1、第 卷 第 期 年 月 电 力 电 子 技 术，基 于 全 阶 扰 动 观 测 器 的 三 相 整 流 器 控 制 王家 升，魏 海 峰，张 懿（江 苏 科 技 大 学，自 动 化 学 院，江 苏 镇 江）摘 要：以 三 相 整 流 器 为 对 象，针 对 传 统 控 制 系 统 长 时 间 运 行 存 在 的 电 感 变 化 等 问 题，提 出一种 基 于 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 的 三 相 整 流 器 控 制 策 略。首 先，将 系 统 电 感 参 数 扰 动 引 入 整 流 器，构 建 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 来 实 时 观 测 系 统 扰 动。其 次，离 散 化
2、 观 测 器，通 过 极 点 配 置 设 计 变 增 益 反 馈 系 数，在 保 证 稳 定 性 的 前 提 下，提 高 观 测 器 收 敛 速 度。最 后，在 控 制 算 法 中，利 用 观 测 器 估 算 扰 动 电 压，补 偿 由 电 感 变 化 引 起 的 误 差。仿 真 和 实 验 结 果 表 明，所 提 控 制 策 略，在 电 感 变 化 时，能 够 较 好 地 观 测 系 统 扰 动，避 免 参 数 扰 动 造 成 系 统 振 荡，保 证 整 流 器 可 靠 稳 定 运 行。关 键 词：整 流 器；全 阶 扰 动 状 态 观 测 器；收 敛 速 度 中 图 分 类 号：文 献 标
3、 识 码：文 章 编 号：（），）：，？，？，？，？，？：；：（）；（）引 言 三相 整 流 器 具 有 高 效 率、低 成 本、无 死 区 和 单 位 功 率 因 数 运 行 等 特 点，目 前 己 广 泛 应 用 于 如 电 动 汽 车 充 电 等 能 量 单 向 流 动 的 行 业 领 域。面 向三相 整 流 器 的 控 制 策 略 有 多 种，较 为 常 见 的 有 基 于 坐 标 系 下 的 传 统 控 制，该 控 制 方 法 容 易 实 现，但 易 受 干 扰 影 响，鲁 棒 性 较 差；文 献采 用 了 滞 环 电 流 控 制 技 术，该 控 制 策 略 较 为 简 单，动 态
4、响 应 性 能 良 好，但 其 开 关 基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）；江 苏 省 重 点 研 发 计 划 产 业 前 瞻 性 与 共 性 关 键 技 术 重 点 项 目（）定 稿 日 期：作 者 简 介：王 家 升（），男，硕 士 研 究 生，研 究 方 向 为 开 关 电 源、电 力 电 子 变 换 及 其 控 制 技 术。频 率 会 伴 随 电 流 变 化 而 波 动；文 献采 用 了 单 周 期 控 制 技 术，频 率 固 定，实 现 简 单，但 开 关 损 耗 较 大，灵 活 性 较 差，应 用 受 限。上 述 控 制 策 略 都 是 基 于 整 流 器 参 数
5、稳 定 不 变 化 的 前 提 下 进 行 分 析 的，但 在 整 流 器 系 统 实 际 运 行 中，其 电 感 等 参 数 可 能 发 生 变 化，导 致 模 型 电 感 与 实 际 电 感 值 不 匹 配，系 统 的 数 学 模 型 难 以 反 映 实 际 的 工 作 情 况。针 对 上 述 问 题，可 借 鉴 电 机 控 制 领 域 常 用 的 模 型 参 数 辨 识 方 法。文 献 提 出 了一种 引 入 电 感 参 数 在 线 辨 识 的 直 接 功 率 快 速 模 型 预 测 恒 频 控 制 策 略，通 过 建 立 模 型 参 数 扰 动，消 除 参 数 失 配 引 起 的 预
6、测 跟 踪 误 差，但 该 方 法 仅 适 用 于 直 接 功 率 预 测 控 制；文 献提 出 了 一种 动 态 事 件 触 发 模 型 预 测 控 制，系 统 参 数 等 变 化 时，相 应 调 整 动 态 事 件 触 发 条 基 于 全 阶 扰 动 观 测 器 的 三 相 整 流 器 控 制 件，改 善 稳 态 性 能，但 其 算 法 复 杂，在 工 业 应 用 中 有一定 的 局 限 性。结 合 上 述 文 献，此 处 提 出一种 基 于 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 的 三 相 整 流 器 控 制 策 略。首 先，将 系 统 电 感 参 数 扰 动 引 入 整 流 器，构 建
7、全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 来 实 时 观 测 系 统 扰 动；其 次，离 散 化 观 测 器，通 过 极 点 配 置 设 计 变 增 益 反 馈 系 数；最 后，在 控 制 算 法 中，利 用 观 测 器 估 算 扰 动 电 压，补 偿 由 电 感 变 化 引 起 的 误 差，并 通 过 仿 真 和 实 验 验 证 了 所 提 控 制 策 略 的 可 行 性。整 流 器 数 学 模 型 三 相，？，坐 标 系 下 的 数 学 模 型 对 三 相 整 流 器 电 路 拓 扑 建 立 数 学 模 型，并 设 定：整 流 器 所 包 含 的 器 件 均 为 理 想 器 件；输 入 的 三
8、相 电 网 电 压 为 理 想 正 弦 波。以 电 感 电 流 变 量 和 电 容 电 压 变 量 列 写 相 应 的 控 制 方 式，电 压 外 环 误 差 值 通 过 控 制 器 后，作 为 电 流 内 环 的 轴 参 考 输 入，电 流 内 环 经 控 制 器 调 节，再 通 过 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 准 确 估 算 扰 动 电 压，补 偿 由 电 感 变 化 引 起 误 差，实 现 对 轴 和轴 参 考 输 入 的 跟 随，得 到 与 电 网 电 压 同 相 的 正 弦 调 制 波 形。图为 三 相 整 流 器 控 制 框 图。图 三 相 整 流 器 控 制 框 图 方
9、程 组，可 得三 相 整 流 器 数 学 模 型 为：）女 厂（）一（一）厂（）？（）式 中，为 三 相 输 入 电 压、电 流；为 三 相 滤 波 电 感；为 三 相 输 入 电 阻；，为 直 流 侧 滤 波 电 容；，心，为 上、下 电 容 电 压 和 直 流 母 线 电 压；札 为 直 流 侧 负 载 电 阻；（和 为，坐 标 系 下 的 开 关 函 数 通 过 上 述 分 析 可 知，坐 标 系 下 的 整 流 器 数 学 模 型 含 有 开 关 函 数，是 多 阶 非 线 性 时 变 耦 合 系 统，需 要 进 行 相 应 的 解 耦 运 算。两 相，坐 标 系 下 的 数 学 模
10、型 将 三 相，坐 标 系 变 换 到 两 相 坐 标 系，完 成 相 应 的 解 耦 运 算，整 流 器 在 坐 标 系 下 的 数 学 模 型 为：，（，？式 中：叫，！乂，（为（，轴 输 入 电 压、电 流；为 角 频 率；（，坐 标 系 下 的 开 关 函 数。整 流 器 控 制 策 略 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 设 计 由 分 析 可 知，在 坐 标 系 下 的 整 流 器 数 学 模 型 为：，：（）（）将 整 流 器 运 行 时 的 电 感 变 化 视 作一 种 系 统 扰 动，其 数 学 模 型 变 为：（）（）（），？）式 中：为 电 感 变 化 量。提 取 出 由
11、 电 感 参 数 变 化 引 起 的 扰 动 项 状 态 方 程 如 下：，（）选 取，作 为 状 态 变 量，构 建 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器：（），（）对 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 进 行 离 散 化，可 得：（）（），（）（）（），）（），二（）（）（）（）（）三相 整 流 器 坐 标 系 中，采 用 第 卷 第 期 年 月 电 力 电 子 技 术，式 中 矩 阵欠 的 特 征 多 项 式，化 简 后 有：（）（）（）（）式 中：为 开 关 周 期；为 状 态 观 测 器 增 益；，相 关 系 数。由 准 则 可 得，全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 稳 定 运 行
12、 要 求 如 下：，（）利 用 式（）得 到 状 态 反 馈 矩 阵好 中 增 益，的 取 值 范 围：（，），（，），（）为 了 进一步 提 升 系 统 运 行 的 稳 定 性 与 观 测 器 的 估 计 值 准 确 性，通 过 分 段 函 数 构 造 变 增 益 观 测 器，设 计 使 其 在 估 计 值 误 差 大 时，增 益 值 小；估 计 值 误 差 小 时，增 益 值 大。变 增 益 观 测 器 的 设 计，在 提 高 了 估 计 精 度 的 同 时，也 扩 展 了 增 益 的 可 变 化 区 间：矣（）（），式 中：，为 常 量；为 误 差 值 为 变 增 益 分 段 误 差 值
13、。式（）需 使，并 合 理 选 择 与 的 取 值，满 足 系 统 稳 定 性 要 求。结 合 观 测 器 的 离 散 化 方 程 可 得 变 增 益 扰 动 观 测 器 结 构 如 图所 示。图 变 増 益 扰 动 观 测 器 结 构 图）（）（）（，），（？），（）（；）在 软 件 控 制 中，设 定 数 字 控 制 频 率 与 开 关 频 率 相 等，采 样 后 计 算 得 出 的 占 空 比 作 用 于 下一个 控 制 周 期，更 新 占 空 比 的 时 间 约 为 控 制 周 期 的一 半。将 采 样 延 迟 环 节（乃）与 输 出 延 迟 环 节（）合 并，可 认 为 总 延 迟
14、时 间 为 倍，简 化 后 的 电 流 内 环 开 环 传 递 函 数 为：，（）（）（）式 中：为 电 流 内 环 的 比 例 增 益、积 分 增 益。电 流 内 环 的 控 制 器 优 化 参 数 设 置 为 时，系 统 相 位 裕 度 为，截 止 频 率 为，可 以 确 保 系 统 的 快 速 性 和 稳 定 性。系 统 带 宽 为。满 足 整 流 器 电 流 内 环 设 计 要 求。电 压 外 环 设 计 电 压 外 环 控 制 同 样 采 取 控 制，控 制 环 的 调 节 速 度 慢 于 电 流 内 环，采 样 时 间 为，电 流 内 环 的 闭 环 传 递 函 数 可 以 近 似
15、 为一阶 惯 性 环 节（乃），简 化 后 的 电 压 外 环 开 环 传 递 函 数 为：（）（）（）（）式 中：尺 为 电 压 外 环 的 比 例 增 益、积 分 增 益。电 压 外 环 的 控 制 器 优 化 参 数 设 置 为，时，相 位 裕 度，截 止 频 率。系 统 带 宽 为，符 合 整 流 器 电 压 外 环 设 计 要 求。仿 真 与 实 验 验 证 通 过 搭 建 了 仿 真 模 型，对 三 相 整 流 器 的 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 进 行 仿 真 验 证，具 体 参 数 为：三 相 输 入 电 压，三 相 滤 波 电 感，三 相 输 入 电 阻，直 流 侧
16、滤 波 电 容，直 流 侧 电 压 给 定，直 流 侧 额 定 负 载 电 网 频 率，开 关 频 率。图 为 扰 动 观 测 器 观 测 电 感 变 化 的 扰 动 电 压 仿 真 波 形。基 于 电 流 前 馈 解 耦 的 电 流 环 设 计 在 坐 标 系 下，含 有 扰 动 变 化 量 的 整 流 器 电 压 方 程 为：（）由 式（）可 知，在 坐 标 系 下，电 流 变 量 会 相 互 耦 合，此 时 采 用 前 馈 解 耦 控 制 策 略，并 进 行 相 应 的 拉 氏 变 换，变 换 到 实 数 域 有：（）扰 动 电 压（）轴 扰 动 电 压 图 扰 动 波 形 基 于 全
17、阶 扰 动 观 测 器 的 三 相 整 流 器 控 制（格）（）三 相 输 入 电 流（输 入 电 流 谐 波 含 量 图 全 阶 扰 动 观 测 器 控 制 波 形 结 论 针 对 由 电 感 变 化 而 引 起 的 三 相 整 流 器 控 制 问 题，提 出 了 一种 基 于 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器 的 三 相 整 流 器 控 制 策 略。在 控 制 算 法 中，优 化 电 流 和 电 压 的 环 路 设 计，构 建 变 增 益 的 全 阶 扰 动 状 态 观 测 器，利 用 观 测 器 估 算 扰 动 电 压，补 偿 由 电 感 变 化 引 起 误 差。仿 真 实 验 验 证
18、 结 果 表 明，所 提 控 制 策 略 能 够 较 好 地 观 测 出 三 相 整 流 器 系 统 相 应 的 扰 动 变 化，提 高 了 系 统 的 输 入 电 流 正 弦 度，减 小 了 直 流 侧 输 出 电 压 纹 波，具 有 良 好 的 动 静 态 特 性。参 考 文 献 李 胜 直 流 充 电 桩 的 高 功 率 因 数 整 流 器 的 研 究 与 设 计 武 汉：华 中 科 技 大 学，汪 鹏，李 山，郭 强，等 三 相 丽 整 流 器 双 闭 环 控 制 策 略 及 其 参 数 研 究丨 电 源 学 报，（）：，？）：，？：梁 谱 整 流 器 模 型 预 测 参 数 失 配
19、控 制 研 宄 西 安：西 安 理 工 大 学，党 超 亮，王 飞，穆 晓 宇，等 引 入 电 感 参 数 辨 识 的？整 流 器 双 矢 量 预 测 恒 频 控 制 中 国 电 机 工 程 学 报，：周 运 红，张 爱 民，黄 晶 晶，等 基 于 动 态 事 件 触 发 的 整 流 器 模 型 预 测 控 制】电 工 技 术 学 报，（）：图 动 态 实 验 波 形 图 为 电 感 变 化 时 传 统 控 制 波 形。念 暮（）输 入 电 流 谐 波 含 量 图 传 统 控 制 波 形（格）（格）（）相 电 流、电 压（）直 流 侧 电 压 图 稳 态 实 验 波 形 图 为 负 载 突 变
20、 情 况 下，输 入 相 电 流 和 直 流 侧 输 出 电 压 的 动 态 实 验 波 形。由 图 可 知，即 使 负 载 发 生 变 化，整 流 器 直 流 侧 输 出 电 压 波 动，其 也 可 以 在一个 工 频 周 期 内 快 速 回 调 到 给 定 电 压，动 态 性 能 好。由 图 可 知，系 统 在 电 感 参 数 发 生 变 化 时，电 流 正 弦 度 下 降，纹 波 增 加，总 谐 波 畸 变 率（）为，不 满 足 电 网 谐 波 要 求。图 为 电 感 变 化 时 基 于 全 阶 扰 动 观 测 器 控 制 波 形。由 图 可 知，在 电 感 参 数 变 化 时 三 相
21、输 入 电 流 正 弦，满 足 电 网 谐 波 要 求。其 中，网 侧 滤 波 电 感 在 时 由 阶 跃 变 化，在 时 由 阶 跃 变 化。由 图 可 知，网 侧 滤 波 电 感 发 生 阶 跃 变 化 时 轴 扰 动 电 压 变 化 较 小 且 接 近 零，轴 扰 动 电 压 跟 随 电 感 变 化。观 测 器 能 够 观 测 出 系 统 相 应 的 扰 动 变 化，证 明 了 其 有 效 可 行 性。基 于 控 制 器 的 三相 整 流 器 实 验 平 台 由 差 分 探 头、电 流 探 头、功 率 控 制 板、辅 助 电 源、开 关 电 源、驱 动 板、触 控 屏、隔 离 变 压 器、万 用 表 及 数 字 示 波 器 组 成，并 对 所 提 出 的 控 制 策 略 进 行 实 验 验 证，实 验 参 数 同 上。图 为 额 定 负 载 稳 定 运 行 下 的 实 验 结 果。由 图 可 知，网 侧 输 入 相 电 流 与 电 压 同 相，功 率 因 数 大 于。直 流 侧 电 压 输 出 稳 定，并 且 纹 波 较 小。：，（格）（）相 电 流、电 压 姻）（垄（珐￥？善
