余晨輝 汪鳳翔,2 林貴應(yīng)

基于在線擾動補(bǔ)償?shù)娜娖絇WM整流器級聯(lián)式無差拍控制策略

余晨輝1汪鳳翔1,2林貴應(yīng)1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 福州 350108 2. 中國科學(xué)院海西研究院泉州裝備制造研究中心電機(jī)驅(qū)動與功率電子國家地方聯(lián)合工程研究中心 泉州 362216）

該文以三電平脈寬調(diào)制（PWM）整流器為研究對象，提出一種基于在線擾動補(bǔ)償?shù)募壜?lián)式無差拍控制（CDBC）策略。該策略內(nèi)外環(huán)均采用了無差拍控制方式，并建立龍伯格觀測器分別對功率模型擾動和負(fù)載擾動進(jìn)行估計和補(bǔ)償，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制以及系統(tǒng)快速響應(yīng)。在參數(shù)設(shè)計方面，采用極點配置方法整定觀測器增益，并引入期望周期數(shù)對電壓環(huán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)較高匹配性。在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)條件下，對所提控制策略進(jìn)行仿真和實驗，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的無差拍功率控制（DBPC），所提控制策略可以實現(xiàn)更加準(zhǔn)確的單位功率因數(shù)和更強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力。

三電平PWM整流器 在線擾動補(bǔ)償 級聯(lián)式無差拍控制 龍伯格觀測器

0 引言

目前，PWM整流器被廣泛運用于風(fēng)力發(fā)電、有源電力濾波器、虛擬同步機(jī)以及列車牽引等領(lǐng) 域[1-6]。PWM整流器的控制方法主要包括電壓定向控制[7]、直接功率控制[8]、模型預(yù)測控制[9-12]等。電壓定向控制通過PI控制器對電壓、電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)電壓、電流的無靜差調(diào)節(jié)，但其動態(tài)性能受到積分器的限制。直接功率控制和有限集模型預(yù)測功率控制具有動態(tài)響應(yīng)快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但這兩種控制方法的穩(wěn)態(tài)紋波大，且開關(guān)頻率不固定。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于空間矢量調(diào)制（Space-Vector Modulation, SVM）的無差拍功率控制，相比于有限集模型預(yù)測功率控制，該方法穩(wěn)態(tài)紋波小，且開關(guān)頻率恒定，但其控制效果同樣依賴于系統(tǒng)模型和參數(shù)的準(zhǔn)確性。

模型中因近似處理產(chǎn)生的誤差以及參數(shù)變化引起的擾動會使得受控子系統(tǒng)之間存在交叉耦合，這將導(dǎo)致被控量無法準(zhǔn)確跟蹤參考值，并且在動態(tài)過程中各個子系統(tǒng)之間的相互干擾會延遲系統(tǒng)的響應(yīng)時間。為克服模型不確定性及參數(shù)失配帶來的影響，文獻(xiàn)[13-14]分別采用最小二乘法和模型參考自適應(yīng)法對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線辨識。最小二乘法具有收斂速度快、易于編程的優(yōu)點，在系統(tǒng)參數(shù)估計中應(yīng)用較為廣泛。模型參考自適應(yīng)法通過自適應(yīng)率使得可調(diào)模型的輸出逼近實際模型的輸出，從而得到待辨識參數(shù)的估計值，該方法能否構(gòu)成優(yōu)良的自適應(yīng)控制系統(tǒng)與自適應(yīng)律的設(shè)計有關(guān)。文獻(xiàn)[15]在功率內(nèi)環(huán)加入了基于內(nèi)模原理的準(zhǔn)積分反饋校正環(huán)節(jié)對功率的給定值進(jìn)行修正，實現(xiàn)功率值的無差跟蹤。文獻(xiàn)[16]設(shè)計了龍伯格觀測器對整流器的電流模型進(jìn)行擾動補(bǔ)償，該策略對參數(shù)攝動具有較強(qiáng)的魯棒性。文獻(xiàn)[17]將系統(tǒng)的內(nèi)、外部擾動作為擴(kuò)張狀態(tài)變量進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)了功率之間的解耦控制。

上述方法都是從整流器的內(nèi)環(huán)對系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，對于電壓型PWM整流器，外環(huán)通常采用PI控制器進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，能量交換首先發(fā)生在電容與負(fù)載之間，由于PI控制器的滯后性，導(dǎo)致母線電壓產(chǎn)生較大波動。文獻(xiàn)[18]采用了負(fù)載電流前饋控制策略提高整流器的抗負(fù)載擾動能力，但該方法需要額外的電流傳感器，增大了系統(tǒng)的成本和體積。從文獻(xiàn)[19-20]可知，穩(wěn)態(tài)時電網(wǎng)的輸入電流與直流母線電壓的二次方更接近線性關(guān)系，因此電壓環(huán)采用以直流母線電壓二次方作為反饋量的PI控制器可以獲得良好的控制性能。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于電容儲能為反饋變量的控制方法，該方法與基于電壓二次方為反饋的控制策略具有一定的相似性，但其物理含義更加明確。文獻(xiàn)[22]的電壓環(huán)采用了電壓二次方反饋閉環(huán)的滑模控制，該策略動態(tài)響應(yīng)快，但需要在控制器中給定負(fù)載的值，無法直接應(yīng)用于負(fù)載變化的場合。

為了進(jìn)一步改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，本文對整流器的內(nèi)、外環(huán)同時進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種基于在線擾動補(bǔ)償?shù)募壜?lián)式無差拍控制策略（Cascaded Deadbeat Control, CDBC）。其中，內(nèi)環(huán)采用無差拍功率控制（Deadbeat Power Control, DBPC），并建立龍伯格觀測器對功率模型擾動進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)有功功率和無功功率之間的解耦控制。對于電壓外環(huán)，推導(dǎo)了輸入輸出之間功率流動的關(guān)系，并建立龍伯格觀測器對負(fù)載擾動進(jìn)行觀測。根據(jù)無差拍控制思想設(shè)計了一種以電壓二次方為反饋量的電壓控制器，并引入期望周期數(shù)對電壓環(huán)的反饋增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足實際工程中不同的動態(tài)性能要求。最后，在仿真和實物平臺上對所提出的控制策略進(jìn)行驗證。

1 數(shù)學(xué)模型

三電平PWM整流器的電路拓?fù)淙鐖D1所示。圖中，a、b、c為電網(wǎng)側(cè)電壓，為濾波器電感，為濾波器等效電阻，1、2為直流母線濾波電容，L為負(fù)載電阻。假設(shè)電網(wǎng)三相電壓平衡，根據(jù)Clarke坐標(biāo)變換原則，三電平PWM整流器在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可表示為

式中，ea、eb、va、vb、ia、ib 分別為電網(wǎng)電壓、整流側(cè)電壓和電網(wǎng)電流在兩相靜止坐標(biāo)系下a、b 軸的分量。

由瞬時功率理論可知，瞬時有功功率和瞬時無功功率可表示為

由于系統(tǒng)的采樣頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)電壓的頻率，在一個采樣周期間隔，可認(rèn)為電網(wǎng)電壓保持不變，由式（2）可得

忽略電阻的影響，采用正向差分方法對式（1）進(jìn)行離散化，s為系統(tǒng)控制周期，可得

聯(lián)立式（3）、式（4）可得瞬時功率在相鄰兩個控制周期改變量為

2 基于在線擾動補(bǔ)償?shù)腃DBC策略

圖2為基于在線擾動補(bǔ)償?shù)娜娖絇WM整流器CDBC策略的控制框圖，包括電壓環(huán)控制、功率環(huán)控制以及脈寬調(diào)制部分，其中，脈寬調(diào)制策略采用含中點電位平衡控制的SVM算法。

2.1 功率環(huán)控制器的設(shè)計

考慮到控制模型中因近似處理產(chǎn)生的誤差，以及參數(shù)變化引起的誤差，式（5）的功率模型可重新表示為

圖2 基于在線擾動補(bǔ)償?shù)募壜?lián)式無差拍控制框圖

式中，o為濾波器電感的標(biāo)稱值；p、q為功率環(huán)的集總擾動，包括參數(shù)擾動及其他未建模的擾動p、q。記D為濾波器電感標(biāo)稱值與實際值之間的誤差，則p、q可表示為

為克服擾動對控制系統(tǒng)的影響，設(shè)計龍伯格觀測器對p、q進(jìn)行估計并補(bǔ)償?shù)娇刂破髦?。將功率和擾動量作為狀態(tài)變量，1、2為觀測器增益，則離散的龍伯格觀測器可設(shè)計為

根據(jù)無差拍控制原理，令下一時刻的功率為參考功率，由式（6）可推導(dǎo)出考慮系統(tǒng)擾動時輸入控制電壓的表達(dá)式為

2.2 功率環(huán)觀測器穩(wěn)定性分析和參數(shù)整定

為了簡化分析，根據(jù)復(fù)空間矢量理論[23]，將式（8）觀測器的表達(dá)式化為復(fù)矢量形式，即

其中

由式（10）可以得到觀測器的特征多項式為

其中

式中，為單位矩陣。

根據(jù)離散域下的Jury穩(wěn)定判據(jù)，為了保證觀測器的穩(wěn)定性，其特征多項式需滿足以下條件

由式（12）可得增益1、2的取值范圍為

通過分析觀測器閉環(huán)極點的分布軌跡進(jìn)一步整定觀測器增益。增益變化時閉環(huán)極點分布軌跡如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)1不變、2增大時，極點首先向?qū)嵼S方向移動，動態(tài)響應(yīng)加快，同時阻尼系數(shù)增大，系統(tǒng)超調(diào)量減小；當(dāng)2繼續(xù)增大時，極點向?qū)嵼S兩側(cè)移動，動態(tài)響應(yīng)變慢；當(dāng)2的值較小且不變、1增大時，共軛極點首先向?qū)嵼S負(fù)方向聚攏，動態(tài)響應(yīng)加快，同時阻尼系數(shù)增大，系統(tǒng)超調(diào)量減小；當(dāng)2的值較大且不變、1增大時，極點向?qū)嵼S兩側(cè)移動，動態(tài)響應(yīng)變慢。觀測器的動態(tài)響應(yīng)越快，對噪聲越敏感，因此觀測器增益的選擇需要在動態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制能力之間進(jìn)行權(quán)衡。綜合考慮系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和抗噪聲擾動能力，選取1=2000s= 0.2，2=-6000s=-0.6。

圖3 增益變化時閉環(huán)極點分布軌跡

2.3 電壓環(huán)控制器的設(shè)計

由式（1）和式（2）可得到瞬時有功功率的表達(dá)式為

式中，右邊第一項為濾波器等效電阻消耗的功率；第二項為濾波器電感內(nèi)磁場儲能吸收的功率；第三項和第四項為流動到直流側(cè)的有功功率，包括開關(guān)器件損耗、電容儲能吸收的功率以及負(fù)載消耗的 功率。

若忽略濾波器上消耗的功率和開關(guān)器件損耗，瞬時有功功率可視為電容儲能吸收功率和負(fù)載功率的總和，則瞬時有功功率可表示為

式中，o為負(fù)載消耗的功率；U1、U2分別為電容1、2上的電壓；1=2=。

穩(wěn)態(tài)時輸出電壓dc保持恒定，考慮到上、下電容含有低頻波動且波動值與輸出功率呈正相關(guān)，記中點電位o=U1-U2，式（15）可重新寫為

將式（17）離散化，可以得到離散的電壓狀態(tài)方程為

根據(jù)無差拍控制原理，令下一時刻的電壓為參考電壓，可以得到有功功率的參考值為

式（19）中，負(fù)載功率o會隨著負(fù)載以及直流母線電壓的變化而改變，故將負(fù)載功率o視為擾動量，并采用龍伯格觀測器對其進(jìn)行估計。

根據(jù)龍伯格觀測器的建構(gòu)原理，將電壓二次方和負(fù)載功率作為狀態(tài)變量，1、2為觀測器增益，離散的龍伯格觀測器可設(shè)計為

因此，有功功率的參考值可重新表示為

電壓環(huán)觀測器增益的整定方法與前文中功率環(huán)觀測器增益整定方法一致，最終選取1=300s= 0.03，2=-26.43s=-0.002 643。

3 仿真結(jié)果

為了驗證本文所提控制策略的有效性，對該策略進(jìn)行仿真，并與外環(huán)采用PI控制的傳統(tǒng)無差拍功率控制進(jìn)行對比，PI控制器采用電壓二次方作為誤差反饋量，其比例系數(shù)p=0.05，積分系數(shù)i=1.8。在所提的CDBC方法中，可視為直流母線電壓二次方的反饋系數(shù)，為了更好地對兩者方法進(jìn)行比較，在所提控制方法中，的取值與p相同。三電平PWM整流器的系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 System parameter

圖4 加載仿真結(jié)果

圖5為整流器的直流母線電壓階躍響應(yīng)仿真結(jié)果，圖5中，在1s時刻，參考電壓從500V躍變?yōu)?00V，傳統(tǒng)DBPC方法經(jīng)過約150ms后直流母線電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，本文所提的CDBC方法經(jīng)過125ms后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值；在1.5s時刻，參考電壓從600V躍變?yōu)?00V，傳統(tǒng)DBPC方法經(jīng)過約140ms后直流母線電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，本文所提的CDBC方法經(jīng)過約128ms后直流母線電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)值。仿真結(jié)果表明，CDBC方法動態(tài)響應(yīng)更快，并且在電壓上升和下降的過程中沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。從圖中的功率曲線可知，傳統(tǒng)DBPC方法的功率無法準(zhǔn)確跟蹤參考值，并且在電壓階躍后無功功率的靜差發(fā)生變化，這表明有功功率和無功功率之間存在交叉解耦，而在CDBC方法中有功功率和無功功率都可以準(zhǔn)確地跟蹤參考值，并且在動態(tài)過程中，無功功率更快地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這是因為觀測器可以對功率模型的集總擾動進(jìn)行實時準(zhǔn)確地估計，使得有功功率和無功功率實現(xiàn)良好的解耦控制。

圖5 直流母線電壓階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

4 實驗結(jié)果

為了進(jìn)一步驗證該策略的有效性，在三電平PWM整流器平臺上對所提控制策略進(jìn)行相關(guān)實驗，實驗中使用的參數(shù)與仿真一致。三電平PWM整流器實驗平臺如圖6所示，核心控制板采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335，實驗中電流量由電流探頭測得，其余需要觀測的量由DA芯片TLV5610輸出至示波器顯示。該三電平整流器系統(tǒng)的軟啟動電路由限流電阻、交流接觸器和中間繼電器組成，上電時通過限流電阻抑制浪涌電流，當(dāng)母線電容完成預(yù)充后由DSP發(fā)出旁路切換信號將限流電阻短路，整流器進(jìn)入正常運行狀態(tài)。

圖6 三電平PWM整流器實驗平臺

為了驗證所提方法的抗負(fù)載擾動能力，對整流器進(jìn)行加載實驗。加載實驗結(jié)果如圖7所示，當(dāng)直流側(cè)從空載接入100W負(fù)載后，傳統(tǒng)DBPC方法的直流母線電壓dc降落了28V，調(diào)節(jié)時間約為100ms；所提CDBC方法的母線電壓降落了17V，調(diào)節(jié)時間約為68ms。實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的DBPC方法，CDBC方法具有更強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力。

為了比較兩種控制方法的電壓跟蹤性能，對整流器進(jìn)行直流母線電壓躍變實驗，設(shè)置直流母線的參考電壓從500V躍變?yōu)?00V，再從600V躍變?yōu)?00V。直流母線電壓階躍響應(yīng)實驗結(jié)果如圖8所示，傳統(tǒng)DBPC方法的調(diào)節(jié)時間分別約為125ms和140ms，本文所提的CDBC方法的調(diào)節(jié)時間分別約為113ms和120ms。實驗結(jié)果表明，所提的CDBC方法動態(tài)響應(yīng)更快，并且在電壓上升和下降的過程中沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，與仿真結(jié)果基本保持一致。

圖7 加載實驗結(jié)果

為了驗證CDBC方法在不同負(fù)載下的輸入輸出性能，圖9和圖10分別給出了整流器滿載和半載時的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果，設(shè)置直流母線電壓參考值為500V，滿載時負(fù)載電阻為100W，半載時負(fù)載電阻為200W。從圖9a和圖10a可知，在滿載和半載時直流母線電壓均可以準(zhǔn)確跟蹤參考值，同時a相電壓和a相電流保持同相位，實現(xiàn)準(zhǔn)確的單位功率因數(shù)。圖9b和圖10b為不同負(fù)載下a相電流的頻譜分析，滿載時總諧波畸變率（Total Harmonic Dis- tortion, THD）為4.81%，半載時THD=9.46%，具有較好的電流質(zhì)量。

圖8 直流母線電壓階躍響應(yīng)實驗結(jié)果

圖9 滿載時CDBC方法的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

圖10 半載時CDBC方法的穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文分析了三電平PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，提出了一種基于在線擾動補(bǔ)償?shù)募壜?lián)式無差拍控制策略。該策略通過擾動補(bǔ)償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，穩(wěn)態(tài)時功率無靜差。同時，克服了傳統(tǒng)方法外環(huán)采用PI控制器時積分飽和導(dǎo)致的超調(diào)問題，在突加負(fù)載時具有更小的電壓降落和更快的調(diào)節(jié)時間，改善了傳統(tǒng)方法的抗負(fù)載擾動能力。

[1] 蘇曉英, 朱連成, 金石, 等. 一種復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接功率控制研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(3): 494-501.

Su Xiaoying, Zhu Liancheng, Jin Shi, et al. Research on direct power control for brushless doubly-fed wind power generator with a novel hybrid rotor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 494-501.

[2] 梁營玉, 劉建政, 李治艷. 有源電力濾波器改進(jìn)無差拍-重復(fù)控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(19): 4573-4582.

Liang Yingyu, Liu Jianzheng, Li Zhiyan. Improved deadbeat-repetitive control strategy for active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4573-4582.

[3] 張曉華, 戴碧君, 羅進(jìn), 等. 基于電流殘差的有源電力濾波器故障診斷技術(shù)研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2019, 23(8): 50-56, 66.

Zhang Xiaohua, Dai Bijun, Luo Jin, et al. Fault diagnosis for active power filter based on current residual[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(8): 50-56, 66.

[4] 繆惠宇, 梅飛, 張宸宇, 等. 基于虛擬阻抗的虛擬同步整流器三相不平衡控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(17): 3622-3630.

Miao Huiyu, Mei Fei, Zhang Chenyu, et al. Three phase unbalanced control strategy for virtual synchronous rectifier based on virtual impedance[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(17): 3622-3630.

[5] 姜靜雅, 王瑋, 吳學(xué)智, 等. 基于自適應(yīng)無功功率補(bǔ)償?shù)奶摂M同步機(jī)功率解耦策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(13): 2747-2756.

Jiang Jingya, Wang Wei, Wu Xuezhi, et al. Power decoupling strategy in virtual synchronous generator based on adaptive reactive power compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2747-2756.

[6] 孫鵬琨, 葛瓊璇, 王曉新, 等. 基于硬件在環(huán)實時仿真平臺的高速磁懸浮列車牽引控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(16): 3426-3435.

Sun Pengkun, Ge Qiongxuan, Wang Xiaoxin, et al. Traction control strategy of high-speed maglev train based on hardware-in-the-loop real-time simulation platform[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(16): 3426-3435.

[7] Blasko V, Kaura V. A new mathematical model and control of a three-phase AC-DC voltage source converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1997, 12(1): 116-123.

[8] Zhang Yongchang, Li Zhengxi, Zhang Yingchao, et al. Performance improvement of direct power control of PWM rectifier with simple calculation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(7): 3428-3437.

[9] Xia Changliang, Liu Tao, Shi Tingna, et al. A simplified finite-control-set model-predictive control for power converters[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Informatics, 2014, 10(2): 991-1002.

[10] 夏文婧, 劉碧, 王嵩, 等. 基于輸入端電壓動態(tài)分量優(yōu)化的PWM整流器模型預(yù)測控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(1): 200-207.

Xia Wenjing, Liu Bi, Wang Song, et al. Model predictive control of PWM rectifiers based on dynamic component optimization of input-port voltage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(1): 200-207.

[11] Bouafia A, Gaubert J P, Krim F. Predictive direct power control of three-phase pulsewidth modulation (PWM) rectifier using space-vector modulation (SVM)[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(1): 228-236.

[12] Wang Fengxiang, Mei Xuezhu, Rodriguez J, et al. Model predictive control for electrical drive systems- an overview[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2017, 1(3): 219-230.

[13] Kwak S, Moon U C, Park J C. Predictive-control- based direct power control with an adaptive parameter identification technique for improved AFE perfor- mance[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(11): 6178-6187.

[14] Mehreganfar M, Saeedinia M H, Davari S A, et al. Sensorless predictive control of AFE rectifier with robust adaptive inductance estimation[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, 15(6): 3420-3431.

[15] 葉虹志, 姜燕, 黃守道, 等. 電壓型PWM整流器無差拍預(yù)測直接功率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(4): 121-128.

Ye Hongzhi, Jiang Yan, Huang Shoudao, et al. Deadbeat predictive direct power control for three- phase voltage source PWM rectifiers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 121- 128.

[16] Xia Changliang, Wang Meng, Song Zhanfeng, et al. Robust model predictive current control of three- phase voltage source PWM rectifier with online disturbance observation[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2012, 8(3): 459-471.

[17] Song Zhanfeng, Tian Yanjun, Yan Zhuo, et al. Direct power control for three-phase two-level voltage- source rectifiers based on extended-state obser- vation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(7): 4593-4603.

[18] 倪靖猛, 方宇, 邢巖, 等. 基于優(yōu)化負(fù)載電流前饋控制的400Hz三相PWM航空整流器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(2): 141-146, 164.

Ni Jingmeng, Fang Yu, Xing Yan, et al. Three-phase 400Hz PWM rectifier based on optimized feedforward control for aeronautical application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(2): 141-146, 164.

[19] 王恩德, 黃聲華. 三相電壓型PWM整流的新型雙閉環(huán)控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(15): 24-30, 18.

Wang Ende, Huang Shenghua. A novel double closed loops control of the three-phase voltage-sourced PWM rectifier[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(15): 24-30, 18.

[20] 王晗, 張建文, 蔡旭. 一種PWM整流器動態(tài)性能改進(jìn)控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(增刊1): 194-202.

Wang Han, Zhang Jianwen, Cai Xu. An improved control method of the dynamic ability for PWM rectifier[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(S1): 194-202.

[21] 姜衛(wèi)東, 汪磊, 趙德勇, 等. 外環(huán)采用電容儲能反饋內(nèi)環(huán)采用改進(jìn)無差拍控制的PWM整流器的控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2016, 36(14): 3899- 3909.

Jiang Weidong, Wang Lei, Zhao Deyong, et al. A control method based on outer loop adopting the feedback of capacitor energy storage and internal loop adopting improved deadbeat control for PWM rectifier[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(14): 3899-3909.

[22] 馬輝, 謝運祥. 基于滑模變結(jié)構(gòu)的Vienna整流器新型雙閉環(huán)控制策略研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(12): 143-151.

Ma Hui, Xie Yunxiang. A novel dual closed-loop control strategy based on sliding-mode variable structure of Vienna-type rectifier[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 143- 151.

[23] Wang Bo, Chen Xianle, Yu Yong, et al. Robust predictive current control with online disturbance estimation for induction machine drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(6): 4663-4674.

Cascaded Deadbeat Control Strategy with Online Disturbance Compensation for Three-Level PWM Rectifier

11,21

（1. College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou UniversityFuzhou 350108 China 2. National and local joint Engineering Research Center for Electrical Drives and Power Electronics Quanzhou Institute of Equipment Manufacturing Haixi Institute Chinese Academy of Sciences Quanzhou 362216 China）

A cascaded deadbeat control (CDBC) strategy with online disturbance compensation is proposed for three-level pulse width modulation (PWM) rectifiers in this paper. Specifically, to realize the decoupling between active power control and reactive power control and to ensure the fast response of system, deadbeat control is adopted for both inner and outer loops, and Luenberger observers are established to estimate and compensate the disturbances brought by inaccurate power model and load variation. In terms of parameter design, the pole placement method is adopted to determine the gain of the observer, and the expected cycle value is introduced into the voltage loop for parameter adjustment, which achieves good matching between inner and outer loops. A series of simulations and experiments are carried out to test the proposed strategy under steady and dynamic conditions. It is shown that the CDBC strategy presents more accurate unity power factor and stronger robustness against load disturbance than the conventional deadbeat power control (DBPC).

Three-level PWM rectifier, online disturbance compensation, cascaded deadbeat control, Luenberger observer

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201112

TM46

余晨輝 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為三電平PWM整流器模型預(yù)測控制算法。E-mail: 992413763@qq.com

汪鳳翔 男，1982年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為電機(jī)驅(qū)動與電力電子。E-mail: fengxiang.wang@fjirsm.ac.cn（通信作者）

2020-08-30

2020-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項目（51877207）。

（編輯 陳 誠）