三相电压型PWM整流器非线性解耦控制研究

1、第!"卷第#期电力电子技术()*!"+,(*#()*!"I,(*-./01203+4%&-./01203I$%&年月5(6.07).890(:;8<三相电压型#$%整流器非线性解耦控制研究卢至锋H张波I邓卫华（华南理工大学+广东广州&%JK%）摘要!基于非线性系统反馈线性化理论，建立了三相电压型5=>整流器非线性仿射模型，推导出其对应的非线性坐标变换矩阵和非线性状态反馈矩阵，得到了三相电压型5=>整流器反馈线性化模型，提出了三相电压型5=>整流器无功功率和有功功率的解耦控制策略。对三相电压型5=>整流器解耦控制

2、特性进行了细致分析和研究。结果表明，反馈线性化能较好地实现三相电压型5=>整流器的解耦控制。给出的试验结果验证了文中理论研究的正确性。关键词!整流器；脉宽调制F非线性系统；反馈线性化；解耦控制中图分类号!L>KJ#文献标识码!M文章编号!#%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!引言入交流电源的无功控制和直流电压调节。目前，阻碍三相5=>5-?整流器发展的最大!难题是实现三相电压和电流的解耦控制。利用!个单相5-?整流器可以解决耦合控制问题，但明显存在开关元件多、电路不紧凑和均流问题；采用三相四线伪桥式单开关5-?整流电路，上下半桥独立，可实现部分解耦，但电路需要中线，有!次谐波电流通过，需对电流反馈进行滤波，增加控制复

7、杂性。为此，本文针对三相电压型5=>5-?整流器非线性解耦控制问题，利用非线性系统反馈线性化理论，在建立同步旋转坐标系下的三相电压型5=>整流器仿射非线性模型基础上，提出具有一般性的$非线性全解耦控制策略，从而精确实现整流器输"同步旋转坐标系下的三相电压型#$%整流器仿射非线性模型图示出三相电压型5=>整流器。图三相电压型5=>整流器电路图中!A8直流侧电容电压"A8+#A8直流侧电容、电阻基本假设B（）三相电网电压为对称三相交流电，分别为：!<$C%D8(<!&#%!<C%D8(<!&E$!F!"$

8、%基金项目!广东省科技计划项目电力电子专项重点项目!4%4M%&%!"定稿日期!4%KN%KN4%作者简介：卢至锋!"fg#"I男#湖南涟源人#硕士研究生#研究方向为三相5-?$（）!<(C%D8(<!&G4!F!"&（4）交流侧的电感三相对称，并在工作范围内不三相电压型$%&整流器非线性解耦控制研究饱和；（!）所有开关器件均为理想元器件；（"）开关器件的工作频率远大于电网频率。以电压空间矢量为!轴方向，与之垂直的方向为"轴方向#建立两相旋转坐标系，可以得到!#"同步旋转坐标系下的

9、三相电压型$%&整流器模型：()!.,9:5.!"#.029;.9:5.!"01.29;39:5.!"013$.66!3,9:53!".029;.9:53!"01.29;39:53!"013&%.66（<）式中9李代数中的微分符号式（<）即为：!.,59.29&1.!3,59.329&1".（=）*#+!,!#-.&-.&(+"+*01)/%*,-!*-.&-.&(+)+"*01"/%*&,.!-.&*0

10、(1!*+!2(1"*+"",*0-*0,*0&*$式中(1)4(1"旋转坐标系下的开关函数控制变量)#"坐标系下的直流量，可视为常数&+)#&+"!)#"轴旋转角速度式中&1，&1"非线性状态反馈量&1，&1"分别为8（3）#9&,9*+2!*+":&5.&*0(1%1/（>）$&.%9&1",5!*+:9*+"25&*0(1"+/+/&由此可求得

11、式（!）非线性反馈解耦控制量为：)1,式（3）表明旋转坐标系下三相电压型$%&整流器模型是一个两输入两输出的强耦合非线性系统，无法采用一般的线性控制技术实现解耦控制，必须利用非线性控制技术。1(&79*7!*7&?+,),+0-9)1&)&1(9*-!*7&?+.311+"+/1"*01"+"+"（）由式（!）或三相电压型$%&整流器便可实现非线性反馈线性化。"#(解耦控制策略三相$%&$AB整流器的控制目标有两个：一是实现对输入功率因数的控制；二是实现对输出电压的控制。

12、对于前者，可以转换成对输入无功功率的控制，显然当控制输入无功功率为零时，整流器的功率因数$,.。无功控制（.）定义整流器的无功功率"+,-&+*+"，通过无功电流*+"来直接控制"+。当控制*+",6时，无功功率"+,6，三相$%&$AB整流器功率因数$,.。输出直流电压&*0控制（3）如果忽略三相电压型$%&整流器功率管损耗，直流侧功率应等于交流侧输入功率，则83!&*7!&*,&*&7（F）+"+"*0*0*0-CDE*!即!&+*+7!&

13、amp;+"*+",*0&*0*&*07;.4其中;.是负载功率。*式（F）可视为实现功率因数控制或无功控制的约束条件。&*0与*0的关系式为8（.G）*0,*0*&*0*当采用单位功率因数校正时4*+",6，由式（=）4式（F）和式（.6）可得：!*=&)=:;.9（.）&&<!+由此可以得到图3三相电压型$%&$AB整流器解耦控制系统。!下转第""页"!非线性反馈线性化及"#$解耦控制策略%!&反馈线性化非线性系统反馈线性化理论的基本思路，就是

14、选择适当的非线性坐标变换.,/（0）和非线性状态反馈量&,"（0）（0）从而使非线性系统得以在大2#1，范围甚至全局范围内线性化，对于多变量非线性系统，在实现线性化的同时，实现解耦。根据非线性反馈线性化理论!)，在考虑到电压型整流器&*0为恒定条件下，选取状态变量0,0.#03*+!#*+"，输入变量1,1.#13(1!#(1"，可将式（3）写,成以下两输入两输出的仿射非线性模型或方程：#!,()（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$）,*+530$）,*+"对于式（!），其相关阶次8,8.783,.2.,3等于状态方程阶数，满足线性化条件，根据式（!）输出方程可得其非线性坐标变换为84.和43，.,.*,).*.3+"（"）则式（!）在该非线性坐标系中的模型为8第!"卷第#期电力电子技术()*!"+,(*#-./01203+4%&年月5(6.07).890(:;8<的缺陷就是计算量过大。这里的瞬时，只是理论上的瞬时检测。本文设计的数字带通

16、滤波器-=>，在基频处幅值无衰减，无相位延时；并且在实现时采用了?-的递推关系，每输出一个点只需要$次乘法，$次加法，大大减少了计算量。算法的实时性。（$）衡量谐波检测的一个很重要的指标是系统的实时性，由文中虚拟仪器实验结果!结束语理论和实验分析均证明，本文所提出的检测方法是可行的。该方法不仅节约了计算量，还具有优良的跟随性能，克服了长期以来数字化谐波检测系统实时性差的问题，实现起来十分方便。该方法可用于任何一种电力系统的谐波补偿装置中。参考文献刘波，王兆安!瞬时无功功率理论的串联混合ACB刘进军，型单相电力有源滤波器ADB!中国电机工程学报，C""E+CE（C）F!

17、E"GC!颜刚峰，赵光宙!单相电路瞬时谐波及无功电流A$B蒋斌，实时检测新方法ADB!电力系统自动化，（$C）$%+$GF!&"!H!张俊敏!基于?-的瞬时谐波检测方法ADB!电力A!B刘开培，自动化设备，（$!）$%!+$FH"C%!刘永清，吴开培*虚拟仪器在电力系统谐波测量AGB娄本刚，中的应用ADB*计算机自动测量与控制，：$%+（H&）$I"$H!可以看出，直接设计带通滤波器的动态响应时间为一个整周期，与传统的瞬时功率检测方法所需要的大大节约了动态响应时间。时间A&B相比，算法的适用性。长期以来，（!）谐波检测系统的设计只

18、是针对某一种系统而进行的，而文中提出的数字化谐波检测方法直接对电网电流中的基频进行处理，将三相四线制系统自身的电流反向后再注入零线中，以实现对零线的补偿，因此该方法可适用于任何一种电力系统的谐波检测。!上接第GC页"试验采用KM!$%-$G%E作为系统控制的核心，样机参数如下：交流输入电压有效值!;:#H%，"<O（0N<）&%PQ+#R8OGG%!-+$0O!%NP+%OSC$%，开关频率"<OC$&TPQ。调节器C和$的参数分别为%CO%*%!，%$O%*!，&CO$N<和&$O$%N<。控制目标的输出电压为$&%。试验结果表明+相电流跟随相电压+无功电流接近零，