三相電壓源型 PWM 整流器控制

三相電壓源型PWM整流器控制電氣工程術(shù)語(yǔ)01背景電壓源型整流器的控制方法PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)電壓源型整流器的雙環(huán)控制方式電壓源型整流器控制方法的實(shí)際應(yīng)用結(jié)語(yǔ)目錄0305020406基本信息控制技術(shù)對(duì)提高三相電壓源型PWM整流器性能非常重要。根據(jù)并交流信號(hào)不同，電壓源型整流器又可分為電壓控制和電流控制。由于電流控制的方法簡(jiǎn)單、直接，且具有限流和短路保護(hù)作用，因此使用比較廣泛。電壓源型整流器的電流控制方案一般采用以直流電壓為外環(huán)、交流電流為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)電流內(nèi)環(huán)是否引入交流電流反饋，可分為直接、間接兩種電流控制，由于直接電流控制響應(yīng)速度快，魯棒性好，占主導(dǎo)地位。背景背景整流器經(jīng)歷了不可控整流、相控整流和PWM整流三個(gè)階段的發(fā)展，其中前兩種整流存在交流側(cè)輸入電流畸變嚴(yán)重、側(cè)功率因數(shù)較低等問(wèn)題，而PWM整流器克服了這些缺點(diǎn)，它是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，具有雙向的功率流動(dòng)、低畸變率且正弦化的輸入電流、單位或可調(diào)的功率因數(shù)、可調(diào)的直流電壓等特點(diǎn)。因此PWM整流器得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)直流側(cè)電源類(lèi)型，PWM整流器可分為電壓源型整流器(VSR)、電流源型整流器(CSR)和Z源整流器(ZSR)。由于VSR的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能效率高、損耗較低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制方便。因此VSR一直是PWM整流器研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。根據(jù)并交流信號(hào)不同，VSR又可分為電壓控制和電流控制。由于電流控制的方法簡(jiǎn)單、直接，且具有限流和短路保護(hù)作用，因此使用比較廣泛。VSR的電流控制方案一般采用以直流電壓為外環(huán)、交流電流為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)電流內(nèi)環(huán)是否引入交流電流反饋，可分為直接、間接兩種電流控制，由于直接電流控制響應(yīng)速度快，魯棒性好，占主導(dǎo)地位。將全面完整地綜述三相VSR直接電流控制(簡(jiǎn)稱(chēng)VSR)的各種控制策略降，并展望三相PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展前景

。電壓源型整流器的雙環(huán)控制方式電壓源型整流器的雙環(huán)控制方式三相電壓源型整流器通常都采取直流電壓、交流電流(或功率)雙級(jí)環(huán)路結(jié)構(gòu)控制方式，電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓，維持直流母線電壓的恒定，它的輸出作為交流電流(或功率)內(nèi)環(huán)的交流電流(或功率)指令，利用交流電流(或功率)內(nèi)環(huán)快速、及時(shí)地調(diào)整交流側(cè)的電流，抑制負(fù)載擾動(dòng)影響，使實(shí)際交流電流能夠快速跟蹤交流電流指令，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。在雙環(huán)控制中，電壓外環(huán)與電流(或功率)內(nèi)環(huán)在速度上必須進(jìn)行配合，外環(huán)要比內(nèi)環(huán)慢得多

。(1)內(nèi)環(huán)采用電流控制陣。它是廣泛實(shí)際采用方法，內(nèi)環(huán)電流可在三相靜止abc坐標(biāo)系或兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中直接控制。早期的控制電路主要用模擬電路，要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換非常復(fù)雜，控制器一般在靜止標(biāo)系實(shí)現(xiàn)，為彌補(bǔ)靜止坐標(biāo)系控制器的不足，在靜止坐標(biāo)系的電流控制器引入電反電勢(shì)信號(hào)作為前饋補(bǔ)償可以使電流的控制效果和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系很近;隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化系統(tǒng)已基本取代模擬電路，數(shù)字系統(tǒng)的坐標(biāo)變換很方便，現(xiàn)基本采用同步坐標(biāo)系下的控制器，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)dq軸電流的解禍無(wú)靜差控制，電流響應(yīng)也更快，但常需鎖相環(huán)節(jié)提供用于觸發(fā)脈沖生成所需的基準(zhǔn)相位，實(shí)現(xiàn)dq軸的定位，比較復(fù)雜

。優(yōu)點(diǎn):控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，電流控制精度高;限流容易，只要使指令電流限幅，就可實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù);對(duì)負(fù)載參數(shù)不敏感及具有較強(qiáng)魯棒性;具有固定的開(kāi)關(guān)頻率，易于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn):電流內(nèi)環(huán)為抑制非線性負(fù)載擾動(dòng)，必須具備足夠高的帶寬，這加大了數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)難度;同步坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)控制一般需要鎖相環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)d,q軸的定位，比較復(fù)雜;需要寬頻帶、快速的電流傳感器，控制成本高。電壓源型整流器的控制方法傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法智能控制方法現(xiàn)代的非線性控制方法電壓源型整流器的控制方法傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法在交流小信號(hào)分析時(shí)，整流器被視為一個(gè)線性系統(tǒng)，可用成熟的線性控制理論的方法研究;由于整流器本質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，采用非線性控制技術(shù)才能使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和外來(lái)擾動(dòng)具有魯棒性和適應(yīng)性。下面介紹幾種傳統(tǒng)的線性/非線性控制方法

。(1)滯環(huán)電流控制。它是由ThomasAF.在1967年首次提出，并在電流內(nèi)環(huán)采用這種滯環(huán)電流控制方式。雙閉環(huán)系統(tǒng)將外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出分別乘以與相電壓同相位的正弦電壓，得到一個(gè)指令正弦電流，將它與實(shí)際檢測(cè)到的交流電流進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制并逆變器的相應(yīng)開(kāi)關(guān)器件通斷，使實(shí)際電流追蹤指定的電流的變化。滯環(huán)電流比較器集電流控制與PWM產(chǎn)生于一體，它兼有電流控制器和PWM產(chǎn)生作用。優(yōu)點(diǎn)：控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高，動(dòng)態(tài)性能較好；當(dāng)功率器件的開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，電流響應(yīng)快，可實(shí)時(shí)控制;不存在載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量；若滯環(huán)的環(huán)寬固定，電流跟蹤的誤差范圍是固定的;控制運(yùn)算中未使用電路參數(shù)，對(duì)負(fù)載及電路參數(shù)變化不敏感，系統(tǒng)魯棒性好，應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)不固定，且隨著系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化而變化，不能有效地控制開(kāi)關(guān)器件的最高開(kāi)關(guān)頻率；諧波電流頻譜隨機(jī)分布，增加了濾波器設(shè)計(jì)困難;開(kāi)關(guān)的損耗較大;對(duì)外界的電磁干擾也較大。因此，此法現(xiàn)己基本不采用。(2)三角載波比較法的控制?，F(xiàn)代的非線性控制方法由于PWM整流器屬于非線性控制系統(tǒng)，基于小信號(hào)模型用線性控制方法難以獲得非常滿意的控制效果。為提高整流器的性能，現(xiàn)代的非線性控制理論已應(yīng)用到整流器控制中，但是還很不成熟。(1)自適應(yīng)控制。它主要用來(lái)解決整流器在運(yùn)行過(guò)程中參數(shù)攝動(dòng)和各種擾動(dòng)引起的不確定性問(wèn)題，是在1954年由TsienHS.提出的，它所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)較少，通過(guò)不斷檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，在線辨識(shí)系統(tǒng)模型，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)或控制策略，補(bǔ)償過(guò)程特性或環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)高精度控制。它又分為線性與非線性?xún)深?lèi)，已比較成熟的線性白適應(yīng)控制主要有模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)和自校正控制(STAC)兩種，現(xiàn)主要研究模糊、神經(jīng)絡(luò)、魯棒等非線性白適應(yīng)控制。優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)在線修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象的變化，能夠有效地解決模型不精確和模型變化所帶來(lái)的魯棒性問(wèn)題。缺點(diǎn)：數(shù)學(xué)模型的建立和運(yùn)算比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行辨識(shí)和校正需要一定時(shí)問(wèn)，主要適于漸變和實(shí)時(shí)性不高的過(guò)程；處理非線性系統(tǒng)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的能力較差，在多輸出系統(tǒng)中的應(yīng)用尚不成熟等。為克服不足，此法一般常與其他方法結(jié)合形成了多種新方法

。(2)魯棒控制。它是解決PWM變換器不確定性系統(tǒng)控制的有效方法，是把系統(tǒng)的不確定性視為某種擾動(dòng)集合，然后對(duì)擾動(dòng)集合給予適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)描述并作為約束條件，并和原有系統(tǒng)約束條件一起形成優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，得到優(yōu)化的控制規(guī)律，這樣在預(yù)定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。智能控制方法上述線性或非線性控制策略都是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而建立考慮各種因素的PWM整流器的精確數(shù)學(xué)模型是不可能的。智能控制策略不需要建立嚴(yán)格的PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，它僅需建立非機(jī)理模型，能實(shí)時(shí)地保證整流器電流波形為理想波形，達(dá)到單位功率因數(shù)要求。智能控制包括模糊控制、神經(jīng)絡(luò)控制及其模糊神經(jīng)控制等多種方法。(1)模糊控制。它是基于模糊推理，模仿人的思維模式，對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制，它包括精確量的模糊化、模糊推理、清晰化三部分。為消除早期模糊控制存在的靜差，出現(xiàn)了帶積分模糊控制器等。由于它的精度及白適性較差，常把它與PID、自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)絡(luò)等其他控制相結(jié)合，以取得更優(yōu)性能。此法已應(yīng)用到PWM整流器控制中，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加在系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)下的穩(wěn)定性。優(yōu)點(diǎn)：不依賴(lài)被控對(duì)象的精確模型，具有較強(qiáng)的魯棒性和白適應(yīng)性，能夠克服模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素；算法簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)容易;能在準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)潔性之問(wèn)取得平衡，可有效地對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)做出判斷和處理。缺點(diǎn)：缺乏分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方法，只能用經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試探來(lái)設(shè)計(jì)控制器，非常耗時(shí)低效；不能保證規(guī)則庫(kù)的完整性，且白適應(yīng)能力有限；常規(guī)模糊控制只相當(dāng)于PD控制器，控制精度不高，穩(wěn)態(tài)精度低，甚至可能振蕩

。(2)神經(jīng)絡(luò)控制。電壓源型整流器控制方法的實(shí)際應(yīng)用電壓源型整流器控制方法的實(shí)際應(yīng)用前述的電壓原型整流器的傳統(tǒng)的線性/非線性、現(xiàn)代的非線性和智能三類(lèi)控制方式中，由于傳統(tǒng)控制方法的技術(shù)成熟且實(shí)現(xiàn)容易，在實(shí)際應(yīng)用中占絕對(duì)的主流地位。當(dāng)然，傳統(tǒng)的控制方法還存在一些不足，需要改進(jìn)與完善。由于功率器件本質(zhì)上是非線性器件，因而很多學(xué)者嘗試采用現(xiàn)代的非線性控制方法，但采用這些非線性控制理論還不成熟，難以實(shí)際應(yīng)用。例如，反饋線性化控制方法的計(jì)算過(guò)于繁瑣，需要高速DSP；再如，直接功率控制對(duì)功率的估算需要檢測(cè)整流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它對(duì)控制電路的處理器和A/D轉(zhuǎn)換器要求較高。由于智能控制不需要建立PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，因而也被引入到整流器控制中，但智能控制還很不成熟，基本還停留在仿真階段。雖然現(xiàn)代的非線性和智能兩類(lèi)控制都還不成熟，但隨著它們控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和逐步成熟，無(wú)疑它們具有良好的應(yīng)用前景。PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)PWM整流器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始PWM整流器研究以來(lái)，PWM整流器控制雖已取得了很多成果，但仍不完善。它的發(fā)展趨勢(shì)大致可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面

。(1)新控制方法及集成控制方法研究VSR可以采用的控制方法很多，每種控制方法都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。隨著電力電了、微電了、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，采用DSP可快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算，一些復(fù)雜控制算法逐步得到實(shí)際應(yīng)用;為使控制系統(tǒng)具有更高的動(dòng)靜態(tài)性能，應(yīng)該尋找新型的控制方法或改進(jìn)現(xiàn)有的控制方法；電VSR側(cè)電流控制有將固定開(kāi)關(guān)頻率、滯環(huán)及空問(wèn)矢量控制相結(jié)合的趨勢(shì);由于很難憑借單獨(dú)一種控制方法來(lái)解決實(shí)際控制系統(tǒng)中的眾多難點(diǎn)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)綜合性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此，可將不同的控制方法進(jìn)行“整合”集成而形成復(fù)合控制，以實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短，有機(jī)融合成更有效的控制方案。(2)PWM整流器無(wú)傳感器控制研究PWM整流器控制一般需要通過(guò)交流電壓、交流電流和負(fù)載電壓的三類(lèi)傳感器來(lái)檢測(cè)交流側(cè)的電流、電壓和直流側(cè)的電壓值，有的控制方案還需負(fù)載電流傳感器，實(shí)現(xiàn)成本較高。為了簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本和安裝費(fèi)用，無(wú)傳感器控制技術(shù)研究取消交流電壓和交流電流傳感器，而采用預(yù)測(cè)算法或觀測(cè)器重構(gòu)估算出側(cè)電壓或者電流。結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ)