中心議題：
- 三相電壓型PWM整流器的非線性控制研究
- 運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真研究PWM整流器電流的任意控制
- 采用非線性控制時(shí)PWMΩ整流器的響應(yīng)
1 引 言
由于PWM整流器與傳統(tǒng)的不控整流器和相控整流器相比較，具有單位功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)電流正弦化、能量可能實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，PWM整流器的發(fā)展和 應(yīng)用將成為主流。隨著對(duì)PWM整流器模型的不斷改進(jìn)和對(duì)PWM整流器認(rèn)識(shí)的不斷加深，建立了PWM整流器的非線性模型，這不僅很好地體現(xiàn)了PWM整流器的 非線性特性，而且為將非線性控制理論應(yīng)用到PWM整流器奠定了良好的基礎(chǔ)。本文就是在試圖將非線性控制理論中的狀態(tài)反饋線性化方法引入到PWM整流器的控 制方面作一下探討。
2 三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型
圖1是三相PWM整流器的拓樸結(jié)構(gòu)，功率開(kāi)關(guān)按采用的調(diào)制方式動(dòng)作，由于輸入電感的濾波作用，整流器交流側(cè)可近似認(rèn)為是三相正弦電流；直流側(cè)有大電容穩(wěn) 壓，輸出呈直流電壓源特性，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出直流母線電壓可保持不變，一般情況下，要求控制輸入電流與輸入電壓同相位，通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方 式，電壓外環(huán)主要是保證直流輸出電壓穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，如實(shí)現(xiàn)單位功率因素正弦波電流控制。
圖1中，
式中
為了獲得良好的控制性能，對(duì)（1）進(jìn)行d-q坐標(biāo)變換，得到其d-q模型：
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從功率平衡的角度考慮（2）式的第三個(gè)式子，則有：
于是有
因此，三相電壓型PWM整流器的非線性模型亦可描述為：
上述所得到的數(shù)學(xué)模型（式（5））表明系統(tǒng)為多輸入多輸出（MIMO）非線性系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以用如下的狀態(tài)矩陣形式表示：
其中X和U分別為狀態(tài)變量和控制變量。選擇狀態(tài)變量
于是，三相電壓型PWM整流器的狀態(tài)矩陣形式可寫為：
其中：
從而可以得到狀態(tài)空間形式下的三相電壓型PWM整流器的控制框圖，如圖2所示。
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3 狀態(tài)反饋非線性控制原理
對(duì)非線性系統(tǒng)：
進(jìn)行輸入輸出線性化的過(guò)程為：重復(fù)對(duì)輸出y進(jìn)行微分，直至輸入u首次出現(xiàn)，即：
其中，
使輸出y和新的輸入v之間具有線性關(guān)系：
對(duì)于三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)，由所得到的模型表明系統(tǒng)為多輸入多輸出系統(tǒng)，且具有兩個(gè)輸入量，因此便可能控制兩個(gè)輸出變量
為了應(yīng)用狀態(tài)反饋將其線性化（輸入輸出線性化），必須要設(shè)定外部輸出的值，即兩個(gè)n階導(dǎo)數(shù)和m階導(dǎo)數(shù)。設(shè)
一旦將這兩個(gè)導(dǎo)數(shù)的值計(jì)算出來(lái)，便可以得到用來(lái)變換系統(tǒng)（1）的控制變量
假定在穩(wěn)態(tài)時(shí)，有
于是，系數(shù)
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將所采用的非線性控制原理概括如下：
應(yīng)用式（7）來(lái)計(jì)算外部輸入
應(yīng)用式（7）以及
4 系統(tǒng)仿真及結(jié)論
通過(guò)非線性控制模型，運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真研究PWM整流器電流的任意控制和采用非線性控制時(shí)PWMΩ整流器的響應(yīng)。仿真系統(tǒng)參數(shù)為：
圖4給出了PWM整流器采用不同控制器時(shí)PWM整流器直流電壓的階躍響應(yīng)，并對(duì)兩種控制器作了比較。仿真結(jié)果表明PWM整流器在采用非線性控制器后具有了更快的響應(yīng)速度和較小的超調(diào)量。
圖5和圖6分別給出了非線性控制和線性控制下在t=0.01s時(shí)刻無(wú)功電流突變時(shí)的響應(yīng)。從仿真結(jié)果可以看出，非線性控制時(shí)PWM整流器能夠?qū)⒂泄β?和無(wú)功功率解耦運(yùn)行，即在無(wú)功電流突變時(shí)，其直流側(cè)電壓不受影響；但是在線性控制時(shí)不能做到這一點(diǎn)。另一方面，非線性控制時(shí)PWM整流器無(wú)功電流
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圖7給出了PWM整流器采用不同控制器在t=0.005s時(shí)刻負(fù)載突變時(shí)的響應(yīng)。顯然，非線性控制時(shí)PWM整流器具有更好的抗擾。這也說(shuō)明采用非線性控制器后，PWM整流器具有了更好的抗擾動(dòng)性能。
5 結(jié)束語(yǔ)
在三相電壓型PWM整流器非線性模型（d-q模型）的基礎(chǔ)上，應(yīng)用狀態(tài)反饋線性化方法設(shè)計(jì)出了應(yīng)用于三相電壓型PWM整流器的非線性控制器，并對(duì)此非線 性控制器進(jìn)行了仿真，并且與線性控制器進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，與線性控制器相比較，非線性控制器設(shè)計(jì)具有更好的跟隨性能和更好的抗擾性能；并可實(shí)現(xiàn)有 功分量和無(wú)功分量的解耦運(yùn)行。這還為PWM整流器的高性能應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
