三相電壓源型 PWM 整流器控制

控制技術對提高三相電壓源型PWM整流器性能非常重要。根據併網交流信號不同，電壓源型整流器又可分為電壓控制和電流控制。由於電流控制的方法簡單、直接，且具有限流和短路保護作用，因此使用比較廣泛。電壓源型整流器的電流控制方案一般採用以直流電壓為外環、交流電流為內環的雙環控制結構。根據電流內環是否引入交流電流反饋，可分為直接、間接兩種電流控制，由於直接電流控制回響速度快，魯棒性好，目前占主導地位。

基本介紹

• 中文名：三相電壓源型 PWM 整流器控制
• 外文名：Three - phase voltagesource PWM rectifier control
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 分類：電壓控制，電流控制
• 特點：回響速度快、魯棒性高

背景

整流器經歷了不可控整流、相控整流和PWM整流三個階段的發展，其中前兩種整流存在交流側輸入電流畸變嚴重、網側功率因數較低等問題，而PWM整流器克服了這些缺點，它是一種高效、可靠、綠色的電能變換器，具有雙向的功率流動、低畸變率且正弦化的輸入電流、單位或可調的功率因數、可調的直流電壓等特點。因此PWM整流器得到了廣泛的套用。根據直流側電源類型，PWM整流器可分為電壓源型整流器(VSR)、電流源型整流器(CSR)和Z源整流器(ZSR)。由於VSR的結構簡單、儲能效率高、損耗較低、動態回響快、控制方便。因此VSR一直是PWM整流器研究和套用的重點。根據併網交流信號不同，VSR又可分為電壓控制和電流控制。由於電流控制的方法簡單、直接，且具有限流和短路保護作用，因此使用比較廣泛。VSR的電流控制方案一般採用以直流電壓為外環、交流電流為內環的雙環控制結構。根據電流內環是否引入交流電流反饋，可分為直接、間接兩種電流控制，由於直接電流控制回響速度快，魯棒性好，目前占主導地位。

將全面完整地綜述三相VSR直接電流控制(簡稱VSR)的各種控制策略降，並展望三相PWM整流器控制技術的發展前景。

電壓源型整流器的雙環控制方式

目前三相電壓源型整流器通常都採取直流電壓、交流電流(或功率)雙級環路結構控制方式，電壓外環控制直流側電壓，維持直流母線電壓的恆定，它的輸出作為交流電流(或功率)內環的交流電流(或功率)指令，利用交流電流(或功率)內環快速、及時地調整交流側的電流，抑制負載擾動影響，使實際交流電流能夠快速跟蹤交流電流指令，實現單位功率因數控制。在雙環控制中，電壓外環與電流(或功率)內環在速度上必須進行配合，外環要比內環慢得多。

(1)內環採用電流控制陣。它是目前廣泛實際採用方法，內環電流可在三相靜止abc坐標系或兩相同步旋轉dq坐標系中直接控制。早期的控制電路主要用模擬電路，要實現坐標變換非常複雜，控制器一般在靜止標系實現，為彌補靜止坐標系控制器的不足，在靜止坐標系的電流控制器引入電網反電勢信號作為前饋補償可以使電流的控制效果和旋轉坐標系很近;隨著處理器技術的發展，數位化系統已基本取代模擬電路，數字系統的坐標變換很方便，現基本採用同步坐標系下的控制器，此時可實現dq軸電流的解禍無靜差控制，電流回響也更快，但常需鎖相環節提供用於觸發脈衝生成所需的基準相位，實現dq軸的定位，比較複雜。

優點:控制結構簡單，動態回響速度快，電流控制精度高;限流容易，只要使指令電流限幅，就可實現過流保護;對負載參數不敏感及具有較強魯棒性;具有固定的開關頻率，易於系統的設計。缺點:電流內環為抑制非線性負載擾動，必須具備足夠高的頻寬，這加大了數字控制器實現難度;同步坐標系下電流內環控制一般需要鎖相環節實現d, q軸的定位，比較複雜;需要寬頻帶、快速的電流感測器，控制成本高。根據PWM數學模型，採用基於檢測開關函式和輸入電流的電流觀測器，可實現無電流感測器控制，降低成本。

(2)內環採用功率控制。直接功率控制(DPC)方式在1991年被提出，它通過控制輸出的有功功率、無功功率的方法來問接地控制輸出電流(當交流電壓一定的情況下)。它的控制結構為直流電壓外環、功率控制內環結構，根據交流電源電壓及瞬時功率在預存的開關表中選擇整流器輸入電壓所需的控制開關量，從而實現高性能整流。DPC可分為電壓定向、虛擬磁鏈定向兩種類型，其中電壓定向又可分為有交流電壓感測器和無交流電壓感測器兩種方案。

優點：估算的瞬時功率不僅有基波，還有諧波分量，提高了總功率因數和效率;系統無電流環和複雜的算法，有功、無功功率得到了獨立精確控制，其誤差由功率滯環比較器的滯寬決定;具有功率因數高、諧波干擾低、回響快、效率高，動態性能和魯棒性好;系統結構與算法實現簡單，無需旋轉坐標變換和解禍控制，無電流內環和PWM調製模組，只需從預存的開關表中直接選取所需的開關信號，對交流側電壓不平衡和諧波失真也有一定補償作用;通過估計虛擬磁鏈來計算無功與有功功率，可省略電網側電壓感測器，節約了成本。缺點:功率滯環比較器沒有恆定的開關頻率，且又屬非線性和無嚴格的數學描述，導致功率和直流電壓跟蹤能力差;功率滯環比較器不能完全跟蹤按時問變化的信號，需採用較高且變化的開關頻率，給濾波器設計帶來困難;功率估算需要檢測整流器的開關狀態，需要高速的處理器和A/ D轉換器;有功功率和無功功率之問存在禍合，直流電壓受有功功率決定的同時也受到無功功率的影響，功率內環採用常規單開關表同時控制有功和無功功率，且對無功功率調節強於有功功率，導致暫態過程中有功功率、直流電壓出現了較大波動，且穩態時負載電流擾動會產生較大的直流動態壓降。通過交替採用有功、無功功率的雙開關表控制策略，且採用負載電流反饋控制雙開關錶轉換信號的占空比，可改善系統啟動性能和減少直流動態壓降或消除穩態直流壓降，但雙開關表控制系統結構較為複雜。

(3)內環採用時間最優控制。 DPC通常是通過前饋解禍控制，採用兩個獨立的PI調節器，來控制相應的有功和無功分量，而有功分量和無功分量之問的動態禍合以及PWM電壓利用率的約束，影響了整流器有功分量(即輸出直流電壓)的動態回響。時間最優控制是在1997年被提出的控制方法，它根據時間最優控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優控制電壓，並在動態過程中降低相應無功分量的回響速度，從而有效地提高了有功分量(直流電壓)的動態回響速度，實現了直流電壓的時間最優控制。

優點：系統結構簡單，易於實現;通過加入積分環節，保證了電流控制無靜差；可根據性能指標矩陣改變系統的控制性能，滿足所需系統回響特性；系統對負載變化或系統參數有較強魯棒性和適應性，使系統具有高功率因數，且輸出電壓可調。缺點:系統工作在高功率因數下，整流器的無功電流不能獨立調節，無法實現對系統功率因數的控制；最優控制是從精確的數學模型計算出來的，當模型存在偏差將嚴重影響系統的性能，使品質惡化，因此有必要解決魯棒閉環算法問題;理論上還有最最佳化算法的簡化和實用性問題。

電壓源型整流器的控制方法

在電壓源型整流器的雙環控制方式中，電壓外環僅需直流電壓恆定，控制比較容易，一般採用PI算法即可，但電流外環需要輸出穩定高質量的正弦波電流與公共電網同壓、同頻、同相位，控制比較困難，因此提出的控制算法很多。按照電流內環的控制方式不同，VSR控制方式可分為傳統的線性/非線性控制、現代的非線性控制和智慧型控制3大類。

傳統的線性/非線性控制方法

在交流小信號分析時，整流器被視為一個線性系統，可用成熟的線性控制理論的方法研究;由於整流器本質上是一個強非線性的動態系統，採用非線性控制技術才能使系統對參數變化和外來擾動具有魯棒性和適應性。下面介紹幾種傳統的線性/非線性控制方法。

(1)滯環電流控制。它是由Thomas A F.在1967年首次提出，並在電流內環採用這種滯環電流控制方式。雙閉環系統將外環PI調節器的輸出分別乘以與相電壓同相位的正弦電壓，得到一個指令正弦電流，將它與實際檢測到的交流電流進行比較，兩者的偏差作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路中開關通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路控制併網逆變器的相應開關器件通斷，使實際電流追蹤指定的電流的變化。滯環電流比較器集電流控制與PWM產生於一體，它兼有電流控制器和PWM產生作用。

優點：控制結構簡單，容易實現，電壓利用率高，動態性能較好；當功率器件的開關頻率很高時，電流回響快，可實時控制;不存在載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量；若滯環的環寬固定，電流跟蹤的誤差範圍是固定的;控制運算中未使用電路參數，對負載及電路參數變化不敏感，系統魯棒性好，套用較廣。缺點：開關頻率在一個工頻周期內不固定，且隨著系統運行條件的變化而變化，不能有效地控制開關器件的最高開關頻率；諧波電流頻譜隨機分布，增加了濾波器設計困難;開關的損耗較大;對外界的電磁干擾也較大。因此，此法現己基本不採用。

(2)三角載波比較法的控制。它是由WuRusong等在1990年提出，它採用由時鐘定時控制的比較器代替滯環比較器，它是將指令電流與實際輸出電流進行比較，兩者的電流偏差通過PI調節後再與一個固定頻率的三角載波比較，以產生PWM信號，因而實現固定的逆變器開關頻率。

優點：開關頻率固定，很少產生噪聲，開關消耗也較少；控制算法簡便，物理意義清晰，實現方便；由於開關頻率固定，網側變壓器及濾波電感設計容易；併網電流的閉環控制，提高了電流控制性能，增強了系統魯棒性；隨著功率器件開關頻率的增加，控制性能得到改善。缺點：必須存在電流偏差(相位延遲和幅值誤差)才能產生PWM波，這種相位偏差對高性能驅動系統是有害的；電流跟隨誤差較大，軟體實現較複雜；由於加入了PI調節環節，電流動態回響不如滯環比較法快。

(3)靜態PID控制及其改進。 PID控制是通過比例、積分、微分算法來實現對被控對象的控制。由於其算法簡單成熟、魯棒性和可靠性較高、控制效果良好，因此，已廣泛套用於PWM整流器控制，在三相靜止abc坐標系下需要採用三個PID控制器。

優點：控制策略的物理意義清晰，實現相對簡單;算法簡單明了，參數易於整定，設計過程不過分依賴系統參數，控制的適應性好，魯棒性較強，可靠性高。缺點:局限於線性定常系統，對於模型參數大範圍變化且非線性較強系統，PID控制難以滿足高精度、快回響的控制要求;由於反饋電流為交流輸出電流的瞬時值，參考電流和輸出電流問存在相位誤差，對於交流正弦系統，PID調節不能夠實現無靜差控制，因此輸出電流的穩態誤差較大，不能及時跟蹤正弦波給定電流。引入電網電壓前饋控制可克服穩態誤差問題，但也易引起電網的畸變。

(4)同步矢量PID控制。為克服上面控制方法存在靜差的缺點，目前整流器的內環一般都採用同步旋轉Pq坐標系下PI控制。先將三相靜止坐標系的量轉換成為兩相旋轉坐標量，這樣可把對交流量的控制轉變成對直流量的控制，然後採用兩個PID運算，最後反變換轉換為各相的控制量。該控制可分為基於電壓定向(VOC)和基於虛擬磁鏈定向(VFOC)兩種控制策略，其中VOC具有直接電流控制的動態回響快、穩態性能好、白身有限流保護能力等優點，還可以消除電流穩態誤差，達到單位功率因數，因此套用十分廣泛；VFOC雖然其算法複雜，但輸入側省去了電流感測器，控制迴路中省去了兩個電流調節器，簡化了電路結構，最佳化了系統性能，具有良好的動態性能和高的功率因數。

優點：在同步旋轉坐標系下，交流電流分量變為直流分量，對直流量可以實現無靜差控制，系統具有更好的穩態性能;在旋轉坐標系下，更有利於有功電流和無功電流的獨立控制。缺點:模型上相互禍合，對控制的靜、動態性能不利，為完全克服有功電流分量和無功電流分量之問交義禍合電勢的作用，實現完全解禍控制，可採用內模解禍控制方式;PI控制器的參數設計與選擇要經過一系列的測試才能獲得性能較優的參數。

(5)比例諧振控制。PWM整流器內環電流的矢量控制需要經過多次坐標變換，且需要前饋解禍控制，因而系統結構複雜，實現困難。比例諧振控制((PRC)在1998年提出，它可省去複雜的交直流變換，而是直接控制交流量，來達到消除穩態誤差，使輸入電流跟蹤參考電流。PRC由比例調節器和諧振調節器組成，它在基頻處增益無窮大，而在非基頻處增益很小，因此，它可對頻率為基頻的正弦信號實現無靜差跟蹤控制。通過把基頻設定為電網電壓的基頻，即可對網側變換器電流進行PRC控制。

優點：省去了兩次坐標變換環節，且不需要設定前饋解禍，從而加快了動態回響過程，簡化了系統結構，實現了靜止坐標系電流的無靜差控制。缺點：控制器的設計不直接，需要經過一系列的測試。

(6)線性狀態反饋控制。它是以整流器的小信號線性化狀態空問模型為基礎，採用狀態反饋來任意地配置閉環系統極點或設計最優二次型調節器，從而使整流器控制系統有良好的瞬態回響和較低的諧波畸變率。一般將狀態反饋作為電流內環、再加上電壓外環控制形成雙環控制方案，利用狀態反饋改善空載阻尼比小、動態特性差的不足，與外環共同實施對逆變器的波形校正。另外，也可不分開電壓、電流控制，而是對整個系統進行閉環極點配置或設計最優二次型調節器。它需要事先離線算出各個靜態工作點的狀態空問模型及與之對應的反饋矩陣，然後存入存儲器。工作時，還要檢測負載電流或等效負載電阻以確定當前的工作點，然後查表讀取相應的反饋矩陣。

優點:可任意配置閉環系統的極點位置，抑制了擾動影響和暫態振盪，提高了動態回響速度，改善了系統的動態品質，對線性負載的回響很好。缺點:對系統模型依賴性強，而建立狀態模型時很難將負載特性完全考慮在內，通常只能針對空載或特定負載進行建模，當模型參數和負載變化時控制效果變差，因此魯棒性差;對系統穩態指標的影響不大，不能抑制各種干擾引起的波形畸變;參數整定複雜，需要多次試湊極點以得到要求的動態性能;對交流電流進行無差跟蹤，要求控制器具有無限頻寬;要求對靜止工作點的劃分很細，占用存儲空問較大，離線計算量也比較大，實現複雜。

（7）幾種預測控制。目前PWM整流器兒乎都採用數字控制，由採樣和計算產生的延遲會影響系統穩定，控制效果會下降。因此，採用預測電流、無差拍、單周、重複、模型預測等兒種預測控制技術對延遲進行補償，但這些方法未充分考慮到PWM整流器的非線性特性，本質上仍為線性控制。

1）預測電流控制。它是在固定的採樣周期內，根據負載情況和給定的電流矢量變化率的電路模型，以本次採樣實際電流與下一採樣時刻的預測電流進行比較，推導出最優控制電壓以及電壓空問矢量，作用於下一個周期並由此決定三相橋臂各功率器件的通斷，使實際電流在一個周期內跟蹤參考電流，實現整流器快速的動態回響性能。

優點:數學推導嚴密，控制簡單，數字實現容易;跟蹤無過沖、電流諧波小，器件開關應力小，動態性能好，特別是在高採樣頻率和開關頻率時，電流跟蹤能力強，電流波形畸變小。缺點:在低的採樣頻率下，會產生周期性的電流誤差，且電流誤差比滯環電流控制要大;對參數的變化敏感，魯棒性差;計算量較大，回響速度較慢。

2)無差拍控制。它是一種基於電路方程的控制方式，它利用狀態反饋實現零點和極點的對消，並配置另一個極點於原點。20世紀80年代被套用到逆變器上，它是根據逆變器的狀態方程和輸出反饋信號來推算出下一個開關周期的PWM脈衝寬度，從第2個採樣周期起，輸出波形就可以很好地跟蹤參考指令，使得由負載擾動引起的輸出電壓偏差可在一個採樣周期內得到修正。

優點：動態回響速度快，輸出能夠很好地跟蹤給定，波形畸變率很小，即使在很低的開關頻率下，也能得到較好的輸出波形品質;通過調節逆變橋的輸出相位來補償LC濾波器的相位延時，使輸出電壓的相位與負載關係不大;負載適應能力強，對負載切換造成的過渡過程短，對非線性負載輸出諧波失真小。缺點：要求脈寬必須當拍計算當拍輸出，運算的實時性要求很高，否則會影響系統特性;由於採樣和計算時問的延遲，輸出脈衝的占空比受到很大限制;對系統參數變化反應靈敏，系統魯棒性差，通過加入負載電流觀察器可解決這個問題，但算法複雜，且當採樣頻率不高時誤差較大。

3)單周控制。它通過控制開關占空比，在每個周期內強迫開關變數的平均值與控制參考量相等或成一定比例，從而在一個周期內白動消除穩態、瞬態誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。該技術同時具有調製和控制的雙重性，通過復位開關、積分器、比較器、觸發電路達到跟蹤指令信號的目的。

優點：能在一個周期內抵制電源側的擾動，消除靜態誤差和動態誤差，動態回響快，能減小畸變和抑制電源干擾，對輸入擾動抑制能力強；無需檢測輸入電壓、鎖相環和其他同步電路，只需檢測輸入電流和輸出電壓，用模擬器件就可實現;電路簡單、成本低、可靠性高、實現容易、穩定性好；開關頻率恆定，魯棒性強。缺點：需要快速復位的積分電路，硬體電路較複雜;對開關誤差校正能力有限，存在穩態誤差，精度欠佳；對負載擾動抑制能力差，負載動態回響慢，若將輸入電壓誤差引入積分器，負載擾動抑制會有所改善，但負載擾動信號是基於輸出電壓誤差，不能實現最優動態回響。

4)重複控制。它是一種基於內模原理的控制方法，它利用內模原理，在穩定的閉環系統內設定一個可以產生與參考輸入同周期的內部模型，從而使系統實現對外部周期性的正弦參考信號的漸近跟蹤，並消除重複出現的畸變。為了增強系統的穩定性，在理想重複控制器中加入一些濾波器。

優點：可克服死區、非線性負載等周期性干擾引起的輸出波形周期性畸變；可以消除周期性干擾產生的穩態誤差，獲得低THD的穩態輸出波形；控制魯棒性強，且數字實現容易。缺點：由於延遲因了的存在，在干擾出現的一個基波周期內，系統對干擾不產生任何調節作用，控制的實時性差，動態回響速度慢，可採用與PI等複合控制來解決此問題。

5)模型預測控制。預測控制具有多步測試、滾動最佳化和反饋校正三個基本特徵，它不是採用不變的全局最佳化目標，而是採用滾動式的有限時域最佳化策略，使得在控制的全程中實現動態最佳化，而在控制的每步實現靜態參數最佳化，及時彌補了模型失配、時變、干擾等引起的不確定性，使控制保持實際上的最優。它主要包括模型算法控制(MAC)、動態矩陣控制(DMC)、廣義預測控制(GPC)、預測函式控制((PFC)等多種算法，其中MAC採用基於脈衝回響的非參數模型作為內部模型，它已用於PWM整流器控制中，根據網側電流和整流器輸入側電流問傳遞函式得出整流器的一階差分方程作為預測模型，實現了網側電流的模型預測控制。此法常與神經網路、模糊、白適應、魯棒等其他控制方法相結合。

優點：預測和最佳化模式是對最優控制的修正，建模方便；採用非最小化描述的離散卷積和模型，信息冗餘量大，提高了魯棒性;採用滾動最佳化策略，使模型失配、畸變、干擾等引起的不確定性及時得到彌補，提高了抗擾性和適應性；對模型精度要求不高，跟蹤性能良好，更適於複雜工業過程控制。缺點：控制設計較複雜，當控制量有約束時變成了非線性約束最佳化問題，系統設計和控制算法更為複雜;線上計算時間長，計算量大;理論分析難以深入，對多變數預測控制算法的穩定性、魯棒性的研究巫待解決;對於線性系統可以解析求解，線上計算相當簡便，而對於非線性系統則往往需要線上的數值疊代求解，計算量很大，無法滿足實時控制的要求。

現代的非線性控制方法

由於PWM整流器屬於非線性控制系統，基於小信號模型用線性控制方法難以獲得非常滿意的控制效果。為提高整流器的性能，現代的非線性控制理論已套用到整流器控制中，但是目前還很不成熟。

(1)自適應控制。它主要用來解決整流器在運行過程中參數攝動和各種擾動引起的不確定性問題，是在1954年由Tsien H S.提出的，它所依據的關於模型和擾動的先驗知識較少，通過不斷檢測系統參數或運行指標，線上辨識系統模型，自動調整控制參數或控制策略，補償過程特性或環境的變化，實現高精度控制。它又分為線性與非線性兩類，目前已比較成熟的線性白適應控制主要有模型參考自適應控制(MRAC)和自校正控制(STAC)兩種，現主要研究模糊、神經網路、魯棒等非線性白適應控制。

優點：通過線上修正自己的特性以適應對象的變化，能夠有效地解決模型不精確和模型變化所帶來的魯棒性問題。缺點：數學模型的建立和運算比較複雜，控制系統不易實現；進行辨識和校正需要一定時問，主要適於漸變和實時性不高的過程；處理非線性系統及系統結構變化的能力較差，在多輸出系統中的套用尚不成熟等。為克服不足，目前此法一般常與其他方法結合形成了多種新方法。

(2)魯棒控制。它是解決PWM變換器不確定性系統控制的有效方法，是把系統的不確定性視為某種擾動集合，然後對擾動集合給予適當的數學描述並作為約束條件，並和原有系統約束條件一起形成最佳化問題進行求解，得到最佳化的控制規律，這樣在預定的參數和結構擾動下仍然能保證系統的穩定性和可控性。它包括H 控制、L2增益控制、u分析控制等兒類方法，其中H 控制是以擾動輸入至評價信號的傳遞函式矩陣的H 範數作為性能指標，由H 範數最小來設計出反饋控制器，使閉環系統穩定，且干擾對系統的影響最小；L2增益控制是把干擾對系統的影響用干擾量與評價信號問的L2增益來描述，如果控制系統的L2增益滿足指定的要求，就可抑制干擾；u分析方法將一個具有迴路多點獨立的有界範數攝動化為一塊對角攝動結構，然後給出判斷系統魯棒穩定的充要條件。魯棒控制常與白適應、內模、神經網路等其他控制結合，以改進其性能。

優點：對於外界干擾、參數偏差、模型不確定性以及系統噪聲有良好的穩定性；u綜合理論可減少時域仿真法的計算複雜度，降低一般H 分析方法的保守性，還能保證計算精度。缺點：權函式選取困難，依賴於設計者的經驗;仍屬模型的設計方法，需依參數不同及所選加權不同而重新設計控制器；只能在允許的不確定性界內保證系統的魯棒穩定性；只能處理非結構性不確定問題，對結構性不確定性問題有局限性；只能最佳化單一的H 範數，不能與其他目標函式綜合起來；控制器階次較高，算法複雜，難以實際套用;w真實值很難計算，通常只能對u的上界進行估算，而要對具體系統設計w控制器則更加困難；L2增益控制需要求解HJI微分不等式方程，但一般求HJI不等式的解析解比較困難，特別是對於高階系統，尚且沒有求解HJI的一般理論。

(3)變結構控制。由於整流器的開關切換動作與變結構系統的運動點沿切換面高頻切換動作上有對應關係，變結構控制被引入到整流器控制上，以解決整流器的時變參數問題。變結構控制是根據被調量的偏差及其導數，控制規律迫使處於任何初始條件下的系統狀態按一定的趨近率到達並保留在預先設計好的超平面上(超平面是在狀態空問中定義的非連續函式，在超平面上系統的動態成為滑動模態。為達到更好的控制效果，它與自適應、預測、無源性、反饋線性化、模糊、神經網路等控制相結合。

優點：幾乎不依賴於模型，對參數變化和外部擾動不敏感，魯棒性好，抗干擾能力強;不需要線上辨識，控制規律實現容易；對系統模型精度要求不高，控制規律簡單，實現容易，可協調動、靜態問矛盾；可有效降低系統的階數、簡化控制；理論上可套用到各類非線性系統。缺點：開關頻率不固定，輸出紋波較大，對濾波器設計要求較高；頻繁高速的開關切換會帶來高頻抖動，甚至導致不穩，需用飽和切換函式替換理想的切換函式來解決;需要知道系統不確定性參數和擾動的上、下界的準確度，滑動模態的到達條件比較嚴格，影響系統魯棒性;理想滑模切換面難以選取，選擇各了控制器的參數比較困難，採樣頻率要求足夠高。

(4)反饋線性化控制。它是基於微分兒何的線性化解禍控制方法。它是以微分兒何為數學工具，通過適當的非線性狀態和反饋變換，可實現狀態或輸入/輸出的精確線性化，從而將複雜非線性系統綜合問題轉化為線性系統的綜合問題，然後套用各種成熟的線性控制方法設計控制器。由於PWM整流器內環電流系統具備仿射非線性系統的形式，符合反饋線性化條件，存在解禍矩陣，可實現反饋線性化控制。

優點：實現了電流、電壓有功和無功分量的完全解禍，加速了直流電壓回響，直流電壓跟蹤負載變化快，電流波動小；可減少直流電容器的容量，可減少設備的成本及體積；這種線性化是完全精確的，且對有定義的整個區域都適用；解決控制系統內部參數攝動和外部參數擾動的影響，系統魯棒性強。缺點：無法直接限制有功電流，且非線性控制器設計相當複雜；解禍矩陣、反饋控制律複雜，導致運算複雜，需要高速DSP;解禍矩陣可能存在奇異性，這可通過給導致奇異點的量預置數來解決；當系統不確定擾動的相對階低於未加擾動系統的相對階時，系統的零動態由於擾動可能變得不穩定，可在基於輸入輸出線性化的基礎上加上變結構控制，提高系統的抗干擾能力。

(5)逆系統控制。它是先用給定對象的模型生成一種可用反饋方法實現的原系統的二階積分逆模型，將之串聯在被控對象的前面，原對象被補償為具有線性傳遞關係且已解禍的偽線性規範化系統，再用線性系統理論來完成偽線性系統的控制。此法已用於三相PWM整流器控制，利用整流器數學模型，以直流輸出電壓、有功和無功電流作為狀態反饋變數，推導出整流器的逆系統，構造出偽線性閉環控制系統，實現了無功電流分量和直流電壓的解禍控制。

優點：避免了微分兒何的複雜繁瑣理論束縛;不局限於仿射非線性系統，使用範圍廣;數學推導簡單，物理概念清晰，容易理解和套用，適合於工程套用。缺點：要求系統的模型精確已知，需要求出逆系統的解析表達式，且須滿足系統可逆性條件，因而套用受到很大限制。由於神經網路不依賴於模型，常將其與其他結合使用;控制精度依賴於逆模型的精度，白適應性和魯棒性差。為解決白適應性差問題，它常與白適應、神經網路、支持向量機等相結合，對參數和模型線上辨識或校正，可取得更好的控制效果。

(6)基於存儲函式的控制方法

1)基於Lyapunov穩定性理論的控制

它是在1892年提出的穩定性判據基礎上發展起來的，它先對系統構造一個“類似能量”的純量函式，然後在保證該函式對時問的變化為負的前提下來設計控制器。為解決大範圍、大幹擾的控制問題，此法在1998年被引入到三相PWM整流器控制中，它以電感、電容儲能的定量關係建立了Lapunov函式，並通過整流器的數學模型和相應的空阿矢量PWM約束條件，推導出控制算法。

優點：理論嚴格、物理意義清晰；方法簡單、實現容易、回響速度快;解決整流器的大範圍穩定控制問題，對大信號擾動具有很強的魯棒性;在負載電流躍變時，直流電壓的回響快且動態壓降小，交流電流的回響也很快且能很快與電源電壓同步。缺點：必須構造一個合適的師apunov能量函式，能量函式不具有唯一性，找出最佳能量函式很困難;能量函式向系統期望點收斂速度不可控，導致動態性能不理想。

2)基於EL模型的無源控制

無源控制((PBC)是一種非線性反饋的能量控制方法。無源性系統的能量由初始時刻到目前時刻的增長量不大於外部注入的能量總和，也即無源系統的運動問題伴隨著能量的損失。PBC利用輸出反饋使得閉環系統特性表現為一無源映射，它採用歐拉一拉格朗日數學模型，通過能量整形和阻尼注入，注入合適的阻尼項，配置系統能量耗散特性方程中的無功分量“無功力”，迫使系統總能量跟蹤預期的能量函式，使閉環控制系統是無源的，保證系統的穩定性，使得被控對象的輸出漸近收斂到期望值。

優點：由於系統本身已提供Lyapunov函式，設計過程中省去了尋找該函式，簡化了控制器的設計;輸出電流波形正弦化，畸變率低，對系統參數變化及外來攝動有較強魯棒性;系統結構簡單，物理意義明確、成本低、易於實現;系統反饋不需要觀測器，直接利用輸出反饋;具有全局穩定性，無奇異點;可套用於EL方程描述的控制系統，且EL模型中有反對稱矩陣，簡化了無源控制律，增強了控制的實時性。缺點：在構造存儲函式時，系統的Lagrange結構常會被打破，系統的穩定性得不到保證；Lyapunov函式的構造無規律可循;當負載變化、電源不平衡時直流電壓穩態誤差較大，系統回響不快。

3)基於PCHD模型的無源控制

它解決了PBC方法的Lagrange結構常被破壞而導致系統穩定性得不到保證的問題。它採用連線埠受控哈密頓函式模型(PCH)表示系統，將能量耗散的概念引入PCH系統中，這樣原來的系統變為連線埠受控的耗散哈密頓系統(PCHD)，再利用哈密頓系統的反饋鎮定原理來尋找反饋控制，利用互聯和阻尼配置的無源性控制(IDA-PBC)能量成形方法來進行控制器的設計。

優點：系統對負載的變化和外界擾動具有很強的魯棒性和抑制能力，很好地解決了系統的反饋鎮定問題；根據能量平衡關係，選擇期望的閉環哈密頓函式，偏微分方程可轉成普通的微分方程，求解容易、計算量小、便於實現;由於PCHD模型中有反對稱矩陣，簡化了無源控制律，增強了系統控制的實時性；如將積分控制引入PCHD控制系統，還可消除噪聲、建模誤差等引起的輸出穩態誤差。缺點：求取的期望哈密頓函式、互聯和阻尼矩陣以及控制器，都缺乏必要的物理意義，計算複雜並且難以實現;直接求解偏微分方程難度大，計算量大，實現困難。

(7)反步法控制。它是以Lyapunov能量函式的收斂性為目標，將原來的複雜的非線性系統分解為若干個了系統，引入虛擬控制量進行靜態補償，採用由前往後遞推的設計方法，通過設計後面了系統的虛擬控制來保證前面了系統達到鎮定。當系統存在不確定性時，加入白適應功能，採用白適應反步控制方法。此法已套用於PWM整流器的控制中，首先系統模型被分解為dq坐標系下的兩個單變數模型，再對各單變數系統採用反步法設計控制器，從而實現對兩變數的穩定控制。

優點：能夠維持系統的全局一致漸近穩定，保證系統跟蹤誤差漸近收斂;設計過程簡明；對參數不確定性及外界干擾有魯棒性;基本解決了Lyapunov函式的構造性問題，給出了反向設計尋求Lyapunov函式的方法;不要求非線性系統滿足匹配條件，增廣匹配條件或者非線性增長性約束條件。缺點：參數變化需滿足線性參數化條件；依賴於對象的數學模型;需要計算回歸函式，計算量成指數險增長，實現難度較大；白適應反步法要求系統的不確定性必須轉化為線性參數未知的不確定性，且在確定和計算回歸矩陣時比較煩瑣；僅適於可狀態線性化或具有嚴格參數反饋的不確定非線性系統。

(8)自抗擾控制。自抗擾控制(ADRC)是在1997年提出，它用配置非線性結構替代極點配置進行控制系統的設計，依靠期望軌跡與實際軌跡的誤差來實施非線性反饋控制，可改善PID控制器在強幹擾及非線性系統中的控制效果。它由跟蹤微分器、擴張狀態觀測器和非線性狀態誤差反饋控制律三部分組成，它們作用分別為安排過渡過程和提取微分信號、估計擾動和形成控制量。它把系統的模型攝動作用當作內擾，將其和系統的外擾一起作為系統總的擾動加以補償，從而將具有非線性、不確定對象的控制系統補償為確定的、簡化的積分串聯型線性系統，在此基礎上再設計控制器。它常與模型配置、無源、神經網路等控制相結合，實現優勢互補，獲得更好的性能。

優點：實現了系統的非線性項和參數攝動、電源擾動等干擾的觀測與補償，具有良好的魯棒性和適應性；安排過渡過程解決快速和超調問的矛盾，不用積分反饋也能實現無靜差，避免積分反饋的副作用；統一處理確定系統和不確定系統的控制問題；不含有高深的數學知識，不需複雜推導，控制規律簡單，實時性好，工程套用方便。缺點：當對象模型階數大於3時，難以選取滿意的非線性函式及相應的參數;運算較複雜，計算量大，實時性變差;涉及較多的參數選取問題，它們的取值會影響控制性能。

智慧型控制方法

上述線性或非線性控制策略都是依據系統的數學模型，而建立考慮各種因素的PWM整流器的精確數學模型是不可能的。智慧型控制策略不需要建立嚴格的PWM整流器的數學模型，它僅需建立非機理模型，能實時地保證整流器電流波形為理想波形，達到單位功率因數要求。智慧型控制包括模糊控制、神經網路控制及其模糊神經控制等多種方法。

(1)模糊控制。它是基於模糊推理，模仿人的思維模式，對難以建立精確數學模型的對象實施的一種控制，它包括精確量的模糊化、模糊推理、清晰化三部分。為消除早期模糊控制存在的靜差，出現了帶積分模糊控制器等。由於它的精度及白適性較差，常把它與PID、自適應、變結構、神經網路等其他控制相結合，以取得更優性能。此法已套用到PWM整流器控制中，能夠加快系統回響速度，增加在系統參數攝動下的穩定性。

優點：不依賴被控對象的精確模型，具有較強的魯棒性和白適應性，能夠克服模型參數變化和非線性等不確定因素；算法簡單，回響速度快，實現容易;能在準確性和簡潔性之問取得平衡，可有效地對複雜系統做出判斷和處理。缺點：缺乏分析和設計控制系統的系統方法，只能用經驗和反覆的試探來設計控制器，非常耗時低效；不能保證規則庫的完整性，且白適應能力有限；常規模糊控制只相當於PD控制器，控制精度不高，穩態精度低，甚至可能振盪。

(2)神經網路控制。神經網路控制專注於模仿人的大腦神經網路對信息的處理能力，它將函式的映射關係隱含、分布在網路連線權和節點的函式中，利用輸入輸出數據作為學習樣本，調節各層的連線權值，使輸入、輸出的對應關係可以任意逼近一給定的非線性動態系統。此法常與自適應、PID、模糊等結合使用，以取得更好性能。PWM控制系統中電流控制本身是一種很強的非線性控制，它可離線訓練了一個神經網路控制器代替滯環控制器，此法適應電流波形變化的能力強，且保持了滯環控制魯棒性好、電流回響快的優點，同時可以限制器件的最高開關頻率。

優點：具有並行處理、白組織學習、非線性映射、魯棒性及容錯性等能力；只需通過一定的I/O樣本來訓練，可逼近任意對象的動態特性;不需複雜控制結構，也不需要對象模型，可用於複雜的控制對象。缺點：物理意義不明確;網路結構、隱層數及各層神經元數的選取缺乏理論支持；計算複雜，計算量大;對訓練集的要求高、訓練時問長；穩定性分析較困難，收斂性不能保證，可能陷入局部最優，甚至發散;最佳化目標是基於經驗風險最小化，泛化性能不強;硬體實現技術沒有突破，目前不能實現線上控制，還是採用離線學習，實時性較差，不能真正實際套用。

(3)模糊神經控制。智慧型控制方法各有其優勢及局限，將它們集成融合在一起已成為設計更高智慧型的控制系統方案，其中模糊神經控制是模糊控制與神經網路控制的結合體，它是最常用的結合形式之一。模糊控制適合於表達和處理模糊的定性知識，但穩態精度低、自適應能力差；神經網路具有並行計算、分散式儲存、容錯及自學習能力強等特點，但不適於表達基於邏輯規則的知識，學習時問長、參數物理意義不明顯。為了進一步提高PWM整流器的性能，可將模糊控制和神經網路控制結合起來，利用模糊邏輯的智慧型推理機制和神經網路的自學習能力，將能組成更好的控制方案。

優點：兩者結合優勢互補，兼有兩者之長；採用模糊計算，計算簡便，加快了處理速度;增強了信息處理手段，使信息處理方法更加靈活;網路中採用模糊化規則，增強了系統的容錯性；可同時處理確知和非確知信息，擴大了信息處理能力。缺點：模糊規則的選取無通用辦法;模糊化層和模糊推理層節點個數的選取、模糊合成和推理算法的選取以及反模糊化的計算方法等無理論指導;存在模型複雜性與模型泛化能力間的矛盾。

電壓源型整流器控制方法的實際套用

前述的電壓原型整流器的傳統的線性/非線性、現代的非線性和智慧型三類控制方式中，由於傳統控制方法的技術成熟且實現容易，目前在實際套用中占絕對的主流地位。當然，傳統的控制方法還存在一些不足，需要改進與完善。

由於功率器件本質上是非線性器件，因而很多學者嘗試採用現代的非線性控制方法，但目前採用這些非線性控制理論還不成熟，難以實際套用。例如，反饋線性化控制方法的計算過於繁瑣，需要高速DSP；再如，直接功率控制對功率的估算需要檢測整流器的開關狀態，它對控制電路的處理器和A/D轉換器要求較高。

由於智慧型控制不需要建立PWM整流器的數學模型，因而也被引入到整流器控制中，但智慧型控制還很不成熟，目前基本還停留在仿真階段。

雖然現代的非線性和智慧型兩類控制都還不成熟，但隨著它們控制技術的進一步發展和逐步成熟，無疑它們具有良好的套用前景。

PWM整流器控制技術的發展趨勢

自20世紀80年代開始PWM整流器研究以來，PWM整流器控制雖已取得了很多成果，但仍不完善。它的發展趨勢大致可歸結為以下幾個方面。

(1)新控制方法及集成控制方法研究

VSR可以採用的控制方法很多，每種控制方法都有其特點和適用場合。隨著電力電了、微電了、計算機等技術的發展，採用DSP可快速實現複雜運算，一些複雜控制算法逐步得到實際套用;為使控制系統具有更高的動靜態性能，應該尋找新型的控制方法或改進現有的控制方法；目前電VSR網側電流控制有將固定開關頻率、滯環及空問矢量控制相結合的趨勢;由於很難憑藉單獨一種控制方法來解決實際控制系統中的眾多難點問題和實現綜合性的設計目標，因此，可將不同的控制方法進行“整合”集成而形成複合控制，以實現取長補短，有機融合成更有效的控制方案。

(2) PWM整流器無感測器控制研究

PWM整流器控制一般需要通過交流電壓、交流電流和負載電壓的三類感測器來檢測交流側的電流、電壓和直流側的電壓值，有的控制方案還需負載電流感測器，實現成本較高。為了簡化控制系統的結構、降低成本和安裝費用，無感測器控制技術研究取消交流電壓和交流電流感測器，而採用預測算法或觀測器重構估算出網側電壓或者電流。

(3) PWM整流器無感測器控制技術

PWM整流器無交流電流感測器控制策略既有效克服了問接電流控制中動態性能不好的缺點，同時又可以節省價格昂貴的電流感測器，具有硬體結構簡單，便於微機實現的優點。通過建立一個電流觀測器來計算出網側電流估計值，其關鍵部分在於開關函式的檢測和輸入電流指令的構造。由於該控制策略硬體成本低，因此在實際工程中有很好的套用價值。

(4)電網不平衡條件下VSR控制研究

常規PWM整流器均以三相電網是平衡的為前提，這樣一旦三相電壓不平衡，電壓的負序分量會使整流器網側電流和直流輸出電壓含有豐富的低次諧波，利用常規的電網平衡條件下的控制方法進行控制，則會降低整流器的性能，甚至產生不正常的運行狀態。電網不平衡條件下電壓源型整流器控制技術目前主要集中在整流器網側電感及直流側電容的設計，或者是通過控制系統本身去改善和抑制整流器輸入側的不平衡因素以及對傳統數學模型的重構和控制策略的改進。通過引入正序、負序兩套同步旋轉坐標系的獨立控制方案，在各白的同步旋轉坐標系中，將正序、負序基波分量均轉換成直流分量，再通過各白的控制器實現無靜差控制，從而大大提高了系統的運行穩定性和魯棒性。

(5) CSR控制研究

隨著高溫超導技術的套用和發展，CSR電感儲能的效率得到極大的提高，功率損耗大為降低，體積、價格等方面也得到改善。因此，利用CSR實現高性能的電能輸送將逐漸興起，而其控制研究也將成為熱點。電壓源型整流器的控制策略大多也可套用在CSR上，但由於CSR交流側二階濾波結構使整流器交流側的瞬時功率平衡表達式與電壓源型整流器不同，另外，CSR交流側弱阻尼的二階濾波環節較之電壓源型整流器的一階環節，更易激起振盪，CSR的電流控制更為複雜。因此CSR的控制遠不及電壓源型整流器成熟。

(6)電網不平衡條件下CSR控制研究

在CSR中，電網電壓的不平衡同樣會帶來電壓源型整流器類似的問題。為了消除由電壓不平衡產生的低次非特徵諧波，可以採用增大交流側和直流側濾波器的尺寸、前饋補償的方法、反饋控制法等三種方法。其中前者增大了整個裝置的尺寸，降低了回響迅速;中者研究較多，但網側功率因數不可控，網側電流開環控制，不能有效的保證交流電流的正弦性;後者重點主要在參考指令電流的產生和電流的無差跟蹤兩方面，此法已用於電壓源型整流器中，但在CSR中還未見報導。因此，在電網電壓不平衡條件下的CSR控制策略研究仍然是一項艱巨的任務。

結語

控制技術是整流器技術的關鍵問題，全面綜述性介紹了三相電壓型PWM整流器的各種控制策略，並按控制理論發展規律對這些方法進行了科學分類，還分析了這些方法的原理及特點。儘管PWM整流器控制研究已經取得了很大的成績，但一些問題還沒有得到滿意的解決，展望了三相PWM整流器控制技術的發展趨勢。PWM控制技術是一項套用廣泛的實用化技術，隨著研究的不斷深入，必將對國民經濟的發展做出重要的貢獻。對三相電壓型PWM整流器控制方法的研究與選擇有一定參考指導價值。