無(wú)電壓傳感PWM整流器的虛擬磁鏈自適應(yīng)滑模觀測(cè)研究

肖 雄 張勇軍 王 京 李華德

無(wú)電壓傳感PWM整流器的虛擬磁鏈自適應(yīng)滑模觀測(cè)研究

肖 雄 張勇軍 王 京 李華德

（北京科技大學(xué)冶金工程研究院 北京 100083）

針對(duì)無(wú)電壓傳感的三相PWM整流器虛擬磁鏈估計(jì)中存在直流偏置和初值等問(wèn)題，本文提出一種具有自適應(yīng)功能的新型虛擬磁鏈滑模觀測(cè)與控制策略。該策略將滑模變結(jié)構(gòu)控制引入虛擬磁鏈觀測(cè)器中，以Sigmoid函數(shù)為切換函數(shù)估計(jì)出網(wǎng)側(cè)電源電壓值，根據(jù)理想磁鏈與虛擬電動(dòng)勢(shì)的正交關(guān)系設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制率來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整磁鏈補(bǔ)償基準(zhǔn)，使其能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)帶來(lái)的磁鏈變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢驗(yàn)和修正虛擬磁鏈值的作用。新型的虛擬磁鏈觀測(cè)器合理減少了傳感器的數(shù)量，同時(shí)提高了虛擬磁鏈的觀測(cè)精度，將其應(yīng)用于整流器DPC系統(tǒng)中，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型無(wú)電壓傳感控制策略有效抑制了直流母線電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)波動(dòng)，更有利于濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波，改善電能質(zhì)量。

PWM整流器 虛擬磁鏈 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器 直接功率控制 無(wú)電壓傳感

1 引言

三相電壓型PWM整流器具有單位功率因數(shù)、低輸入電流諧波含量、能量可控雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已成功應(yīng)用在工業(yè)傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等場(chǎng)合，受到廣泛的關(guān)注[1-2]。尤其是近年來(lái)對(duì)可再生能源并網(wǎng)技術(shù)研究的持續(xù)升溫，新型PWM整流器控制策略越來(lái)越成為了眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。PWM整流器從矢量定向控制角度來(lái)說(shuō)分為電網(wǎng)電壓定向控制和虛擬磁鏈定向控制，從控制策略上可以分為傳統(tǒng)的間接電流控制、直接電流電壓的雙閉環(huán)控制[3]、有功無(wú)功功率的直接控制[4-5]以及隨著控制理論的發(fā)展所涌現(xiàn)出來(lái)的一些非線性控制策略[6-7]，方法的多樣化也帶來(lái)了系統(tǒng)各方面性能的提升。

PWM整流器是典型的非線性、時(shí)變不確定系統(tǒng)，虛擬磁鏈定向的矢量控制能有效抑制網(wǎng)側(cè)諧波對(duì)基波矢量相位角的檢測(cè)影響及網(wǎng)側(cè)電壓對(duì)矢量定向控制性能的影響[8]，所以對(duì)虛擬磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)以及利用檢測(cè)量觀測(cè)處坐標(biāo)系統(tǒng)的空間位置角是整流器虛擬磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚩刂葡到y(tǒng)良好運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的虛擬磁鏈估計(jì)存在的初值和直流偏置問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]提出了帶初值估計(jì)的磁鏈觀測(cè)方法，將采樣電流離散化，得到磁鏈初始值，有效的抑制了啟動(dòng)電流的沖擊。文獻(xiàn)[10]提出了改進(jìn)的帶飽和限幅反饋環(huán)節(jié)積分器的虛擬磁鏈觀測(cè)器，穩(wěn)態(tài)下效果較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能對(duì)參數(shù)依賴較多。文獻(xiàn)[11]采用鎖相環(huán)獲取電網(wǎng)空間角度來(lái)與虛擬磁鏈相結(jié)合控制，該方法在電網(wǎng)電壓跌落和電壓不平衡時(shí)取得了較好的效果，在啟動(dòng)時(shí)波動(dòng)較大有待改進(jìn)。隨著控制理論的發(fā)展，線性控制策略在處理相關(guān)控制問(wèn)題時(shí)尚存在不足[12]，許多學(xué)者將非線性控制算法應(yīng)用到整流器的控制中來(lái)解決問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]提出軟件鎖相環(huán)與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的直接控制策略，提高了動(dòng)態(tài)性能，解決了延時(shí)補(bǔ)償問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]對(duì)電網(wǎng)頻率、感抗、幅值等系統(tǒng)參數(shù)采用遺傳算法進(jìn)行啟動(dòng)前辨識(shí)，以此估計(jì)出虛擬磁鏈值并對(duì)其初值進(jìn)行精確觀測(cè)，取得了良好的辨識(shí)效果。

由于滑模控制建模無(wú)需了解系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)，魯棒性較強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和擾動(dòng)不敏感，在非線性控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[15]與[16]將滑模控制引入整流器電流雙閉環(huán)控制中，文獻(xiàn)[17]將滑模控制與直接功率控制相結(jié)合，上述文獻(xiàn)均針對(duì)傳統(tǒng)的PI控制帶來(lái)的滯后性和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的敏感性進(jìn)行的改進(jìn)。本文針對(duì)無(wú)電壓傳感的三相PWM整流器虛擬磁鏈估計(jì)中存在直流偏置和初值等問(wèn)題，提出一種新型自適應(yīng)滑模虛擬磁鏈觀測(cè)器控制策略。該策略將滑模變結(jié)構(gòu)控制引入虛擬磁鏈觀測(cè)器中，運(yùn)用滑模控制技術(shù)估計(jì)出網(wǎng)側(cè)電源電壓并積分出虛擬磁鏈，同時(shí)針對(duì)積分環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)自適應(yīng)補(bǔ)償器進(jìn)行磁鏈補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上對(duì)所提出的觀測(cè)器進(jìn)行仿真研究，并將其應(yīng)用于整流器DPC系統(tǒng)中與傳統(tǒng)的虛擬磁鏈無(wú)傳感方案進(jìn)行了仿真比較；最后在自主的整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)算法驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型的PWM整流器無(wú)電壓傳感控制策略的可行性及有效性。

2 PWM整流器無(wú)電壓傳感DPC控制

在兩相靜止αβ坐標(biāo)系中，三相電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型可以表示為:式中，uα、uβ、iα、iβ為αβ坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)相電壓和網(wǎng)側(cè)輸入電流，L為網(wǎng)側(cè)濾波電抗的電感值，R為開(kāi)關(guān)管損耗等效電阻和濾波電感等效電阻合并總阻抗，C為直流側(cè)電容，dcu為輸出直流電壓，Li為負(fù)載電流，Sα、Sβ為開(kāi)關(guān)函數(shù)，ruα、ruβ為整流器輸入相電壓。

傳統(tǒng)無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器DPC控制采用了基于虛擬磁鏈定向的瞬時(shí)功率估計(jì)方案（VF-DPC），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。VF-DPC控制中虛擬磁鏈估算為

圖1 傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感VF-DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of Traditional VF-DPC structure

則有

式中，

將檢測(cè)得到的輸出電流和估算出的虛擬磁鏈輸入輸入瞬態(tài)功率估算單元，根據(jù)ψ=ψα+jψβ及u= dψdt，磁鏈幅值恒定，可得有功功率p和無(wú)功功率q表達(dá)式為

式中，ω為電網(wǎng)基波角頻率，上式中電壓、電流及磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系如圖2所示。

圖2 電壓、電流及磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系圖Fig.2 Voltage, current and flux vector diagram

3 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器無(wú)電壓傳感DPC控制

針對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)電壓傳感中磁鏈估計(jì)存在積分初值和直流偏置等問(wèn)題，同時(shí)為了降低THD，提高整流器DPC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在原有的數(shù)學(xué)模型和虛擬磁鏈定向下的功率模型基礎(chǔ)上，融入滑模控制技術(shù)進(jìn)行磁鏈估算，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制器來(lái)補(bǔ)償磁鏈估計(jì)誤差。

3.1虛擬磁鏈滑模觀測(cè)器

本文設(shè)計(jì)用連續(xù)的可變邊界層厚度的Sigmoid函數(shù)作為切換函數(shù)進(jìn)行電壓值估計(jì)。根據(jù)三相VSR在αβ靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，由式(2) (3)可得

根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本理論，由式(6)可構(gòu)造虛擬磁鏈滑模觀測(cè)器:

式中，k為滑模增益系數(shù)，（）Hx為Sigmoid函數(shù)，表示為:

式中，χ為一個(gè)正數(shù)，用于函數(shù)的斜率的調(diào)節(jié)，圖3為不同χ取值下的Sigmoid函數(shù)曲線圖。

圖3 Sigmoid函數(shù)曲線圖Fig.3 The curve with Sigmoid functions

由式(6) (7)可得動(dòng)態(tài)誤差方程為

系統(tǒng)到達(dá)滑模面且在滑模面上運(yùn)行時(shí)，H(x)= H˙(x)=0，即

ur由式（4）給出，按照式（7）構(gòu)建滑模觀測(cè)器，當(dāng)增益k滿足系統(tǒng)的可達(dá)性條件時(shí)，系統(tǒng)將在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)。綜合以上式子，則電網(wǎng)電壓估計(jì)可以表示成:

由式（8）和式（11）可得χ、k的取值關(guān)系

由式（2）則有虛擬磁鏈估計(jì)值為

3.2自適應(yīng)補(bǔ)償控制

考慮到磁鏈估計(jì)積分環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的初值、直流偏置以及電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定會(huì)造成PWM整流器虛擬磁鏈幅值不恒定等問(wèn)題，在理想磁鏈應(yīng)和虛擬電動(dòng)勢(shì)處于完全正交關(guān)系的基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)控制器來(lái)調(diào)整磁鏈補(bǔ)償基準(zhǔn)，目的是使其快速地跟蹤上網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)帶來(lái)的磁鏈變化，及時(shí)校正虛擬磁鏈值。

依據(jù)積分器的通用形式，帶有反饋補(bǔ)償功能的虛擬磁鏈信號(hào)可以表示為

式中，ψ為虛擬磁鏈，作為輸出；u為電源電壓作為輸入；f為反饋補(bǔ)償信號(hào)，若為零則為低通濾波器，若為磁鏈幅值則為純積分器，因此其取值的設(shè)計(jì)影響著觀測(cè)器綜合性能的優(yōu)良。

理想情況下虛擬磁鏈?zhǔn)噶喀妆入娋W(wǎng)電壓矢量u滯后90°，若因初始值、直流分量或者負(fù)載的突變等情況引起的正交關(guān)系被破壞，定義誤差為:

令cosγλ=，這里稱γ為正交補(bǔ)償因子，λ為觀測(cè)磁鏈向量ψ與向量u的夾角，eΔ作為PI調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，則補(bǔ)償量為

式中，分子部分為虛擬磁鏈和電網(wǎng)電壓兩向量點(diǎn)積，分母為兩向量幅值數(shù)積，綜合式（14～16），則有

圖4為自適應(yīng)補(bǔ)償原理圖。當(dāng)λ＞90°，此時(shí)正交計(jì)算的結(jié)果γ＜0，即Δe＜0，PI調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)減小，虛擬磁鏈反饋補(bǔ)償量ψcmp的模減小，這樣磁鏈的輸出就會(huì)由向ψ逼近，ψ不變cmpLPF的情況下，直至向量ψ與向量u重新恢復(fù)正交的關(guān)系。同理，當(dāng)兩向量之間的夾角λ＜90°時(shí)，會(huì)使虛擬磁鏈反饋補(bǔ)償量ψcmp的模增大，最終同樣會(huì)使向量ψ與向量u恢復(fù)正交的關(guān)系。圖5為依據(jù)以上原理建立的自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)圖

圖4 自適應(yīng)補(bǔ)償原理圖Fig.4 Block diagram of adaptive compensation principle

圖5 自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Block diagram of the adaptive controller structure

即可得虛擬磁鏈的位置

結(jié)合式(5)和補(bǔ)償過(guò)后的虛擬磁鏈值，則可得有功功率p和無(wú)功功率q表達(dá)式為

綜合上述策略，得到自適應(yīng)滑模觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Block diagram of the adaptive SMO based on sigmoid function

3.2綜合控制策略

引入自適應(yīng)滑模觀測(cè)器控制策略，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖中通過(guò)自適應(yīng)滑模觀測(cè)器對(duì)虛擬磁鏈進(jìn)行估算，進(jìn)而得到矢量位置角，通過(guò)對(duì)實(shí)際功率估算，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的誤差信號(hào)Δp、Δq，從而引入PI調(diào)節(jié)器并通過(guò)坐標(biāo)變換得到相應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了具有虛擬磁鏈自適應(yīng)滑模觀測(cè)的無(wú)電壓傳感DPC控制[18-19]。

圖7 虛擬磁鏈自適應(yīng)滑模觀測(cè)器直接功率控制結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Block diagram of VF-DPC structure based on adaptive sliding mode observer

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1自適應(yīng)滑模磁鏈觀測(cè)器仿真

為了驗(yàn)證自適應(yīng)滑模虛擬磁鏈觀測(cè)器的可行性及有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，給定輸入信號(hào)幅值為1，頻率為2 rad/s的電壓正弦波，系統(tǒng)中所有變量的初始值為0，并且截止頻率設(shè)定為20rad/s。

圖8為自適應(yīng)滑模觀測(cè)法、傳統(tǒng)飽和抑制法、一階低通濾波器和純積分觀測(cè)方法在穩(wěn)態(tài)下所輸出的曲線與理想曲線的波形對(duì)比；圖9、10為飽和抑制和自適應(yīng)滑模在動(dòng)態(tài)下的波形對(duì)比，圖9在8s時(shí)輸入電壓信號(hào)幅值設(shè)定變?yōu)?，頻率為6rad/s，圖10在6s時(shí)輸入電壓信號(hào)幅值設(shè)定變?yōu)?.3，頻率為1rad/s。綜合上述圖可以看出，純積分觀測(cè)器會(huì)有初始值和直流分量帶的偏移；一階低通濾波器雖然抑制了直流偏移但是引起了幅值和相位誤差；傳統(tǒng)的飽和抑制和自適應(yīng)滑模觀測(cè)方法在穩(wěn)態(tài)情況下，相對(duì)于純積分觀測(cè)器和一階低通濾波器，均能取得比較理想的效果；動(dòng)態(tài)時(shí)幅值和頻率突變的情況下，飽和抑制很難做到有效的觀測(cè)，而自適應(yīng)滑模仍能夠準(zhǔn)確的跟蹤到理想磁鏈，體現(xiàn)其良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖8 四種方式下穩(wěn)態(tài)波形對(duì)比仿真圖Fig.8 Simulation diagram of the steady-state waveform comparison

圖9 飽和抑制與自適應(yīng)滑模動(dòng)態(tài)仿真圖IFig.9 Simulation diagram of the dynamic waveform comparison between saturation-limited and ASMO

圖10 飽和抑制與自適應(yīng)滑模動(dòng)態(tài)仿真圖IIFig.10 Simulation diagram of the dynamic waveform comparison between saturation-limited and ASMO

4.2系統(tǒng)仿真

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，仿真參數(shù)如下:三相對(duì)稱電網(wǎng)電源相電壓220V/50HZ，交流側(cè)輸入電感2.5mH，交流電阻0.28Ω，直流側(cè)濾波電容4 000μF，阻性負(fù)載為100Ω，開(kāi)關(guān)頻率5KHz，給定直流母線電壓650V，χ取0.1，k取490，傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感控制下和自適應(yīng)滑模控制下運(yùn)行于額定工作點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)仿真波形如圖11和12所示。

圖11 傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感控制下穩(wěn)態(tài)仿真波形圖Fig.11 Traditional VF-DPC under the steady state simulation waveform

圖11.a、圖11.b和圖11.c分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)的母線電壓曲線圖、有功功率和無(wú)功功率圖，以及A相電流和電壓圖，圖11.d、圖11.e和圖11.f分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)的虛擬磁鏈估計(jì)值、位置角以及兩相靜止αβ坐標(biāo)系電網(wǎng)電壓曲線。從圖中可以看出，估計(jì)的電網(wǎng)電壓曲線在一定范圍內(nèi)存在抖動(dòng)，而且受諧波影響嚴(yán)重，從而導(dǎo)致估計(jì)的磁鏈值精確度下降，母線電壓在4V內(nèi)抖動(dòng)厲害，相電壓和相電流間存在一定的相位差，系統(tǒng)未在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。圖12為自適應(yīng)滑模控制下的穩(wěn)態(tài)圖，各圖分別與圖11中相對(duì)應(yīng)，從估計(jì)出來(lái)的電網(wǎng)電壓值可以看出抖動(dòng)基本消除，而且抑制了諧波的影響，母線電壓波動(dòng)穩(wěn)定在1V左右，相電壓電流同相位。

圖12 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器下穩(wěn)態(tài)仿真波形圖Fig.12 Adaptive SMO under the steady state simulation waveform

圖13 、圖14和圖15分別為負(fù)載突變下兩種方法下相電流對(duì)比圖、母線電壓波動(dòng)對(duì)比圖及諧波分析，在0.7s將負(fù)載增加到50Ω，圖13.a為傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感控制，突變后母線電壓急劇下滑，上下波動(dòng)在15V左右，50ms后恢復(fù)平衡，圖13.b為自適應(yīng)滑模控制，突變后波動(dòng)控制在上下7V左右，恢復(fù)時(shí)間為25ms。由圖14和圖15分析可知傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感控制下網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率THD較大，為3.15%，自適應(yīng)滑模控制下網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率THD為0.51%。

圖13 負(fù)載階躍響應(yīng)時(shí)相電壓電流波形對(duì)比圖Fig.13 The A phase voltage and current waveform under the load step

圖14 負(fù)載階躍響應(yīng)時(shí)母線電壓波形對(duì)比圖Fig.14 The bus voltage waveform under the load step

圖15 負(fù)載階躍響應(yīng)時(shí)相電流諧波分析對(duì)比圖Fig.15 Harmonic analysis waveform under the load step

可以得到相比于傳統(tǒng)的無(wú)電壓傳感控制，滑膜自適應(yīng)控制利用s函數(shù)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行估計(jì)避免了網(wǎng)側(cè)電壓直接帶來(lái)的諧波影響，同時(shí)引入的自適應(yīng)控制器除了調(diào)整磁鏈補(bǔ)償基準(zhǔn)外，本身也具備一定的濾波作用，磁鏈?zhǔn)噶康挠行Ц櫛ＷC了功率環(huán)的快速響應(yīng)，從而提高了直流側(cè)的動(dòng)態(tài)性能。

為驗(yàn)證在系統(tǒng)參數(shù)變化下滑模自適應(yīng)控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，在保證其它參數(shù)不變的情況下，分別改變整流器交流側(cè)輸入電感L和等效電阻R的值并進(jìn)行負(fù)載突變下的仿真實(shí)驗(yàn)，圖16a為交流側(cè)等效電阻值攝動(dòng)（等效電阻值由R逐步攝動(dòng)到2R）時(shí)，整流器直流母線電壓波形圖；圖16b為交流側(cè)輸入電感值攝動(dòng)（輸入電感值由L逐步攝動(dòng)到2L）時(shí)，整流器直流母線電壓波形圖。由圖16可知在參數(shù)攝動(dòng)時(shí)，直流母線電壓均能較快的收斂到給定電壓值，說(shuō)明改進(jìn)的整流器系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)自身參數(shù)的攝動(dòng)具有良好的魯棒性。

圖16 系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)直流母線電壓波形Fig.16 Experimental waveforms when the parameters of DPC system are changed

綜上所述，滑模觀測(cè)器成功引入虛擬磁鏈觀測(cè)中，仿真證明了其可行性，所提出的自適應(yīng)滑模控制策略很好的解決了抖動(dòng)、諧波處理問(wèn)題，能夠?qū)Υ沛溸M(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè)，新型的PWM整流器無(wú)電壓傳感控制策略具有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

4.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

自適應(yīng)滑模觀測(cè)器控制策略在自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖17為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)控制器、主回路照片。系統(tǒng)主回路采用三電平電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓根據(jù)實(shí)際開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)計(jì)算，整流器控制采用PWM脈沖整流方式實(shí)現(xiàn)四象限整流，采用IGBT元件，控制系統(tǒng)硬件以高速DSP (TMS320F2812)處理器和FPGA為核心器件，基于快速總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高性能矢量控制、模型優(yōu)化、參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)等功能[7]，系統(tǒng)主要參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

圖17 實(shí)驗(yàn)樣圖Fig.17 The PWM rectifier prototype

圖18 為系統(tǒng)在自適應(yīng)滑模觀測(cè)器下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別為整流器交流側(cè)的線電壓Uab、相電流Ia和母線電壓Udc波形圖，從圖中可以看出，改進(jìn)的控制系統(tǒng)相電流與相電流同相位，具有單位功率因數(shù)特征，母線電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)波動(dòng)控制在上下5V范圍內(nèi)。

圖18 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器控制下交流側(cè)線電壓圖、相電壓電流波形圖、母線電壓圖Fig.18 The integrated waveform under adaptive SMO in the steady state

圖19 兩種觀測(cè)器下的磁鏈估計(jì)波形圖Fig.19 Voltage estimation waveform under two kinds of observer

為了綜合比較其控制性能，按照相同的控制參數(shù)在平臺(tái)上分別完成了PWM整流器的傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感控制和自適應(yīng)滑模控制，圖19為兩種控制方式下對(duì)兩相靜止αβ坐標(biāo)系的磁鏈估計(jì)，可以看到下圖的傳統(tǒng)控制中估計(jì)值存在一定的抖動(dòng)和干擾，而上圖中自適應(yīng)滑模控制下基本被消除，呈現(xiàn)了比較好的正弦度。圖20和圖21分別為兩種觀測(cè)器下進(jìn)行負(fù)載突變時(shí)的相電流及母線電壓波形，對(duì)比可以看出自適應(yīng)滑模觀測(cè)器下相電流較傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感下的諧波干擾有所減小，母線電壓波動(dòng)對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感下直流母線電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)并不理想，負(fù)載突變引起了母線電壓的較大波動(dòng)，波動(dòng)幅值在30V左右，波動(dòng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，而在自適應(yīng)滑模觀測(cè)器下母線電壓波動(dòng)幅值減小為14V左右，波動(dòng)恢復(fù)時(shí)間較短，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)得到了明顯提高，具有良好的魯棒性。

圖20 傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感下負(fù)載突變時(shí)相電流及母線電壓波形圖Fig.20 The network A phase current and the bus voltage waveform under traditional VF-DPC in the load step

圖21 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器下負(fù)載突變時(shí)相電流及母線電壓波形圖Fig.21 The network A phase current and the bus voltage waveform under adaptive SMO in the load step

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PWM Rectifiers Based on Adaptive Sliding-mode Observer with Virtual Flux Orientation under Non-line Voltage Sensors Control

Xiao Xiong Zhang Yongjun Wang Jing Li Huade
（Engineering Research Institute University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China）

In the three-phase VSR control system, in order to solve the errors caused by direct current drift and initial value in flux estimation under the traditional no voltage sensors control, a new adaptive sliding-mode observer with virtual flux orientation under non-line voltage sensors control is presented in direct power control(DPC) system. In the new observer, the power supply voltage value is estimated by the switching function based on Sigmoid function. Meanwhile, we design a novel adaptive controller to adjust the compensated reference flux based on virtual flux linkage to be perpendicular to grid voltage. This adaptive sliding-mode observer has improved the virtual flux estimation precision, according to the justified tendency of reduction of the number of the sensors. As an efficient solution to improve the power quality used in DPC system, the proposed control strategy has effectively inhibited the bus voltage fluctuation and harmonic interference. The good dynamic and static performance is verified by simulation and experiment.

PWM rectifiers, virtual flux, adaptive sliding-mode observer, direct power control (DPC), non-line voltage sensors control

TM346

肖 雄 男，1989年生，博士研究生，研究方向?yàn)樾滦涂刂葡到y(tǒng)理論，電力電子技術(shù)與智能控制。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAF09B02）。

2014-07-10

張勇軍(通信作者) 男，1973年生，博士，副研究員，主要從事新型控制系統(tǒng)理論、交流調(diào)速控制理論與電力電子應(yīng)用等領(lǐng)域的研究工作。