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(shù)()*!"+,(*#()*!"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(xué)+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(dǎo)出其對應(yīng)的非線性坐標(biāo)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(jìn)行了細(xì)致分析和研究。結(jié)果表明，反饋線性化能較好地實(shí)現(xiàn)三相電壓型5=>整流器的解耦控制。給出的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中理論研究的正確性。關(guān)鍵詞!整流器；脈寬調(diào)制F非線性系統(tǒng)；反饋線性化；解耦控制中圖分類號(hào)!L>KJ#文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼!M文章編號(hào)!#%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(diào)節(jié)。目前，阻礙三相5=>5-?整流器發(fā)展的最大!難題是實(shí)現(xiàn)三相電壓和電流的解耦控制。利用!個(gè)單相5-?整流器可以解決耦合控制問題，但明顯存在開關(guān)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(guān)5-?整流電路，上下半橋獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)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(jìn)行濾波，增加控制復(fù)

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(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相電壓型5=>整流器仿射非線性模型基礎(chǔ)上，提出具有一般性的$非線性全解耦控制策略，從而精確實(shí)現(xiàn)整流器輸"同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相電壓型#$%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(cè)電容電壓"A8+#A8直流側(cè)電容、電阻基本假設(shè)B（）三相電網(wǎng)電壓為對稱三相交流電，分別為：!<$C%D8(<!&#%!<C%D8(<!&E$!F!"$

8、%基金項(xiàng)目!廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目電力電子專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)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?yàn)槿?-?$（）!<(C%D8(<!&G4!F!"&（4）交流側(cè)的電感三相對稱，并在工作范圍內(nèi)不三相電壓型$%&整流器非線性解耦控制研究飽和；（!）所有開關(guān)器件均為理想元器件；（"）開關(guān)器件的工作頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率。以電壓空間矢量為!軸方向，與之垂直的方向?yàn)?quot;軸方向#建立兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可以得到!#"同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(shù)中的微分符號(hào)式（<）即為：!.,59.29&1.!3,59.329&1".（=）*#+!,!#-.&-.&(+"+*01)/%*,-!*-.&-.&(+)+"*01"/%*&,.!-.&*0

10、(1!*+!2(1"*+"",*0-*0,*0&*$式中(1)4(1"旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)控制變量)#"坐標(biāo)系下的直流量，可視為常數(shù)&+)#&+"!)#"軸旋轉(zhuǎn)角速度式中&1，&1"非線性狀態(tài)反饋量&1，&1"分別為8（3）#9&,9*+2!*+":&5.&*0(1%1/（>）$&.%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(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電壓型$%&整流器模型是一個(gè)兩輸入兩輸出的強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，無法采用一般的線性控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)解耦控制，必須利用非線性控制技術(shù)。1(&79*7!*7&?+,),+0-9)1&)&1(9*-!*7&?+.311+"+/1"*01"+"+"（）由式（!）或三相電壓型$%&整流器便可實(shí)現(xiàn)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(biāo)有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)對輸入功率因數(shù)的控制；二是實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制。

12、對于前者，可以轉(zhuǎn)換成對輸入無功功率的控制，顯然當(dāng)控制輸入無功功率為零時(shí)，整流器的功率因數(shù)$,.。無功控制（.）定義整流器的無功功率"+,-&+*+"，通過無功電流*+"來直接控制"+。當(dāng)控制*+",6時(shí)，無功功率"+,6，三相$%&$AB整流器功率因數(shù)$,.。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(cè)功率應(yīng)等于交流側(cè)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(fù)載功率。*式（F）可視為實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制或無功控制的約束條件。&*0與*0的關(guān)系式為8（.G）*0,*0*&*0*當(dāng)采用單位功率因數(shù)校正時(shí)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(zhuǎn)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(dāng)?shù)姆蔷€性坐標(biāo)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(nèi)線性化，對于多變量非線性系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)線性化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)解耦。根據(jù)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(guān)階次8,8.783,.2.,3等于狀態(tài)方程階數(shù)，滿足線性化條件，根據(jù)式（!）輸出方程可得其非線性坐標(biāo)變換為84.和43，.,.*,).*.3+"（"）則式（!）在該非線性坐標(biāo)系中的模型為8第!"卷第#期電力電子技術(shù)()*!"+,(*#-./01203+4%&年月5(6.07).890(:;8<的缺陷就是計(jì)算量過大。這里的瞬時(shí)，只是理論上的瞬時(shí)檢測。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字帶通

16、濾波器-=>，在基頻處幅值無衰減，無相位延時(shí)；并且在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了?-的遞推關(guān)系，每輸出一個(gè)點(diǎn)只需要$次乘法，$次加法，大大減少了計(jì)算量。算法的實(shí)時(shí)性。（$）衡量諧波檢測的一個(gè)很重要的指標(biāo)是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，由文中虛擬儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果!結(jié)束語理論和實(shí)驗(yàn)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(jì)算量，還具有優(yōu)良的跟隨性能，克服了長期以來數(shù)字化諧波檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的問題，實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償裝置中。參考文獻(xiàn)劉波，王兆安!瞬時(shí)無功功率理論的串聯(lián)混合ACB劉進(jìn)軍，型單相電力有源濾波器ADB!中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，C""E+CE（C）F!

17、E"GC!顏剛峰，趙光宙!單相電路瞬時(shí)諧波及無功電流A$B蔣斌，實(shí)時(shí)檢測新方法ADB!電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（$C）$%+$GF!&"!H!張俊敏!基于?-的瞬時(shí)諧波檢測方法ADB!電力A!B劉開培，自動(dòng)化設(shè)備，（$!）$%!+$FH"C%!劉永清，吳開培*虛擬儀器在電力系統(tǒng)諧波測量AGB婁本剛，中的應(yīng)用ADB*計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量與控制，：$%+（H&）$I"$H!可以看出，直接設(shè)計(jì)帶通濾波器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為一個(gè)整周期，與傳統(tǒng)的瞬時(shí)功率檢測方法所需要的大大節(jié)約了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間A&B相比，算法的適用性。長期以來，（!）諧波檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只

18、是針對某一種系統(tǒng)而進(jìn)行的，而文中提出的數(shù)字化諧波檢測方法直接對電網(wǎng)電流中的基頻進(jìn)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(shí)現(xiàn)對零線的補(bǔ)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(yàn)采用KM!$%-$G%E作為系統(tǒng)控制的核心，樣機(jī)參數(shù)如下：交流輸入電壓有效值!;:#H%，"<O（0N<）&%PQ+#R8OGG%!-+$0O!%NP+%OSC$%，開關(guān)頻率"<OC$&TPQ。調(diào)節(jié)器C和$的參數(shù)分別為%CO%*%!，%$O%*!，&CO$N<和&$O$%N<。控制目標(biāo)的輸出電壓為$&%。試驗(yàn)結(jié)果表明+相電流跟隨相電壓+無功電流接近零，