自抗擾技術在PWM整流器中的應用

趙俊梅 任一峰

（中北大學信息與通信工程學院，太原 030051）

1 引言

三相電壓型 PWM整流器因其具有網側電流正弦化、運行于單位功率因數、能量雙向傳輸等優點，被廣泛應用于無功補償、有源濾波器、交流傳動、高壓直流輸電及新能源的利用等領域。在PWM整流器的眾多控制算法中，直接功率控制采用瞬時功率控制，具有高功率因數、網側電流低諧波、算法及系統結構簡單等優點，因其人們的廣泛關注。但負載變化或存在擾動時，會引起直流側電壓的波動，傳統的PI控制很難有效抑制電壓的波動。

中科院系統所韓京清研究院提出了一種對不確定系統有效實用的控制器——自抗擾控制器。它將系統的參數的變化歸結為系統的內擾和外擾一起形成總擾動。通過觀測補償的辦法解決，具有很強的魯棒性。其中擴張狀態器可以對系統的總擾動進行觀測，它不必區分擾動的形式，對非線性、耦合等復雜形式的擾動也可很好地觀測。

本文將自抗擾控制技術應用在直接功率控制的PWM整流器中，采用ADRC進行電壓外環控制，通過擴張狀態器對負載的變化及時準確地估計和補償，從而有效抑制負載變化帶來的影響。

2 PWM整流器的直接功率控制

整流器的直接功率控制系統是建立在瞬時值基礎上的三相電路瞬時無功功率理論。通過直接控制瞬時有功功率和無功功率，實現高功率因數、低諧波的控制。

整流器的直接功率控制系統結構如圖1所示，根據檢測到的電流 ia，ib，ic和電壓 ua，ub，uc，經計算得到瞬時有功功率和無功功率的估算值p和q，與功率的給定值pref和qref比較后送入滯環比較器輸出sp和sq開關信號，pref由直流電壓外環設定，qref設定為0，以實現單位功率因數。三相電壓 ua，ub，uc經3/2得到兩相靜止坐標系中的電壓uα和uβ，uα和uβ送入扇形比較器輸出θn信號。根據sp、sq和θn在開關表中選擇所需的sp、sq和sc去驅動主電路開關。

圖1 整流器直接功率控制系統結構圖

整流器的直接功率控制系統結構簡單，控制算法容易實現，可以實現對有功功率和無功功率的精確控制。其缺點是要求較高的采樣頻率且開關頻率不固定，造成網側電流諧波含量隨機分布，給網側電流濾波帶來困難。另外當直流側負載發生變化時，會造成直流側電壓波動。

3 PWM整流器的自抗擾控制器的設計

3.1 自抗擾控制器原理

自抗擾控制器的典型結構包括3部分：擴張狀態觀測器、微分跟蹤器和非線性狀態誤差反饋控制率。微分跟蹤器 TD的作用是安排過渡過程并給出此過程的微分信號。擴張狀態觀測器是自抗擾控制器的核心，擴張狀態觀測器ESO對狀態變量的估計z1（t）、z2（t） 及 系統總擾動的實時作用量的估 計z3（t） ，而反饋量 z3（t）/b0將起到補償這個“總擾動”的作用。b0為b的估計值。非線性組合NLSEF實現對各階誤差信號的非線性加工組合。典型二階自抗擾控制器結構如圖2虛線部分。

圖2 自抗擾控制器原理圖

許多實際被控對象的數學模型可以簡化為

式中，w（t）為系統總擾動，它包括系統外擾和模型變化引起的內擾；x為狀態，y為輸出；uCON為控制量；b為系數。通過采用ESO對總擾動進行觀測并給予補償，使系統變成積分串聯型系統，有

3.2 VO-DPC電壓自抗擾控制器設計

一般情況下自抗擾控制器采用非線性函數設計，能夠取得很好的控制效果，但計算復雜，并給調試增加了難度，所以采用線性函數來設計線性自抗擾控制器。

（1）跟蹤微分器的設計

式中，r為可調參數，r越大，跟蹤速度越快；udc1為安排的過渡過程；udc2為udc1的廣義導數。

（2）擴張狀態觀測器的設計

對 PWM整流器實際直流輸出電壓設計的二階線性ESO為

式中，udc為直流側輸出電壓；z1為電壓的狀態估計；z2為擾動 a（t）的估計值； β01、β02為兩個可調參數。

ESO對擾動的估計準確與否直接影響ADRC的控制效果，故ESO的參數整定非常關鍵，z2給出對未知擾動 a（t）的估計，影響系統的動態性能和精度，而z1的值對系統的輸出也有較大影響，因為PWM整流器的輸出電壓存在噪聲，z1起到對實際電壓進行準確狀態估計的作用。

（3）線性組合的設計

線性反饋結合ESO對耦合部分的觀測，就可以將直流電壓方程化為積分器串聯型的線性結構，這樣便完成了直流電壓的自抗擾控制器的設計，設計的自抗擾控制器如圖3所示。

圖3 ADRC控制器結構

4 仿真結果

根據整流器PI控制的直接功率控制和基于自抗擾的直接功率的基本原理，在Simulink環境下搭建其仿真模型，仿真參數設置如下：交流側電壓為110V，頻率為50Hz，電感為0.028mH，電阻為0.1Ω，直流側濾波電容為100uF,負載阻值為100Ω，直流電壓參考電壓輸入設定為300V。仿真結果如圖4所示。

圖4為直流電壓輸出波形，輸出電壓快速，無超調的到達穩定狀態，且穩態誤差很小。

圖4 直流電壓輸出

圖5為交流側相電壓和電流波形，電壓和電流的波形重合，實現了單位功率因數運行。

圖5 交流側電壓電流輸出波形

為了驗證所提方案的性能，筆者經PI控制的直接功率控制和自抗擾的直接功率控制作了對比實驗。其中圖6為參考電壓改變時輸出電壓的波形，在0.2s時，直流參考電壓改為400V，由圖6可見，ADRC控制比PI控制能更快地達到穩態。

為了驗證系統對負載的魯棒性，將系統的負載電阻在t=0.4s時由100Ω變為50Ω。圖7為直流電壓輸出波形，由圖7可見，文中所提方案具有更小的轉速降和更快的恢復時間。

圖6 參考電壓改變時直流電壓輸出

圖7 負載改變時直流電壓輸出

5 結論

作者針對電壓定向的直接功率控制的 PWM整流器，提出了一種基于自抗擾控制的電壓控制方案。仿真結果表明，該方法具有單位功率因數，低諧波、動態性能好等優點，而且驗證了系統對負載的擾動有明顯的抑制效果。

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