【机工课堂】电力电子应用系统与电网的接口：PWM整流器

电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域，并且在电力系统中得到日益广泛的应用。电力电子技术根据用电场合而改变电能的应用方式，即所谓的“变流”，使得电能的应用更好地满足人们的需求，并通过功能和性能的提高，产生经济效益和社会效益。因此，电力电子技术又被认为是电能应用的优化技术。

“绿色”电能变换的需求呼唤着电力电子技术的发展，而电力电子技术的发展又促进了“绿色”电能变换的实现。PWM整流器作为各种电力电子应用系统与电网的接口，其发展方向是将变流技术与微电子技术和自动控制技术相融合，已成为电力电子技术发展中的热点和亮点。

电压型PWM整流器在工业中的应用越来越广泛，如PWM整流电源、逆变电源、高频开关电源以及各种特种变流器等。随着现代工业的进步，对电压型PWM整流器性能提出了更高的要求。决定电压型PWM整流器性能包括：开关器件、拓扑结构、PWM算法及控制策略。开关器件及拓扑结构属于电压型PWM整流器硬件范畴，PWM算法及控制策略属软件范畴。因此，在开关器件及拓扑结构一定的情况下，PWM算法及控制策略决定了电压型PWM整流器波形质量、工作效率及稳态与动态性能。

从运行角度看，工业上更注意电压型PWM整流器的稳态与动态性能指标。因此，电压型PWM整流器的控制策略研究是提高性能指标的重要途径。

电压型PWM整流器控制策略传统上采用基于线性模型的PI控制器，控制结构为多环级联结构。由于PI控制器难于保证电能变换器具有优秀的动态性能以及大范围工作的稳定性。为此，针对电压型PWM整流器的非线性特点，国内外学者采用非线性控制理论研究电压型PWM整流器的控制问题，期待提高变换器的性能，如反馈线性化、无源控制理论、自抗扰控制技术等；同时进行整流器直接功率控制研究，取得了一定成果。

对于整流器直接功率控制，估算的瞬时功率值不仅有基波分量、也有谐波分量，提高了总功率因数和效率，有功和无功功率得到了精确控制，其误差由功率滞回比较器的滞宽决定；但由于采用功率滞回比较器，导致开关频率不确定，对交流侧电感滤波器设计不利。基于反馈线性化控制的控制器设计方法的目标是利用非线性控制律，将非线性系统转换成线性系统，再由线性理论设计控制器，从而提高系统的动、静性能；其不足是控制器会存在奇异性，对参数的依赖性大；控制律复杂。无源控制理论是从系统的能量入手，设计的无源控制律可使能量函数按期望的能量函数分布，从而达到控制目的。利用无源控制理论设计的系统控制器可实现系统的全局稳定性，无奇异点问题，对系统参数变化及外来摄动有较强的鲁棒性，是一种本质上的非线性控制理论。自抗扰控制器的技术核心是把系统的未建模动态和未知外扰作用都归结为对系统的“总扰动”而进行评估并给予补偿。其不足是要得到一组满意的非线性函数及相应的参数难度大，同时计算量大，导致控制周期变长，实时性差。

对于整流器直接功率控制中的开关频率变化问题可采用PWM或变滞环宽度的方法予以解决。反馈线性化控制理论存在的主要问题是控制律复杂、存在奇异点。对于由控制律复杂导致的实时性问题，可由高速传感器及高速处理器予以解决；对于奇异点，可通过修改算法予以解决。因此，随着电子技术的迅速发展，定会促进反馈线性化控制理论的发展与应用。对于无源控制理论由于是基于能量控制的思路对系统进行控制，是一种本质上的非线性控制，日益受到国内外学者的关注。自抗扰控制技术能够把系统的未建模动态和未知外扰作用都归结为对系统的“总扰动”而进行评估并给予补偿，还可观测系统的参数；因此，近几年自抗扰控制技术在工程各领域获得了应用。由于反馈线性化控制理论及无源控制理论都需要系统的数学模型及系统的参数，但在实际工程中，系统的数学模型及参数要受到各种干扰及系统工况的影响，某种程度上呈不确定性；对此，可采用反馈线性化、无源控制理论与自抗扰控制技术相结合予以解决。对于高阶系统，可将系统化为若干个低阶子系统，对每个子系统采用自抗扰控制技术。

节选自：《电压型PWM整流器的非线性控制（第2版）》（即将上市！）

深入浅出，条理清晰，语言通俗，文笔流畅，便于阅读学习。

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