%，"<O（0N<）&%PQ+#R8OGG%!-+$0O!%NP+%OSC$%，開關頻率"<OC$&TPQ。調節(jié)器C和$的參數分別為%CO%*%!，%$O%*!，&CO$N<和&$O$%N<。控制目標的輸出電壓為$&%。試驗結果表明+相電流跟隨相電壓+無功電流接近零，