23/41單相三電平PWM整流器控制策略研究目錄TOC\o"1-3"\h\u10308單相三電平PWM整流器控制策略研究 1326391.1瞬態(tài)電流控制技術 256891.2電流內(nèi)環(huán)“P+重復控制”改進算法 3114511.2.1重復控制基本原理 323931.2.2并聯(lián)型“P+重復控制” 4單相三電平NPCPWM整流器雙閉環(huán)控制結構圖，如3-1所示。系統(tǒng)采取雙閉環(huán)控制，主要分為電壓外環(huán)控制和電壓內(nèi)環(huán)控制，PI調(diào)節(jié)器的輸入是直流側電壓參考值u*dc與直流側電壓實際值udc的差值，目的是讓udc跟蹤u*dc，使直流側輸出電壓穩(wěn)定，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得出網(wǎng)側電流給定值幅值I*，并使用了鎖相環(huán)對網(wǎng)側電壓us進行鎖相使其頻率和相位與I*一致，然后I*和is的差值信號輸送到電流內(nèi)環(huán)控制，最終在電流內(nèi)環(huán)控制中輸出調(diào)制信號uab*，再對其進行PWM調(diào)制得到PWM驅動脈沖。圖3-1單相三電平NPCPWM整流器雙閉環(huán)控制框圖1.1瞬態(tài)電流控制技術直接電流控制包括電流滯環(huán)控制、瞬態(tài)電流控制、預測直接電流控制。本文采用的是瞬態(tài)直接電流控制，它具有很多優(yōu)點。比如諧波小，動態(tài)響應快，結構簡單等。而滯環(huán)電流控制對設備過度依賴，所要求的功率開關器件要承受很大的開關頻率。瞬態(tài)直接電流控制為雙閉環(huán)控制中的內(nèi)環(huán)控制，其原理見圖3-2：圖3-2瞬態(tài)直接電流控制原理圖由圖可知，電壓外環(huán)為直流側電壓給定值udc*與實際值udc得出一個差值，這個差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出交流側電壓給定值分量Is*。電流內(nèi)環(huán)使用P控制器，將us-uR1-uL1當作前饋擾動信號，與雙閉環(huán)結合成復合控制方式。由圖3-2可知瞬態(tài)直接電流控制的表達式：Is式中Kp和Ti為PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，udc，idc為直流側的輸出電流和電壓，udc*為直流電壓給定值，ω為輸入電壓角頻率，K為比例系數(shù)。1.2電流內(nèi)環(huán)“P+重復控制”改進算法1.2.1重復控制基本原理重復控制的構造機理其實就是根源于內(nèi)膜原理。內(nèi)模的本質是在穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中植入外部信號的數(shù)學模型來實現(xiàn)高精準的反饋控制系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)可以穩(wěn)定的跟蹤輸入信號。重復控制的思想是基于內(nèi)模原理的方法，包含正弦的內(nèi)模，當頻率是基波頻率的倍數(shù)，輸出就會逐周期累加。當輸入信號衰減為零，該內(nèi)模仍然會逐周期輸出與上周期相同的信號。重復控制與積分環(huán)節(jié)的區(qū)別在于對誤差進行累加的方式不同。重復控制盡管對周期性波動有很好的抑制能力，雖然對非周期的擾動的反饋速度慢，抑制能力較差；但在突加、突減負載情時，重復控制器依舊將擾動周期出現(xiàn)的偏差在隨后的周期中試圖來自我糾正，可是在隨后的周期中波動卻不存在，所以導致控制錯誤，輸出的波形圖也很差。并對于上述情況提出了內(nèi)?？刂破鳎膹陀蚪Y構形式如下：G(s)=這里L為給定信號周期。但延時環(huán)節(jié)用控制器實現(xiàn)起來相對困難，因此重復控制采用離散的形式。離散的形式如下：G(z)=這里G（z）是離散域中的傳遞函數(shù)，N為單位基波周期的采樣次數(shù)。將公式（3-3）的公式用框圖形式可以得到z域的重復控制器如下圖（其中e（z）是輸入信號，h（z）是輸出信號）：圖3-3重復控制器z域模型框圖其中N為采樣頻率，也就是每個周期采樣次數(shù)。針對重復控制器而言，內(nèi)模是控制系統(tǒng)的核心，圖3-3的結構僅僅能實現(xiàn)理論上的無靜差跟蹤，它的閉環(huán)極點都分布在單位圓上，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，所以在具體應用中無法保證它的魯棒性，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到系統(tǒng)外部干擾導致它的穩(wěn)定性很差。因此必須對其進行修正使其閉環(huán)極點都分布在單位圓內(nèi)，增強其穩(wěn)定性。改進后的內(nèi)模結構如圖所示：圖3-4重復控制器改進內(nèi)模結構改進后的重復控制在Z域的表達式為：G(z其中N為每個基波周期對輸出電壓的采樣次數(shù)。當Q(z)取為1且該重復控制器工作在理想狀態(tài)時，可以消除給定信號基波頻率整數(shù)倍的干擾信號，達到無穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。但由于要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，Q（z）不可以取1，它可以是一個低通濾波器也可以是一個小于1的常數(shù)，經(jīng)過這樣改進，內(nèi)模純積分特性會被破壞，輸入信號為0時，不能完整重復上個周期信號，表現(xiàn)為逐個周期衰減。當Q為常數(shù)，衰減主要體現(xiàn)在幅值上；如果為低通濾波器，信號形式會發(fā)生變化。因此需要加入延遲環(huán)節(jié)和補償器C（z），對受控對象的幅值和相位進行補償。1.2.2并聯(lián)型“P+重復控制”由于重復控制產(chǎn)生周期延遲且誤差消除慢，因此很少單獨使用重復控制，此通常將其與其他控制策略結合使用。本文將P控制與重復控制進行復合控制，其系統(tǒng)結構框圖如圖3-5所示圖3-5并聯(lián)型P+重復控制控制系統(tǒng)框圖其中，P(z)是受控對象的傳遞函數(shù)。I*和is代表網(wǎng)側電流給定值和實際值，e代表二者之間的差值。C（z）為補償器，它是針對被控對象P（z）而設計的，它對重復控制系統(tǒng)的性能起了決定性的作用。主要解決如何使控制對象輸出完美的跟蹤指令信號。補償器C(z)的一般形式為：C(z公式3-5中，Kr為比例環(huán)節(jié)，用來保證系統(tǒng)穩(wěn)定以及對中低頻段的跟蹤精度：zk為相位補償環(huán)節(jié)，可以對系統(tǒng)進行相位補償；S（z）為二階低通濾波器，用來濾除控制對象的高頻分量以及諧振峰。為了方便設計，本文將Q(z)取作0.9，用來增強重復控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二階低通濾波器是最常見的一種濾波器，其具有通帶增益變化小、阻帶衰減率高并且結構簡單的特點，為此采用二階低通濾波器作為補償器來對高頻段進行衰減，對于整流器非線性負載，諧波大部分存在于中低頻段，因此采用二階低通濾波器對系統(tǒng)的諧波抑制能力沒有負面影響，同時能夠消除逆變器高頻建模不精確、使用零相移跟蹤理論無法正常工作的問題。Kr一般取作0.98,由于C（z）P（z）具有較大相移，所以選擇超前環(huán)節(jié)Zk進行補償，下面是對二階低通濾波器的參數(shù)進行選取，二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：S(其中ωn為截止角頻率這里選擇2π×2000rad/s，ξ為阻尼比,一般取作0.707。二階低通濾波器在s域的最終形式為：S（s）=ωn2s2再利用Matlab中的c2d指令，將S（s）在20kHz下離散化為：S（z）=0.1454z+0.1079z2?1.158z+0.4113最