王新剛　顧臻

摘要：為降低模型參數分散和外部干擾對PWM整流器穩(wěn)定控制的影響，解決非仿射結構帶來的控制困難的問題，提出基于功率量測與擴展虛擬控制函數相結合的電壓源型PWM整流器非線性L₂增益控制方法。仿真結果表明：當輸入電壓幅值變化為1.5倍時，采用該控制方法后，可將傳統(tǒng)的比例積分控制實現的整流輸出電壓穩(wěn)定時間由0.15 s減小為0.10 s，并且交流輸入交軸電流的諧波含量由原來的2A減小至0.2A之內。物理測試結果進一步驗證所提方法的正確性，對于提高PWM整流器動態(tài)穩(wěn)定控制能力具有一定參考意義。

關鍵詞：電壓源型PWM整流器；非線性L₂增益控制；穩(wěn)定控制；功率量測；干擾抑制

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0113-05

0引言

電壓源型PWM整流器由于具有單位功率因數、交流側低諧波、能量雙向流動及恒定直流電壓控制等優(yōu)勢，所以在新能源、電力傳動、電源設計等領域得到了廣泛的應用?？刂扑惴ǖ母倪M是提高電壓源型PWM整流器動態(tài)性能和大范圍穩(wěn)定性的重要途徑之一。針對電壓源型PWM整流器較強的非線性特征，近年來，許多學者采用H_∞控制、滑模變結構控制、無源化設計、直接功率控制、自抗擾控制、反饋線性化等方法進行了非線性控制方法的研究和改進。

文獻的電流內環(huán)采用求解Riccati方程的方法實現了線性二次型最優(yōu)控制，電壓外環(huán)采用H_∞控制方法，通過設計加權函數，最終得到了直軸電流參考值，但該方法并沒有對電流內環(huán)模型的參數不確定和外部干擾問題進行分析；文獻中電壓外環(huán)采用滑模變結構的方式設計了基于穩(wěn)定工作點的控制方法，電流內環(huán)采用反饋線性化的方法進行了設計，但穩(wěn)定點的求取是以PWM整流器精確模型為基礎；文獻采用無源化設計的方式，通過增加阻尼環(huán)節(jié)得到了無源控制器，該控制方法實現的基礎依舊是不含外部干擾的PWM整流器矩陣形式EL模型；文獻以電容儲能作為外環(huán)，并給出了電流內環(huán)控制所需要的直軸電流參考值，文獻基于瞬時功率和無差拍控制的原理，對基于功率的直接控制進行了分析，上述兩種方法都是在控制過程中直接引入了功率量，提高了控制的速度；文獻采用自抗擾控制的方法對電壓外環(huán)控制進行了設計，形成了電流內環(huán)控制的電流跟蹤值，降低了控制抖動。

以上方法很少分析由PWM整流器模型不確定性和外部干擾所引起的干擾抑制問題。L₂增益控制可以有效抑制由模型參數不確定性和外部干擾引起的擾動，并能夠保證干擾至控制輸出增益小于設定值的同時，實現系統(tǒng)的魯棒漸進穩(wěn)定，從而為提高PWM整流器靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定控制能力提供一種直接有效的方法。因此，本文采用直接功率量測和擴展虛擬控制量的方法，提出了一種電壓源型PWM整流器非線性L₂增益控制方法。

1電壓型三相PWM整流器模型不確定性分析

三相電壓型PWM整流器拓撲結構如圖1所示。圖中e_a、e_b、e_c為電源側相電壓，i_a、i_b、i_c為交流側各相電流，u_a、u_b、u_c為整流器交流側輸入電壓，u_dc為直流側電壓，u_n為中性點電壓，i_L為負載電流，L為濾波電感，R為系統(tǒng)線路附加電阻，C為直流側穩(wěn)壓電容，令直流側的負極為系統(tǒng)電壓參考點。

考慮到C、L、R的參數分散性會造成模型不正定，在三相靜止坐標系下，采用占空比描述的并聯(lián)PWM

由于PWM整流器L₂增益控制的目的是保證整流輸出電壓穩(wěn)定，假定整流器輸出的目標電壓用u_dc^*偏差化模型為

由于式（8）～式（10）表示的PWM整流器模型具有非常強的非線性和不確定性特征，且不具備下三角仿射系統(tǒng)結構，因此傳統(tǒng)的反演設計方法不適用。

2三相PWM整流器的L₂增益控制器設計漸進穩(wěn)定。

PWM整流器的等效非線性模型式（8）～式（10）并不具備下三角結構的特點，因此，本文所提的L₂增益控制新方法通過擴展構建虛擬控制量x₂^*，克服了非下三角結構帶來的反演設計困難的難題，最終實現了系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

由上述推導可得PWM整流器的非線性L₂增益控制可以如圖2所示的控制模型表示。

首先通過提出的非線性L₂增益控制輸入式（14）、式（17）求出等效模型式（8）、式（9）的控制輸出，然后進一步求出三相PWM整流器交流側指令電壓信號y^*_d、u^*_q，其次通過坐標變換得到兩相靜止坐標系下的指令信號u^*_α、u^*_β，最后通過產生SVPWM信號原理對每相橋臂開關信號實時調節(jié)，從而實現輸出直流電壓的快速穩(wěn)定、交流側電流快速單位功率因數調整。

3仿真測試與結果分析

為測試非線性L₂增益控制的控制性能，并與傳統(tǒng)PI控制方式進行對比，在額定負載條件下，交流側相電壓幅值在0.6 s時突減至原幅值0.5倍時，且維持0.2s后，并在0.8 s時突增至原幅值的1.5倍，兩種控制方式下系統(tǒng)的動態(tài)響應如圖3、圖4所示。

采用非線性L₂增益控制時，仿真參數：k₁（|e₁|）=e₁²；c₁=5；f₁（e₂）=2|e₂|+cose₂；f₂（e₃）=1+2|e₃|+0.5sine₃；q₁=0.4；q₂=0.6；q₃=0.4；γ=0.5；ε₁、ε₂和ε₃均為白噪聲（噪聲功率分別為0.2和0.3）。

比較圖3、圖4可知：當在0.6s電壓突降時，0.2 s后，PI控制不能使整流輸出電壓u_dc穩(wěn)定，而非線性L₂增益控制可以，并且調整速度較快：當在0.8 s電壓突變時，PT控制依然不能使整流輸出電壓u_dc穩(wěn)定，且電流的諧波含量明顯，而非線性L₂增益控制卻可以很快使整流輸出電壓u_dc穩(wěn)定，且電流的諧波含量非常?。幌鄬τ赑I控制，非線性L₂增益控制可使狀態(tài)變量i_q快速跟蹤i_q=0，進而更好地實現單位功率因數整流。

在搭建的實驗環(huán)境中對雙閉環(huán)PWM整流器特性進行了測試，測試波形如圖5、圖6所示。由圖5可知，PWM整流器輸入的交流電壓、電流保持功率因數為1的狀態(tài)，具有單位功率因數的特點，從而具有較高的效率。由圖6可知，當負載突然減小時，輸入整流器的交流電流幅值明顯減小，同時整流電壓經過較短的時間穩(wěn)定在了額定值。測試實驗進一步驗證了所提方法的正確性。

4結束語

本文針對三相電壓源型PWM整流器模型存在的參數不確定性和外部干擾特征，設計了一種L₂性能準則下的鎮(zhèn)定控制器。在分析電壓源PWM整流器非線性模型的基礎上，通過采用功率量測與擴展虛擬控制量的方法，解決了由非仿射結構帶來的控制困難的難題。本文提出的L₂控制方法以PWM整流器非線性模型為整體實施控制，充分保留了系統(tǒng)內部非線性耦合的特征，彌補了傳統(tǒng)雙環(huán)控制中存在的外環(huán)控制單純依靠比例積分調整，而忽視非線性系圖6負載突變時整流電壓及交流輸入電流波形統(tǒng)內部之間相互影響的不足。通過與傳統(tǒng)的比例積分控制方法進行仿真對比發(fā)現，采用非線性L₂控制方法更能夠提高PWM整流器輸出電壓的穩(wěn)定速度和單位功率因數電流跟蹤速度，且可以明顯降低PWM整流器輸入交流電流的諧波。

（編輯：商丹丹）