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
2、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
3、（）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
4、的预测跟踪误差，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，？，
5、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
6、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
7、电感变化量。提取出由电感参 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
8、 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。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，可认为总延迟时间为倍，简化后的电流内环开
9、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 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
10、 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 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
11、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控制研宄西安：西 安理工大学，党超亮，王飞，穆晓宇，等
12、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
13、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