三相電壓型脈寬調(diào)制整流器直接功率自適應跟蹤控制算法

三相電壓型脈寬調(diào)制整流器直接功率自適應跟蹤控制算法

0整流器自適應跟蹤控制方法三相電壓脈沖寬源調(diào)整器（pm）具有單元功率控制、公共電網(wǎng)波形抑制和雙向功率流動的優(yōu)點。廣泛應用于新型斷裂帶、源濾波和靜態(tài)功率補償?shù)阮I(lǐng)域。為提高PWM整流器的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能指標,PWM整流器的非線性控制已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點問題。目前,從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分類,PWM整流器具有電壓定向控制(voltageorientedcontrol,VOC)、直接功率控制(directpowercontrol,DPC)和虛擬磁鏈控制等多種實現(xiàn)方式。其中,基于瞬時無功功率理論的直接功率控制具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應速度快以及物理概念清晰等優(yōu)點,得到了廣泛應用。2006年,R.Skandari等學者將DPC與空間矢量控制相結(jié)合,得到了開關(guān)頻率恒定、控制結(jié)構(gòu)簡單、總諧波因數(shù)小于2.2%的優(yōu)良控制效果。2007年,MaurizioCirrincione等學者提出一種具有新的開關(guān)狀態(tài)表的直接功率控制策略,取得了優(yōu)秀的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)控制效果。同年,S.Aurtenechea等學者提出一種預測直接功率控制方案,獲得了與電壓定向控制相同的控制效果,但是同時又擁有簡單的控制結(jié)構(gòu)、快速的動態(tài)響應以及恒定的開關(guān)頻率的方法。然而,目前的研究中,對交流側(cè)電感電阻的不確定、開關(guān)器件等效電阻的不確定和電網(wǎng)頻率不確定的情況少有討論。網(wǎng)側(cè)等效電阻與頻率的不確定會帶來系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差等問題,從而影響整流器的動態(tài)特性,并降低整流器的效率。針對上述問題,本文根據(jù)L2-增益干擾抑制定理,提出三相PWM整流器的自適應跟蹤控制。該方法可有效地解決交流側(cè)等效電阻和頻率不確定帶來較大穩(wěn)態(tài)誤差等問題。同時本文通過改進控制系統(tǒng)外環(huán)結(jié)構(gòu),可有效地提高系統(tǒng)抗負載擾動的能力。16m長距離裝置的環(huán)形設(shè)計1.1s1-增益干擾抑制的跟蹤問題全局可解定義1多變量非線性系統(tǒng)如式(1)所示:式中:θ(t)=[θ1(t)θ2(t)…θp(t)]T為系統(tǒng)未知的干擾向量;q(θ,x)為一個光滑的函數(shù),且q(θ,0)=0,?x∈Rn。定理1L2-增益干擾抑制對于系統(tǒng)式(1),假如下列條件成立:1)對于標稱系統(tǒng),全局相對階ρ有定義,且v≤ρ≤n,其中v為干擾特征指數(shù)。4)對于任意的有界干擾θ(t),動態(tài)是BIBS穩(wěn)定。則L2-增益干擾抑制的跟蹤問題全局可解。文獻給出了L2-增益干擾抑制的證明過程,同時這也是自適應率的求解過程,也就是說,如果帶有干擾的三相電壓型PWM整流器模型符合該定理,則它就是全局可解的。1.2交流側(cè)等效電阻計算三相電壓型PWM整流器的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)量sk(k=a,b,c)=1代表上橋臂導通,下橋臂關(guān)斷;sk=0代表下橋臂導通,上橋臂關(guān)斷;ek為電網(wǎng)電動勢;ik為交流側(cè)電流;uo為直流側(cè)電壓;L、C及RL分別為交流側(cè)濾波電感、直流側(cè)濾波電容以及直流側(cè)負載電阻。Rs為濾波電感的等效電阻,Rl為開關(guān)器件的等效電阻,則交流側(cè)等效電阻R=Rs+Rl。三相電壓型PWM整流器dq旋轉(zhuǎn)坐標系下數(shù)學模型為三相電壓對稱時,dq坐標系下瞬時功率為由式(2)、(3),可得到dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的瞬時功率模型:本文將基于式(4)對PWM整流器進行控制器系統(tǒng)設(shè)計。1.3自適應跟蹤控制在三相PWM整流器實際運行過程中,由于濾波電感的等效電阻Rs發(fā)熱導致阻值變化,以及開關(guān)器件的等效電阻Rl不可測量性,式(4)中的R=Rs+Rl具有不確定性,R的不確定性會導致進行極點配置時極點位置變化,影響控制性能;另外,電網(wǎng)角頻率ω(或者發(fā)電機發(fā)電頻率,比如風力發(fā)電的發(fā)電機組)也存在著一定的不確定性,這會使三相交流電壓輸入存在著相位差,導致三相電壓不平衡;并且不同國家的電網(wǎng)頻率也不相同,這些都會使得控制系統(tǒng)解耦不完全,使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差,甚至不穩(wěn)定。為此本文提出對參數(shù)R、ω干擾抑制的自適應跟蹤控制的算法。式(4)控制輸入為2維,輸出為3維,是典型的欠驅(qū)動系統(tǒng),根據(jù)文獻,將式(4)改寫為式(1)形式:其中,xT=[pquo]。系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)為根據(jù)相對階定義:若ρi<∞,1≤i≤m,則每個ρi等于輸出yi對時間導數(shù)的最小階,該導數(shù)至少受到某個輸入ui的影響?？芍?=ρ2=1,可得解耦矩陣det[D(x)]≠0解耦矩陣非奇異;根據(jù)多變量輸入–輸出反饋線性化定理可知,系統(tǒng)是局部可解耦的,且可狀態(tài)反饋輸入輸出線性化,狀態(tài)反饋率為可使閉環(huán)系統(tǒng)輸入輸出為線性形式:令θT=[θ1θ2]為-R/L、ω的偏差估計,即R=R′+θ1和ω=ω′+θ2,其中R′為電感常態(tài)下等效電阻,ω′為標稱的網(wǎng)絡(luò)頻率。代入式(5)并寫成式(1)形式:由相對階定義可知,ρ1=1,ρ2=1。求其干擾特征指數(shù)υ1′,υ2′:可知υ1′=υ2′=1,于是有υ1′≤ρ1,υ2′≤ρ2,則式(4)滿足L2-增益干擾抑制定理條件1。式(10)中系統(tǒng)的跟蹤動態(tài)可改寫為f(p,q,dp/dt,dq/dt)中各變量有界,則f(p,q,dp/dt,dq/dt)有界,有跟蹤動態(tài)為BIBS穩(wěn)定,則式(4)滿足L2-增益干擾抑制定理條件2。由式(13)可知d(Lqjhk0)∈span{dh1,dh2},其中j=1,2;k0=1,2。則式(4)滿足L2-增益干擾抑制定理條件3。令m?k1=ατ,τ∈[t0,t]則式(15)滿足全局存在性和唯一性定理的條件1。則式(16)滿足全局存在性和唯一性定理的條件2,根據(jù)全局存在性和唯一性定理可知是完備的。同理也是完備的,則式(4)滿足L2-增益干擾抑制定理條件4。1.4仿真實驗和參數(shù)設(shè)定L2-增益干擾抑制定理條件全部符合,則系統(tǒng)L2-增益干擾抑制的跟蹤問題全局可解。將式(12)在定義不確定參數(shù)后重寫得其中式(18)中為了防止自適應增益過大而導致的估計參數(shù)振蕩甚至發(fā)散,根據(jù)仿真實驗,λ取10-2~10-4。將e、θ帶入式(17)得考察李亞普諾夫函數(shù),其對時間導數(shù)為由于,則參數(shù)修正率為可得dV/dt=-k?eT?e負定;由于,則結(jié)合式(8)可得內(nèi)環(huán)控制率。2直流側(cè)能量輸出將式(6)進行簡化式(23)是典型I型系統(tǒng),內(nèi)環(huán)穩(wěn)定時,為了使uo跟隨給定uo*,設(shè)計PI調(diào)節(jié)器作為外環(huán)調(diào)節(jié)器,PI輸出作為有功給定p*。考慮系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時,為使有功功率給定立刻跟隨直流側(cè)功率變化,本文在直流側(cè)添加一個直流電流傳感器(在大型三相整流系統(tǒng)中,直流傳感器只是成本中極小的一部分,它可以迅速檢測直流側(cè)負載擾動、大大改善整流器的抗擾動性能)。最終,結(jié)合內(nèi)外環(huán)控制率可得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示,其中p、q由式(3)得出。3自適應跟蹤控制穩(wěn)態(tài)下的穩(wěn)態(tài)誤差利用Matlab中的電力電子工具箱對三相電壓型PWM整流器的自適應跟蹤控制算法進行仿真實驗,系統(tǒng)參數(shù)選取如表1所示。1)ω=100πrad/s、RL=100Ω情況下,自適應跟蹤控制與精確反饋線性化的對比實驗。在這個實驗中,兩種內(nèi)環(huán)控制算法對于電壓給定跟隨控制效果并無太大差別,均可實現(xiàn)快速跟蹤。但是由圖3可知,精確反饋線性化在穩(wěn)態(tài)時無功電流(無功功率)存在著較大的穩(wěn)態(tài)誤差(均方值8W左右),這影響了三相PWM整流器的功率因數(shù);自適應跟蹤控制(k選取相同)與精確反饋線性化控制相比,它消除了-R/L、ω帶來的穩(wěn)態(tài)誤差的同時,動態(tài)的實現(xiàn)了高增益,因此基本消除了穩(wěn)態(tài)時無功功率的跟蹤誤差,進一步提高了功率因數(shù)。2)在ω=100πrad/s、RL=200Ω內(nèi)環(huán)采用自適應控制,RL在0.1s突變?yōu)?00Ω,0.25s直流側(cè)電壓給定Uo突變?yōu)?00V的仿真實驗。由圖4可知,在負載劇烈變化(響應時間0.012s),以及給定突變的情況下(響應時間0.07s),可以極為快速、無差的跟蹤給定,可見改進后外環(huán)與自適應跟蹤控制內(nèi)環(huán)共同實現(xiàn)系統(tǒng)快速響應。3)頻率擾動實驗。圖5(a)—(c)為在ω=200πrad/s,R=1Ω、RL=100Ω內(nèi)環(huán)自適應跟蹤控制仿真實驗,由圖5可知,自適應跟蹤控制可使整流器工作在不同的網(wǎng)絡(luò)頻率下,并具有較好的動、靜態(tài)特性;圖5(d)—(f)在ω=100πrad/s、RL=100Ω內(nèi)環(huán)自適應,網(wǎng)絡(luò)頻率擾動(ω+υ)t。其中υ為白噪聲,是幅值不大于2的隨機信號,這種時變的頻率干擾會帶來系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。但從圖5(d)—(f)可以看出,基于自適應跟蹤控制三相PWM整流系統(tǒng)工作在強網(wǎng)絡(luò)頻率擾動狀況下,仍具有較好的動靜態(tài)特性,自適應跟蹤控制能夠很好地抑制這種擾動。給定直流電壓為200V,由圖6(由不控整流變?yōu)榭煽卣?可以看出,實際算法中在3個工頻周期系統(tǒng)達到穩(wěn)定,說明算法具有一定快速性。在穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓存在較大諧波(THD=3.83%)情況下,穩(wěn)態(tài)功率因數(shù)達到0.9951,并且電流諧波因數(shù)為5.4%。由圖7可看出:在內(nèi)環(huán)自適應跟蹤控制率式(22)的大k值保證了內(nèi)環(huán)的快速性的情況下,改進后的外環(huán)電流前饋使得系統(tǒng)抗負載擾動以及給定電壓突變能力很強,響應時間都小于0.08s,保證系統(tǒng)快速性。5內(nèi)驅(qū)系統(tǒng)方案設(shè)計目通過對PWM整流器自適應跟蹤控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計,可得出以下結(jié)論:1)三相電壓型PWM整流器的瞬時功率模型符合L2-增益干擾抑制定理的全部條件。2)利用L2-增益干擾抑制定理,可得出自適應反饋跟蹤控制率,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計。3