【硕士论文】具有不同负载pwm整流器的无源性控制

分类号TP273密级不保密UDC62学校代码11065硕士学位论文具有不同负载PWM整流器的无源性控制王开行指导教师于海生（教授）学科专业名称控制科学与工程论文答辩日期2015年06月06号摘要PWM整流器被广泛应用到变频器、电动机、高频开关电源等电气设备当中。PWM整流器的负载也多种多样，例如电阻负载、阻感负载、蓄电池负载和直流电机负载等。针对几种不同的负载，国内外专家学者曾采用反馈线性化，滑模变结构，自适应等非线性方法对其进行分析和控制。本文基于能量的观点，将无源性控制策略应用到PWM整流器的控制当中，并针对蓄电池负载和阻感性负载,对其控制算法进行了理论分析和仿真验证。同时，在无源性功率控制的基础上，对电阻负载PWM整流器的电压外环增加了滑模控制，并与未加滑模的PWM整流器进行了对比分析。本文的主要工作包括第一，在采用滑模变结构无源性功率控制的策略中，叙述了电阻负载PWM整流器的电路拓扑结构、DQ旋转坐标系下的状态平均模型和欧拉拉格朗日（EULERLAGRANGE）模型；然后选取了滑模面对电压外环进行设计，并利用无源性控制理论求解，得出了系统的无源控制器；最后通过MATLAB/SIMULINK仿真软件对控制系统作了仿真分析，结果表明，采用滑模变结构无源性功率控制能够有效的改善系统的动态和稳态性能，仿真效果良好。第二，建立了蓄电池负载PWM整流器的数学模型，并在此基础上建立其欧拉拉格朗日模型，针对其模型的特点利用无源性控制理论求解，得出了无源控制器；最后对系统进行了仿真分析，结果表明无源性控制方法对蓄电池负载的控制效果较好，且能为蓄电池进行恒压限流充电，稳定性好。第三，基于能量的观点对阻感性负载的PWM整流器进行了相应的建模分析，然后利用李雅谱诺夫方法求取了系统控制器并进行了仿真。通过与空间电压矢量控制对比表明，李雅谱诺夫控制方法稳态性能和跟踪性能良好，同时对于负载扰动有很好的抑制性。针对几种不同的负载，通过仿真结果分析，最终实现了PWM整流器的单位功率因数控制。本文采取的控制方法有效地改善了系统的控制性能，达到了预期的控制目标。关键词无源性控制；PWM整流器；滑模变结构；蓄电池负载；阻感性负载ABSTRACTTHEPWMRECTIFIERISWIDELYUSEDINELECTRICALEQUIPMENTFIELD,SUCHASFREQUENCYCONVERTER,ELECTRICMOTOR,ANDHIGHFREQUENCYSWITCHPOWERPWMRECTIFIERHASAVARIETYOFLOAD,SUCHASRESISTIVELOAD,RESISTIVEANDINDUCTIVELOAD,BATTERYLOADANDDCMOTORLOADINVIEWOFDIFFERENTLOADS,THESEVERALNONLINEARCONTROLMETHODSHAVEBEENPROPOSEDBYMANYEXPERTSANDSCHOLARS,SUCHASFEEDBACKLINEARIZATIONCONTROL,THESLIDINGMODELCONTROLANDADAPTIVECONTROLBASEDONTHEENERGYPOINT,THEPASSIVEBASEDCONTROLSTRATEGYISAPPLIEDTOTHECONTROLOFPWMRECTIFIER,ANDTHEANALYSISOFCONTROLALGORITHMANDCORRESPONDINGSIMULATIONEXPERIMENTSWITHBATTERYLOADANDRESISTIVEINDUCTIVELOADAREALSOCARRIEDOUTINTHISPAPERINADDITION,ONTHEBASISOFTHEPASSIVEBASEDPOWERCONTROLLER,THESLIDINGMODECONTROLISADDEDTOTHEVOLTAGELOOPOFPWMRECTIFIERWITHTHERESISTANCELOADANDTHECOMPARISONTOPASSIVEBASEDPOWERCONTROLWITHOUTSLIDINGMODECONTROLISMADEINTHISPAPERTHEMAINWORKINCLUDESFIRSTLY,THECIRCUITTOPOLOGYSTRUCTUREOFTHEPWMRECTIFIERWITHRESISTANCELOAD,THESTATEAVERAGEMODELOFTHEDQROTATINGCOORDINATEANDEULERLAGRANGEMODELAREALLDESCRIBEDINTHEPASSIVEBASEDPOWERCONTROLSTRATEGYWITHSLIDINGMODECONTROLTHENTHEVOLTAGELOOPISDESIGNEDBYCHOOSINGTHESLIDINGSURFACE,ANDTHECONTROLLERISOBTAINEDACCORDINGTOTHEPASSIVEBASEDCONTROLTHEORYFINALLY,THESIMULATIONANALYSISISCONDUCTEDVIAMATLAB/SIMULINKTHERESULTSSHOWTHEPASSIVEBASEDPOWERCONTROLWITHSLIDINGMODECONTROLCANEFFECTIVELYIMPROVETHEDYNAMICANDSTEADYPERFORMANCEOFTHESYSTEMANDTHEPERFORMANCEOFTHESIMULATIONISEXCELLENTSECONDLY,THEMATHEMATICALMODELOFPWMRECTIFIERWITHTHEBATTERYLOADISESTABLISHED,ANDTHEEULERLAGRANGEMODELOFTHESYSTEMISBUILTBASEDONTHISMODELTHEN,THEPASSIVEBASEDCONTROLLERISCONSTRUCTEDBYPASSIVEBASEDCONTROLSTRATEGYACCORDINGTOTHEMODELCHARACTERISTICFINALLY,THESIMULATIONANALYSISOFTHECONTROLSYSTEMISIMPLEMENTEDTHESIMULATIONRESULTSDEMONSTRATETHATTHECONTROLPERFORMANCEOFPASSIVEBASEDCONTROLSTRATEGYISGOODTOTHESYSTEMWITHBATTERYLOADANDTHEPROPOSEDCONTROLSCHEMECANCHARGETHEBATTERYLOADWITHTHECONSTANTVOLTAGEANDLIMITINGCURRENTTHIRDLY,THEMODELOFPWMRECTIFIERWITHRESISTANCEANDINDUCTANCELOADISANALYZEDBASEDONTHEENERGYPOINTANDTHESYSTEMCONTROLLERISSOLVEDBYTHELYAPUNOVCONTROLSTRATEGYMEANWHILE,BYCOMPARINGWITHTHESPACEVOLTAGEVECTORCONTROLMETHOD,THECONTROLPERFORMANCEBASEDONTHELYAPUNOVCONTROLSTRATEGYHASGOODSTEADYSTATEPERFORMANCEANDSPEEDTRACKINGABILITY,ANDEXCELLENTANTIINTERFERENCEABILITYTOTHELOADDISTURBANCEINVIEWOFDIFFERENTLOADS,THEUNITYPOWERFACTORCONTROLOFPWMRECTIFIERISACHIEVEDBASEDONTHEANALYSISOFSIMULATIONRESULTSTHECONTROLMETHODADOPTEDINTHISPAPERCANEFFECTIVELYIMPROVETHECONTROLPERFORMANCEOFTHESYSTEMANDACHIEVETHEDESIREDCONTROLGOALKEYWORDSPASSIVEBASEDCONTROLPWMRECTIFIERSLIDINGMODECONTROLBATTERYLOADRESISTIVEANDINDUCTIVELOAD目录第一章绪论111本课题研究的背景和意义112国内外研究动态2121PWM整流器的主电路研究2122PWM整流器控制电路研究3123PWM整流器控制策略的研究413主要研究内容和解决的主要问题8131主要研究内容8132研究目标9133主要解决的问题9第二章基于滑模变结构的三相PWM整流器无源性功率控制1121PWM整流器的状态平均数学模型11211PWM整流器的工作原理11212PWM整流器的一般数学模型12213在两相同步旋转坐标系下PWM整流器的数学模型12214三相PWM整流器无源性功率控制EULERLAGRANGE模型1322PWM整流器的控制器求取14221电压外环的滑模变结构控制器设计14222功率内环无源性控制原理15223系统控制器求取1623系统仿真及结果17231空间电压矢量PWM模块的实现17232PWM整流器系统仿真与结果分析2024本章小结22第三章基于蓄电池负载的PWM整流器无源性控制2531在两相同步旋转坐标系下蓄电池负载PWM整流器的数学模型25311蓄电池负载的PWM整流器的主电路结构25312蓄电池负载PWM整流器的状态平均数学模型25313在旋转坐标系下蓄电池负载PWM整流器的数学模型2632蓄电池负载PWM整流器的无源性控制26321蓄电池负载PWM整流器的EULERLAGRANGE模型26322蓄电池负载PWM整流器平衡点的确定27323蓄电池负载PWM整流器的控制器的求取28324比例积分（PI）控制作用的引入2933基于蓄电池负载PWM整流器无源性控制系统的仿真分析3034本章小结32第四章基于李雅普诺夫方法的阻感性负载PWM整流器控制3341PWM整流器数学模型33411PWM整流器的状态平均模型33412DQ旋转坐标变换下PWM整流器的数学模型3442系统控制器设计34421控制目标及系统期望的平衡点34422系统控制原理35423控制器求取3643基于LYAPUNOV方法的阻感性负载PWM整流器的仿真研究3644本章小结39结论41参考文献43攻读学位期间的研究成果47致谢49学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明51第一章绪论11本课题研究的背景和意义当今世界，电力电子技术的进步带来功率开关器件的不断升级，变频器、逆变电源等在工业、能源等各个领域得到普遍应用。在生产和生活当中，人们对整流器的硬件要求及控制方法相应的也变得越来越高。早期的整流器为了获得恒定的直流电压，一般使用不可控或半控型开关器件作为整流环节。这种整流器结构简单，价格便宜，但是由于其自身的局限性，对其实现整流也出现了一系列的问题。其中，二极管整流容易造成输入的交流电流发生畸变，功率因数也不高，整流之后的直流侧电压波动太大，且其交流侧输入电流中因为奇次谐波的影响，为电网引入严重的谐波污染。同时，二极管整流电路局限于电能资源的单向流动，不能再生，对能源造成浪费。晶闸管相控整流电路虽然能承受很高的电压和电流容量，但当其换向时，容易引起交流侧电压波形发生畸变，网侧的谐波电流对电网造成严重影响，功率因数变得很低，不能使系统实现单位功率因数控制。为了解决整流过程当中存在的诸多问题，消除谐波对电网造成的污染问题，提高网侧功率因数，80年代后期全控型功率开关器件的出现在国内外引起了广泛关注。在早期整流器的研究成果上，将全控型功率开关器件应用于整流器的电路设计并对其进行PWM控制起到了很好的控制效果。随着电力电子开关技术的不断进步，全控型功率开关也变得多种多样，性能各异，尤其是绝缘栅双极型晶体管IGBT的出现带来全控型开关器件的技术升级，后来出现的智能功率模块（IPM）是其升级的一个典型体现。采用全控型器件对PWM整流器进行设计，并通过采取有效的控制策略控制开关器件的通断减少了电流波形畸变，也提高了功率因数。不仅使网侧电流输出正弦波同时达到与网测电压同相位的要求,使网侧功率因数为1，而且PWM整流器使能量实现了网侧和直流侧的双向传输，解决了不可控器件和相控器件对整流造成的功率因数低，谐波污染和电网资源浪费的问题。随着PWM整流器以及国内外的控制技术逐渐成熟，PWM整流器无论是其电路结构还是开关控制都发生了很大的变化，渐渐由不可控和硬开关调制发展到现在的全控型软开关调制，功率等级也变得越来越高，性能越来越优越。依据其功率等级及其应用场合进行分类，将PWM整流器的分成单相拓扑结构、三相拓扑结构、多相拓扑结构以及多电平组合的拓扑结构；根据PWM整流器的主电路不同又将其分成电压型和电流型两种。PWM整流器因其交流侧具有受控电流源的特性在很多领域具有不可替代的作用，如有源电力滤波（APF）、电气传动ED、静止无功补偿SVG等1。又因其实现交流侧与直流侧能量的双向流动，使系统运行于单位功率因数，不仅降低了电能损耗，还消除了因为谐波给电网带来的污染。因此，很多专家学者分别从PWM整流器主电路和数学模型的搭建以及控制策略的采用等方向进行深入的研究。而这些研究大多数只局限于电阻负载，忽略了PWM整流器在其他负载领域的应用。本课题主要从能量的角度出发，针对不同负载情况下的PWM整流器进行建模分析和无源性控制。在原有的无源性功率控制的基础上，对阻性负载的PWM整流器加入了滑模变结构控制；针对蓄电池负载，采取了无源性的控制方法对蓄电池实现恒压限流充电；针对阻感性负载，采用了李雅谱诺夫的控制方法对其进行能量控制。课题研究要实现针对不同的负载，系统均可在单位功率因数下运行，并使网侧输入电流实现正弦化，实现能量的双向流动和输出恒定直流电压。12国内外研究动态20世纪70年代，国内外专家学者开始对PWM整流器作初步研究，到了20世纪80年代后期，才开始专注于将全控型开关器件应用于PWM整流器，并致力于研究各种方法对其进行控制。1982年BUSSEALFRED、HOLTZJOACHIM采用可关断器件构建了PWM整流器主电路拓扑结构，并首次提出了通过调节网侧电流的幅值和相位可以完成对PWM整流器的控制2。1984年AKAGIHIROFUMI等基于PWM整流器拓扑电路提出了一种无功补偿器控制策略3，为以后学者对电压型PWM整流器的进一步研究奠定了基础。到了20世纪80年代末，在坐标变换的理论基础上，AWGREEN等人建立PWM整流器数学模型并对其进行控制4，这对于PWM整流器的进一步研究起到了很大的帮助。121PWM整流器的主电路研究本文的研究对象是三相电压型PWM整流器，针对电阻负载，蓄电池负载和阻感性负载几种不同的负载进行控制分析，其主电路是由IGBT组成的整流桥，如图11所示。OAEBC1L23RASBCSCNDCULI负载图11PWM整流器主电路传统的整流电路由于技术落后，器件简单，多采用的是不可控的二极管构成简单的整流桥，可控硅发明以后，功率开关器件从晶闸管发展到电力双极性晶体管（BJT）、电力场效应晶体管（POWERMOSFET）以及现在应用较为广泛的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。IGBT具有MOSFET和BJT所有的优点，其驱动功率小，通断损耗低，可承受电压高，性能优越，获得广大用户的认可。智能功率模块IPMINTELLIGENTPOWERMODULES是继全控型开关器件出现后发展起来且应用较广的智能模块，它把功率开关器件集成在一起，并附加保护和检测电路，使用方便且性能优越，被广泛应用于以后的整流器及逆变器的硬件电路设计中。PWM整流器主电路有电流型和电压型两种。其中，电流型PWM整流器CURRENTSOURCERECTIFIER，简称CSR是在直流端加入电感对系统实现直流储能，使其直流输出端具有高阻抗的电流源特性。同时在交流侧采用滤波电容与电感，这样就构成了LC滤波器，对其抑制网侧谐波电压，消除谐波电流可以起到很好的效果。电压型PWM整流器VOLTAGESOURCERECTIFIER，简称VSR与CSR不同的是，它是在直流端采用电容取代电感进行直流储能，使其直流端呈现出低阻抗的电压源特性，且其网测没有滤波电容，不仅结构简单，损耗也很低。VSR拓扑结构包括半桥与全桥两种，分别适用于不同的电网系统。其中，半桥结构简单，在电网平衡的系统中应用较多。对于三相电压不平衡的电网系统，因为半桥结构的局限性，其控制性能不稳定，容易出现故障，因此对于不平衡的电网系统可以选择全桥拓扑结构。它由三个单相全桥组构成，三个单相全桥之间相互独立。所以电网不平衡时，采用三相全桥拓扑对PWM整流器控制效果更好。但因全桥拓扑所用的功率开关器件较多，结构较为复杂，在实际应用中很少，所以基于三相半桥拓扑的电压型PWM整流电路一直是人们研究的重点。122PWM整流器控制电路研究对三相PWM整流器的控制主要是由求取的控制器通过PWM控制输出六路脉冲信号，然后经驱动电路进行处理对功率开关管进行开关控制。控制电路因其不同的控制方法主要分为频控电路（PFM）、脉宽调制电路（PWM）、相控电路、组合控制电路。其中，PWM控制电路因其独特的控制方式和其他控制电路无法比拟的优点在整流控制中得到最为广泛的应用，课题的实现即采用PWM控制方法。其中，在对整流器的PWM控制中，主要有三种方法正弦脉宽调制控制SPWM、电流滞环跟踪PWM控制CHBPWM和电压空间电压矢量控制SVPWM。SPWM是脉宽调制的一种特殊形式，其脉冲宽度占空比按照正弦形式变化，通过对其有效的滤波，这样就可以输出能够等效为正弦波的PWM信号控制功率器件的导通和关断状态。电流滞环跟踪PWM控制就是采用电流跟踪的方法对变流电路进行控制。这也就是说，将期望得到的电流信号设置为指令信号，将电路当中实际的电流信号设置为反馈信号，然后对两个信号的瞬时值大小进行比较以此来控制当前电路当中各个功率开关器件的导通和关断，使得实际的输出能够快速的跟踪电流的变化。空间电压矢量控制PWMSVPWMSPACEVECTORPULSEWIDTHMODULATION主要按照整流器空间电压或电流矢量切换的思想来实现对整流器的控制。这种控制方法主要来源于对交流电机的变频驱动控制，因其对功率器件的通断频率并没有太高的要求，而且可以提高整流器的电压利用率，同时具有较快的动态响应，所以将其引入到整流器的控制当中弥补SPWM控制的缺陷，事实也证明这种方法对于三相可控PWM整流器控制起到明显的控制效果。经过分析比较，本文结合无源性控制理论，李雅谱诺夫控制方法，以及滑模变结构和无源性的混合控制算法，并采用SVPWM控制作为PWM整流器的控制核心，针对不同的负载进行控制和分析。123PWM整流器控制策略的研究（1）电流控制策略电流控制策略分为两种，其中，间接电流控制策略最早是由国外学者JWDIXON和BTOOI等提出的，间接电流控制策略典型的控制代表是幅相控制，其主要是通过对网侧电压的基波幅值与相位进行控制从而改变输入的交流电流56。其优点是控制方法简单，且静态特性好。因为在控制过程当中不需要使用电流互感器，降低了对系统的投入成本。但是，这种控制策略的缺点是当系统发生扰动时，且电流震荡剧烈，超调较大，稳定性差，暂态过程不理想7。直接电流控制是将电压外环的输出值设置为电流内环的给定值，然后通过电流内环对交流侧的输入电流进行控制从而达到快速跟踪的目的89。这种控制策略具有较快的电流响应特性和较好的鲁棒性，改善了上述间接电流控制稳态性能差的问题，提高了系统的控制精度。但是由于在系统的控制过程中增加了电流内环控制，对其输入电流就有了检测要求，从而增加了控制成本。（2）直接功率控制直接功率控制DPC是从瞬时有功和无功功率出发，通过对PWM整流器采取功率控制的方式间接实现对网侧瞬时有功和无功电流的控制10。20世纪90年代初，外国学者TOKUOOHNISHI在闭环控制系统中应用了瞬时有功功率和无功功率这种新型的控制策略实现对PWM变换器的控制11。随后，TOSHIHIKONOGUCHI等学者在此基础上进行深入研究，取得了很重要的研究成果12。基于虚拟磁链的直接功率控制VFODPC13不需要进行坐标旋转变换，也不需要使用电压传感器，对于硬件的设计要求容易实现，THD低，不用电流调节环，这种控制策略使系统动态性能良好，能够对其有功功率和无功功率的解耦起到很好的控制效果。但是其没有固定的开关频率，对于网侧滤波器的设计也比较困难，同时对于微处理器和A/D转换器的要求比较高，难以实现。双开关表的直接功率控制可以利用可调占空比信号发生器对双开关表进行控制14，不但能增强系统对有功功率的调节能力，同时可以改善系统的抗干扰能力和启动性能，使系统动、静态性能良好，同时解决了功率因数可以调节的问题。采用功率前馈解耦控制的PWM整流器是把系统由非线性变换成线性系统结构，改善了系统动、静态性能。对PWM整流器外环采用电压平方控制，内环采用功率控制可以有效的解决直接功率控制过程中的缺陷，使系统稳定性能好、动态响应快且对负载扰动拥有有效的抑制作用。（3）反馈线性化控制反馈线性化是在微分几何的理论基础上发展起来的一种非线性控制方法15，其控制原理是对微分同胚和状态进行转换，把系统的动态特性由非线性转换成线性，然后运用简单的线性控制方法分析并对其进行设计。文献16最先采用反馈线性化控制理论完成对三相PWM整流器的控制研究。文献17对这个问题作了深一步的分析和探讨，并把它制成了样机，检测出较好的直流电压及电流波形；文献18建立了PWM整流器的SISO模型，并对其采用反馈线性化的控制策略，控制效果良好。反馈线性化的控制方式有两种一种是输入状态反馈线性化，其主要针对非线性系统研究镇定的问题。这种方法过于要求数学模型的精确度，跟踪性能较差，所用理论算法复杂，物理概念模糊。另一种则是输入输出反馈线性化，其主要针对非线性系统研究跟踪和调节的问题，用到的理论算法简单，具有明确的物理概念，掌握起来也比较容易。4滑模控制滑模控制也被称为变结构控制，其主要的控制原理是通过开关控制律的高速运行，在动态过程中使非线性系统的“结构“遵循系统当前运行的状态有针对地不断发生改变，这就使系统根据预先设定的“滑动模态”的状态运行19。因为滑动模态与系统的参数和扰动没有关系，可以对其进行设计。而且其动力学特性与控制对象和负载扰动无关，取决于滑动系统的向量场，所以滑模控制加快了系统的响应速度，对于参数变化及负载扰动有较好的抑制性且实现起来比较简单。滑模控制最明显的缺陷是不能解决控制器输出时的抖动问题，对系统造成很大影响。5时间最优控制策略基于两相坐标旋转变换的PWM整流器一般先采用前馈解耦控制，然后设计两个独立的PI控制器对相应的有功电流和无功电流进行PI调节。由于受到有功分量和无功分量动态耦合的限制，同时考虑到电压利用率对系统的影响，其直流电压的响应速度也会受到干扰。针对上述的问题，为了保证有功分量响应，在最优控制理论的基础上提出一种新的控制策略，即时间最优控制20。其控制原理主要是通过时间最优控制理论将跟踪指令电流所要求的最优控制电压求解，同时降低系统无功分量的响应速度，进而可以有效地加快直流电压在动态过程中的响应速度，最终实现时间最优控制。（6）自抗扰控制策略在日常工程中，网测电压扰动、直流侧的负载扰动和各种参数改变都会引起系统不稳定，这些扰动会对PWM整流器的控制性能造成影响，进而影响到整流效果，因此引入自抗扰技术抑制这些系统中存在的扰动。自抗扰控制器（ADRC）主要是由扩张状态观测器（ESO）、非线性跟踪微分器（TD）和状态误差反馈（NLSEF）三部分组成21。其中，TD对输入信号可以起到快速跟踪的作用，并对其提供良好的微分信号，然后由ESO对状态量和扰动量进行观测，并负责对系统的估计，最后，由NLSEF负责对系统中的扰动进行前馈补偿。这种控制方法可以有效避免积分反馈的不良影响，但其缺点是，对于系统模型阶数大于3的情况，计算量很大，会有很长的控制周期。（7）电网不平衡情况下的PWM整流器控制在日常运行的电力系统当中，由于电网三相电源电压的幅值和相位不对称，常常会导致电网电压不平衡。而对PWM整流器的研究设计中一般的都是在三相电网电压平衡的情况下设计的，这就引起网侧电流不平衡，同时使直流侧输出电压低次谐波幅值变大，从而会出现非特征谐波，最终导致PWM整流器不能正常运行。针对上述状况，如何让PWM整流器在电力系统当中即使处在电网电压不平衡的情况下也能正常运行，为此，国内外学者对其进行了深入研究。外国学者KHANSI和VERDELHO等对处于不平衡情况下VSR系统的数学模型作了深入分析，并针对这种情况下PWM整流器的控制算法进行了研究22。LUISMORDN等于1992年对处在三相电网电压不平衡情况下的PWM整流器网侧电流和直流端输出电压的时域表达式进行了分析和推导23,并通过理论分析提出，由于电网负序分量的存在，致使网侧电流波形发生畸变。传统的控制方法针对电网不平衡时对系统产生的谐波影响也无可避免。但是，LUISMORDN并没有提出改进和优化的方法。因此，DVINCENTI等人提出了一种新的控制策略，即引入负序分量的前馈控制，以此来消除电网负序分量导致的PWM整流器网侧电流畸变的问题24。但是这种控制策略还是不能解决负序基波分量对系统的干扰问题。1999年，HONGSEOKSONG等学者针对上述问题分析了一种新的控制方案，通过正序和负序两套同步旋转坐标用以解决负序基波分量的问题25，该方案采用坐标同步旋转变换的方法，将正序和负序基波分量变化成直流分量，然后采用PI调节器就可以实现系统的无静差控制，相比较而言，这个控制方案在理论上较为完善，但因其控制结构较为复杂，并且运算工作量比较大，通常使用双数字信号处理器DSP对其进行控制。8无电网电动势传感器和无交流电流传感器控制TOSHIHIKONOGUCHI和BHKWON等学者针对电压型PWM整流器提出了一种基于无电网电动势传感器的控制策略26，这种控制方法简化了PWM整流器对其信号的检测。对于重构电网电动势这种控制策略给出了两种方法一种是开环估计算法，采用复功率的估计对其进行重构。这种方法精度不高，且在这种算法中存在微分项，很容易给系统带来干扰。另一种是闭环估计算法，通过控制网侧电流偏差对其进行重构。即对交流侧输入电流偏差通过传统的PI控制对电网电动势的重构误差进行有效的调节，这种控制方法比第一种方法精度要高。后来，MRIESE通过检测获得了直流侧电流，并以此来实现对电压型逆变器网侧电流的重构，为以后无交流电流传感器控制策略在PWM整流器当中的应用提供了重要的理论基础。（9）智能控制目前应用最广的智能控制方法主要有两种，一种是模糊控制，另一种是神经网络控制。模糊控制策略采用模糊语言的形式传递信息，基于模糊逻辑规则，通过推理运算，然后将确定性输入量模糊化，并采用模糊推理求出模糊输出，最后利用清晰化的方式获得输出的确定值2728。求取的控制器不需要对被控对象的数学模型形成依赖关系，而且能够很快适应系统参数的变化,控制简单并且造价比较低，但是模糊控制器因其具有设计精度和控制规则的优劣存在彼此制约的缺点，很难实现系统的最优控制。基于神经网络的控制方法是把函数的映射关系设置在网络连接权与节点的函数中，将输入数据和输出数据设定为学习样本，对每层的连接权值进行调节，使输入与输出的对应关系能够随意逼近系统期望的非线性动态系统16。此种控制策略鲁棒性比较好，同时具有较强的学习能力，其缺点是，在控制过程中要求较高的采样频率来取得更好的非线性跟踪性能，为此需要消耗更多的时间对其进行程序设计，而且还要考虑学习过程中对环境因素的要求。10基于李雅普诺夫方法的PWM整流器控制李亚普诺夫LYAPUNOV方法有间接法和直接法之分，两者均需要建立原非线性系统的运动方程。不同的是，LYAPUNOV间接法是对其运动方程进行求解，然后在平衡点处采用近似的方式对系统进行线性化，最后通过对线性化方程的稳定性进行分析来判断原非线性系统在平衡点处是否稳定。LYAPUNOV直接法是在其运动方程的基础上，定义系统的LYAPUNOV函数并对其能量函数求导，通过分析能量函数及其一阶导数来判断非线性系统的稳定性29。文献30首次通过LYAPUNOV方法对PWM整流器进行能量控制，并选取了LYAPUNOV能量函数对系统进行稳定性分析，通过求取的控制器取得良好的控制效果；文献31采用了LYAPUNOV直接法，通过加入反馈增益对PWM整流器进行LYAPUNOV控制，减小了系统参数发生扰动时对系统造成的不良影响，并针对变反馈增益与定反馈增益不同情况下的仿真结果进行了对比分析。LYAPUNOV直接法尽管对于较为复杂的非线性系统都适用，但需要设置一个合适的LYAPUNOV函数，这种控制方式对于非线性系统而言，因其并没有统一的方法对LYAPUNOV函数进行求解，所以很难求得最佳能量函数分析系统的稳定性。（11）基于能量成型的无源性控制无源控制理论（PASSIVITYBASEDCONTROL）是一种基于全局定义并对系统进行全局稳定性分析的能量控制策略，最早由ORTEGA等人在机器人控制理论中研究发展起来的3233。该方法采用选取期望的能量存储函数的方法，通过注入阻尼这种为系统提供无源的方式来实现非线性系统的镇定问题，对于系统的控制和分析提供了一种新的解决方法。无源性控制以系统的控制目标为依据决定系统能量的分布，保证系统即使是在其最小的能量消耗点也能够保持稳定。它具备很多其他传统控制策略所没有的优点，对于某些非线性系统即使没有建模动态鲁棒性也比较好。外国学者RORTEGA等曾在单相PWM整流器中应用了无源性控制方法对控制器进行求取，对其整流的实现起到不错的效果。文献34在两相静止坐标系中针对PWM整流器建立了仿射非线性模型，运用ESDIENERGYSHAPINGANDDAMPINGINJECTION的方法，得到了辅助动力学系统，并通过无源性控制理论求取了系统的无源控制器，控制简单，同时也优化了系统的暂态响应，控制效果比较好。文献35采用对电流内环设定积分项的方法，通过补偿电流误差，对无源性控制方法作了改进和优化，并通过ESDI求取了控制器，有效的优化了系统的动静态性能。随着对能量控制进一步研究，无源性控制方法也渐渐走向成熟，国内外学者又提出欧拉拉格朗日法、端口受控的哈密顿系统（PORTCONTROLLEDHMILTON）等多种控制算法等。3637对能量成型的PCH控制方法在变换器当中的应用做了详细的说明；文献3840分别对永磁同步电机、三相异步电机和双馈交流电机的PCH数学模型进行了分析研究，并采用互联和阻尼配置的方式得到系统的控制器，改善了电机的控制性能。由于PWM控制是典型的非线性系统，具有时变、耦合的特点，在对其控制时，计算的复杂性、非线性、耦合性及参数的不确定性，使传统的控制策略很难在实际应用时达到预先设定的控制要求。基于PBC控制算法的PWM整流器不但能够避免谐波对电网造成的污染，节约电网资源，而且使系统在单位功率因数下运行，同时无源性控制算法简单，成本较低，因此无源性算法在变流器控制4142和电机控制4344当中应用广泛。13主要研究内容和解决的主要问题131主要研究内容本课题主要研究具有不同负载PWM整流器的控制方法，将电压型PWM整流器作为研究对象，在本课题以前工作的基础上，分别在电阻、蓄电池和阻感性不同负载情况下对PWM整流器进行建模分析并采用不同的控制方法求取系统控制器，主要研究内容如下（1）在三相静止ABC坐标系下和两相同步旋转坐标系下建立阻性负载PWM整流器的数学模型。并在无源性功率控制的基础上，电压外环加入滑模变结构对阻性负载PWM整流器进行控制，通过注入阻尼设计PWM整流控制器并进行仿真分析。（2）以蓄电池负载作为研究对象，建立PWM整流器的欧拉拉格朗日模型。根据无源性的控制原理，通过注入阻尼设计PWM整流无源控制律，并通过MATLAB/SIMULINK对系统进行仿真分析。（3）在三相静止ABC坐标系下和两相同步旋转坐标系下建立阻感性负载的PWM整流器的数学模型。利用李雅谱诺夫的方法，通过注入阻尼设计PWM整流控制器，并与空间电压矢量进行对比分析，总结李雅谱诺夫控制方法的优缺点。132研究目标（1）实现具有阻性负载PWM整流器的无源性功率控制，并在电压外环加入滑模变结构控制，使网侧电压电流同相位，直流侧输出电压恒定。并对比分析加入滑模后控制系统在跟踪性能和抗干扰性能上的优点。（2）实现具有蓄电池负载的PWM整流器无源性控制，使网侧电压电流同相位，且功率因数为1，直流侧输出恒定充电电压实现对蓄电池的充电控制。（3）实现具有阻感性负载的PWM整流器的李雅普诺夫控制，使网侧电压电流同相位，且功率因数为1，直流侧输出电压恒定。（4）利用MATLAB/SIMULINK仿真软件针对不同负载PWM整流器完成仿真，并对阻尼注入，参数变化，负载变化和期望值变化对系统的影响进行分析和评价。133主要解决的问题（1）改善PWM整流器网侧电流出现的畸变问题，消除电网谐波污染；（2）实现不同负载情况下PWM整流器网侧单位功率因数运行，直流侧实现电压恒定。（3）抑制控制系统当中出现的参数扰动和负载扰动问题，并对直流电压的变化快速跟踪。（4）对不同负载的PWM整流器通过仿真软件搭建控制模型，选择合理的控制参数进行仿真分析。第二章基于滑模变结构的三相PWM整流器无源性功率控制本章的第一部分介绍PWM整流器无源性功率控制的EULERLAGRANGE模型；第二部分介绍三相PWM整流器的无源性功率控制方法及控制律的求取，并介绍滑模变结构的控制原理；第三部分通过MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建整个控制系统仿真模型并对仿真结果进行对比分析。21PWM整流器的状态平均数学模型211PWM整流器的工作原理电阻负载的PWM整流器主电路如下。OAEBC1L23RASBCSCNLIDCULR图21电阻负载PWM整流器的主电路图21中，是三相对称的网侧输入电压，其中，AEBCECOSAMEUT，；和分别表示网侧滤波电感和网COS120BMEUTOS120MUTLR侧等效电阻，表示IGBT的开关状态，。当时，只有KSK,S,KBCK1S上桥臂导通；当时，只有下桥臂导通。表示电阻负载，表示直流侧的滤LRC波电容，表示直流侧输出电压。DCUPWM整流器的工作原理PWM整流器采用的是全控型功率开关器件IGBT，通过PWM控制技术控制IGBT的开通与关断时间从而实现对网侧基波电流幅值和相位的控制。当IGBT的开关频率很高时，在交流侧电感的滤波作用下，电流与电压的谐波分量忽略不计，整流桥就能够看成理想状态下的三相交流电压源。然后通过对网侧电流的幅值和相位进行控制，就可以调节系统的功率因数，进而实现对直流侧电压的控制。当PWM整流器工作在稳定状态时，直流侧储能电容抑制了输出直流电压的波动，使输出直流电压恒定。212PWM整流器的一般数学模型理想状态下，在三相静止坐标系下建立电阻负载PWM整流器的状态平,ABC均模型45210,0,3KKDCNDCKABCLNKCILERIUTUCR式中，表示占空比函数，即开关函数的平均值，为网侧三相电流，KSKI,和分别是直流侧的电压和电流。ABCDULI213在两相同步旋转坐标系下PWM整流器的数学模型采用等功率坐标变换的方法，就可以将21式的数学模型转换到两相同步旋转坐标系中，坐标变换后，系统的状态变量减小到三维，正弦量转变成直流量，计算量减小，控制器设计简单。其中，等功率坐标变换矩阵为2200/0COS12COS122INIIN31ABCDQTTTT是正交矩阵。/0ABCDQ其逆矩阵为231000/0COSSIN12213IDQABCDQTTTTT式中，是电网角频率。将轴和轴分别定义为系统的有功分量和无功分量，Q则在两相同步旋转坐标系下建立电阻负载PWM整流器的状态平均数学模型4524DDQDCQCDCDDQLILERILUTUCITR式中，为占空比函数，。DQ320TTDQMEU三相PWM整流器的瞬时有功功率、瞬时无功功率方程为125DQDPIIQE则由24式可得同步旋转坐标下功率控制数学模型DQ262MMDCQDC22DCMDCMMDMQL3320333322LURPLUUTQTUUCQTR214三相PWM整流器无源性功率控制EULERLAGRANGE模型机械动力学系统的动态方程可以描述为27,LFDTQQQ式中，表示维广义位移向量，相应的，表示系统广义速度向量，拉格朗日函QN数，和分别表示系统动能和势能，其中，,LKPQ,KPQ，是瑞利耗散函数，是广义力向量，是外部扰动信号。12DFQ由式27推导得EULERLAGRANGE方程的一般形式528,QCQG式中，和分别表示正定惯性矩阵和重力，是离心力和哥氏力。DQG,CQ令，29DCPQU2M30U则210DCPQUQ系统LAGRANGE如下2111,2LKQDQ式中，2122M03LUCDQ瑞利耗散函数21312FQR式中，表示系统的耗散性R2142M03DCLRUURR将式211和式213代入式27，取，根据式28可推导出系统的EULER0QLAGRANGE方程的形式215DQB,QU表示系统的内部互联结构，表示交流侧的输入电压。BQ,216MDQMDQ302302LUUBQ,22PWM整流器的控制器求取221电压外环的滑模变结构控制器设计采用电压外环和功率内环双闭环对PWM整流器进行控制，其中，电压外环控制采用的是滑模控制，功率内环采用的是无源性功率控制。令，式中，表示期望的直流输出电压，表示系统实际输出DCVUDCVDCU直流电压，选取滑模面为217DST其中，为一阶响应时间常数，把式26代入式217。上式滑模面可写成21832DCDCCMDQLUSVUUCPQRC设网侧输入为三相对称电压，当系统达到稳态时，无功功率，0，网侧电压DQ旋转坐标变换后,，。/0DPTQDTM32DEUQE则26可写成2192DMMDCQDC33/2/URPUL将219代入218得2202M1532DDCDCDCLMUCUUSVPCRRP当系统达到切换线时,电压误差将遵循指数规律衰减到0,此时,0S0这时可以得出电压外环调节方程，即滑模变结构控制律2212M015DCDCDCLUCUUPVCRRP222功率内环无源性控制原理根据系统的要求，其控制目标为系统达到稳态时，网侧电流与电压同相位，功率因数为1，且各个状态变量应该达到平衡点，即直流侧输出电压应达到期望值，且。定义系统期望的平衡点为DCVDCM3/2U22200DCPQVQ令系统状态误差，则EQ223E0Q将式223代入式215，可获取误差系统如下224EEEDQB,R式中，225000DQBUQR,取误差系统能量函数226EEE12V式226沿误差系统224对时间求导，可得227TTEEEEEEVQDQBQ,QRQR式中，为反对称矩阵，所以有。BE0,令228AEQ229A12A30RRR则224可变换为230EEDE0DQB,QR式中，是期望阻尼矩阵，是为系统注入的阻尼矩阵。DRDARA因此，式227可变换为231EAEEDETTE0VQQQ根据无源性控制原理可知，误差系统230是渐近稳定的。根据225和228，可得系统控制律方程232000AEQB,QQUDR223系统控制器求取将29、212、214、216、221、222、223、229代入232，可得2330D0A10A1MDC0Q0A2222DCDCMD0QM0MA3DCML133302322DPRPTUVLQRPRVVUCTIIURUTR取，根据平衡点条件，式233最后的式子自然成立。根据式233前两个式A3R子可得系统控制律234DA10A1MDCQ0ADC2M2M321UPRRVQLPR23系统仿真及结果通过MATLAB/SIMULINK平台进行软件仿真，对基于滑模变结构的PWM整流器的无源性功率控制进行仿真验证，并分析系统在无源性功率控制研究成果上加入滑模变结构的优越性。首先先介绍一下SVPWM模块的控制原理，然后给出其仿真结果，后面两个章节的SVPWM模块不在赘述。231空间电压矢量PWM模块的实现在整个仿真模型当中，要用到PWM整流器的主电路模块、算法实现模块和SVPWM模块等，这里只介绍一下SVPWM模块的实现。由占空比函数,可得旋转坐标系中的两个电压分量DQ，235DCUVQDCU通过坐标变换，可得在两相静止坐标系下的电压分量236OSINCDQ三相电压矢量经过坐标变换以后，能够得到两个零向量和6个非零向量，由它们组成基本的空间矢量。其中，两个零向量位于原点，6个非零向量在几何意义上就构成了正六边形。定义这8个基本的空间矢量为、0U61208U240、和，其分布情况和开关状态如图22所示。30UO1240U180120U10U30600O1O1T2OUT图22空间矢量和开关状态其中，是参考电压矢量，由相邻的两个电压矢量根据各自的作用时间OUT和来获得，其中，其余的作用时间要处于状态或，即1T212T0O1，可近似作如下表示023712601OUTXTU或由237可得23811260OUTTU由下式可得和的持续作用时间和06122392601260SINCOSOUT由式237和式239可得240123DCDCUT电压矢量和在一个周期内的持续作用时间比如下0U6241123DCDCTUTT由于所持续的时间比在不同的扇区内各不相同，定义以下三个变量就可以OUTU推导出其他扇区内的持续时间比242323DCDCDCUXYUZ在确定参考电压的扇区和持续时间比，之后，根据坐标变换就可求OUTU1T2得243123053REFDCFDCREFVU设整数和243式三个变量有以下的关系式N，其中，1234REFRE