[科普中国]-三相电压源型 PWM 整流器控制

背景

整流器经历了不可控整流、相控整流和PWM整流三个阶段的发展，其中前两种整流存在交流侧输入电流畸变严重、网侧功率因数较低等问题，而PWM整流器克服了这些缺点，它是一种高效、可靠、绿色的电能变换器，具有双向的功率流动、低畸变率且正弦化的输入电流、单位或可调的功率因数、可调的直流电压等特点。因此PWM整流器得到了广泛的应用。根据直流侧电源类型，PWM整流器可分为电压源型整流器(VSR)、电流源型整流器(CSR)和Z源整流器(ZSR)。由于VSR的结构简单、储能效率高、损耗较低、动态响应快、控制方便。因此VSR一直是PWM整流器研究和应用的重点。根据并网交流信号不同，VSR又可分为电压控制和电流控制。由于电流控制的方法简单、直接，且具有限流和短路保护作用，因此使用比较广泛。VSR的电流控制方案一般采用以直流电压为外环、交流电流为内环的双环控制结构。根据电流内环是否引入交流电流反馈，可分为直接、间接两种电流控制，由于直接电流控制响应速度快，鲁棒性好，目前占主导地位。

将全面完整地综述三相VSR直接电流控制(简称VSR)的各种控制策略降，并展望三相PWM整流器控制技术的发展前景1。

电压源型整流器的双环控制方式目前三相电压源型整流器通常都采取直流电压、交流电流(或功率)双级环路结构控制方式，电压外环控制直流侧电压，维持直流母线电压的恒定，它的输出作为交流电流(或功率)内环的交流电流(或功率)指令，利用交流电流(或功率)内环快速、及时地调整交流侧的电流，抑制负载扰动影响，使实际交流电流能够快速跟踪交流电流指令，实现单位功率因数控制。在双环控制中，电压外环与电流(或功率)内环在速度上必须进行配合，外环要比内环慢得多23。

(1)内环采用电流控制阵。它是目前广泛实际采用方法，内环电流可在三相静止abc坐标系或两相同步旋转dq坐标系中直接控制。早期的控制电路主要用模拟电路，要实现坐标变换非常复杂，控制器一般在静止标系实现，为弥补静止坐标系控制器的不足，在静止坐标系的电流控制器引入电网反电势信号作为前馈补偿可以使电流的控制效果和旋转坐标系很近;随着处理器技术的发展，数字化系统已基本取代模拟电路，数字系统的坐标变换很方便，现基本采用同步坐标系下的控制器，此时可实现dq轴电流的解祸无静差控制，电流响应也更快，但常需锁相环节提供用于触发脉冲生成所需的基准相位，实现dq轴的定位，比较复杂4。

优点:控制结构简单，动态响应速度快，电流控制精度高;限流容易，只要使指令电流限幅，就可实现过流保护;对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性;具有固定的开关频率，易于系统的设计。缺点:电流内环为抑制非线性负载扰动，必须具备足够高的带宽，这加大了数字控制器实现难度;同步坐标系下电流内环控制一般需要锁相环节实现d, q轴的定位，比较复杂;需要宽频带、快速的电流传感器，控制成本高。根据PWM数学模型，采用基于检测开关函数和输入电流的电流观测器，可实现无电流传感器控制，降低成本。

(2)内环采用功率控制。直接功率控制(DPC)方式在1991年被提出，它通过控制输出的有功功率、无功功率的方法来问接地控制输出电流(当交流电压一定的情况下)。它的控制结构为直流电压外环、功率控制内环结构，根据交流电源电压及瞬时功率在预存的开关表中选择整流器输入电压所需的控制开关量，从而实现高性能整流。DPC可分为电压定向、虚拟磁链定向两种类型，其中电压定向又可分为有交流电压传感器和无交流电压传感器两种方案。

优点：估算的瞬时功率不仅有基波，还有谐波分量，提高了总功率因数和效率;系统无电流环和复杂的算法，有功、无功功率得到了独立精确控制，其误差由功率滞环比较器的滞宽决定;具有功率因数高、谐波干扰低、响应快、效率高，动态性能和鲁棒性好;系统结构与算法实现简单，无需旋转坐标变换和解祸控制，无电流内环和PWM调制模块，只需从预存的开关表中直接选取所需的开关信号，对交流侧电压不平衡和谐波失真也有一定补偿作用;通过估计虚拟磁链来计算无功与有功功率，可省略电网侧电压传感器，节约了成本。缺点:功率滞环比较器没有恒定的开关频率，且又属非线性和无严格的数学描述，导致功率和直流电压跟踪能力差;功率滞环比较器不能完全跟踪按时问变化的信号，需采用较高且变化的开关频率，给滤波器设计带来困难;功率估算需要检测整流器的开关状态，需要高速的处理器和A/ D转换器;有功功率和无功功率之问存在祸合，直流电压受有功功率决定的同时也受到无功功率的影响，功率内环采用常规单开关表同时控制有功和无功功率，且对无功功率调节强于有功功率，导致暂态过程中有功功率、直流电压出现了较大波动，且稳态时负载电流扰动会产生较大的直流动态压降。通过交替采用有功、无功功率的双开关表控制策略，且采用负载电流反馈控制双开关表转换信号的占空比，可改善系统启动性能和减少直流动态压降或消除稳态直流压降，但双开关表控制系统结构较为复杂。

(3)内环采用时间最优控制。 DPC通常是通过前馈解祸控制，采用两个独立的PI调节器，来控制相应的有功和无功分量，而有功分量和无功分量之问的动态祸合以及PWM电压利用率的约束，影响了整流器有功分量(即输出直流电压)的动态响应。时间最优控制是在1997年被提出的控制方法，它根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低相应无功分量的响应速度，从而有效地提高了有功分量(直流电压)的动态响应速度，实现了直流电压的时间最优控制。

优点：系统结构简单，易于实现;通过加入积分环节，保证了电流控制无静差；可根据性能指标矩阵改变系统的控制性能，满足所需系统响应特性；系统对负载变化或系统参数有较强鲁棒性和适应性，使系统具有高功率因数，且输出电压可调。缺点:系统工作在高功率因数下，整流器的无功电流不能独立调节，无法实现对系统功率因数的控制；最优控制是从精确的数学模型计算出来的，当模型存在偏差将严重影响系统的性能，使品质恶化，因此有必要解决鲁棒闭环算法问题;理论上还有最优化算法的简化和实用性问题5。

电压源型整流器的控制方法在电压源型整流器的双环控制方式中，电压外环仅需直流电压恒定，控制比较容易，一般采用PI算法即可，但电流外环需要输出稳定高质量的正弦波电流与公共电网同压、同频、同相位，控制比较困难，因此提出的控制算法很多。按照电流内环的控制方式不同，VSR控制方式可分为传统的线性/非线性控制、现代的非线性控制和智能控制3大类136。

传统的线性/非线性控制方法在交流小信号分析时，整流器被视为一个线性系统，可用成熟的线性控制理论的方法研究;由于整流器本质上是一个强非线性的动态系统，采用非线性控制技术才能使系统对参数变化和外来扰动具有鲁棒性和适应性。下面介绍几种传统的线性/非线性控制方法1。

(1)滞环电流控制。它是由Thomas A F.在1967年首次提出，并在电流内环采用这种滞环电流控制方式。双闭环系统将外环PI调节器的输出分别乘以与相电压同相位的正弦电压，得到一个指令正弦电流，将它与实际检测到的交流电流进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路控制并网逆变器的相应开关器件通断，使实际电流追踪指定的电流的变化。滞环电流比较器集电流控制与PWM产生于一体，它兼有电流控制器和PWM产生作用。

优点：控制结构简单，容易实现，电压利用率高，动态性能较好；当功率器件的开关频率很高时，电流响应快，可实时控制;不存在载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；若滞环的环宽固定，电流跟踪的误差范围是固定的;控制运算中未使用电路参数，对负载及电路参数变化不敏感，系统鲁棒性好，应用较广。缺点：开关频率在一个工频周期内不固定，且随着系统运行条件的变化而变化，不能有效地控制开关器件的最高开关频率；谐波电流频谱随机分布，增加了滤波器设计困难;开关的损耗较大;对外界的电磁干扰也较大。因此，此法现己基本不采用。

(2)三角载波比较法的控制。它是由WuRusong等在1990年提出，它采用由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器，它是将指令电流与实际输出电流进行比较，两者的电流偏差通过PI调节后再与一个固定频率的三角载波比较，以产生PWM信号，因而实现固定的逆变器开关频率。

优点：开关频率固定，很少产生噪声，开关消耗也较少；控制算法简便，物理意义清晰，实现方便；由于开关频率固定，网侧变压器及滤波电感设计容易；并网电流的闭环控制，提高了电流控制性能，增强了系统鲁棒性；随着功率器件开关频率的增加，控制性能得到改善。缺点：必须存在电流偏差(相位延迟和幅值误差)才能产生PWM波，这种相位偏差对高性能驱动系统是有害的；电流跟随误差较大，软件实现较复杂；由于加入了PI调节环节，电流动态响应不如滞环比较法快。

(3)静态PID控制及其改进。 PID控制是通过比例、积分、微分算法来实现对被控对象的控制。由于其算法简单成熟、鲁棒性和可靠性较高、控制效果良好，因此，已广泛应用于PWM整流器控制，在三相静止abc坐标系下需要采用三个PID控制器。

优点：控制策略的物理意义清晰，实现相对简单;算法简单明了，参数易于整定，设计过程不过分依赖系统参数，控制的适应性好，鲁棒性较强，可靠性高。缺点:局限于线性定常系统，对于模型参数大范围变化且非线性较强系统，PID控制难以满足高精度、快响应的控制要求;由于反馈电流为交流输出电流的瞬时值，参考电流和输出电流问存在相位误差，对于交流正弦系统，PID调节不能够实现无静差控制，因此输出电流的稳态误差较大，不能及时跟踪正弦波给定电流。引入电网电压前馈控制可克服稳态误差问题，但也易引起电网的畸变。

(4)同步矢量PID控制。为克服上面控制方法存在静差的缺点，目前整流器的内环一般都采用同步旋转Pq坐标系下PI控制。先将三相静止坐标系的量转换成为两相旋转坐标量，这样可把对交流量的控制转变成对直流量的控制，然后采用两个PID运算，最后反变换转换为各相的控制量。该控制可分为基于电压定向(VOC)和基于虚拟磁链定向(VFOC)两种控制策略，其中VOC具有直接电流控制的动态响应快、稳态性能好、白身有限流保护能力等优点，还可以消除电流稳态误差，达到单位功率因数，因此应用十分广泛；VFOC虽然其算法复杂，但输入侧省去了电流传感器，控制回路中省去了两个电流调节器，简化了电路结构，优化了系统性能，具有良好的动态性能和高的功率因数。

优点：在同步旋转坐标系下，交流电流分量变为直流分量，对直流量可以实现无静差控制，系统具有更好的稳态性能;在旋转坐标系下，更有利于有功电流和无功电流的独立控制。缺点:模型上相互祸合，对控制的静、动态性能不利，为完全克服有功电流分量和无功电流分量之问交义祸合电势的作用，实现完全解祸控制，可采用内模解祸控制方式;PI控制器的参数设计与选择要经过一系列的测试才能获得性能较优的参数。

(5)比例谐振控制。PWM整流器内环电流的矢量控制需要经过多次坐标变换，且需要前馈解祸控制，因而系统结构复杂，实现困难。比例谐振控制((PRC)在1998年提出，它可省去复杂的交直流变换，而是直接控制交流量，来达到消除稳态误差，使输入电流跟踪参考电流。PRC由比例调节器和谐振调节器组成，它在基频处增益无穷大，而在非基频处增益很小，因此，它可对频率为基频的正弦信号实现无静差跟踪控制。通过把基频设置为电网电压的基频，即可对网侧变换器电流进行PRC控制。

优点：省去了两次坐标变换环节，且不需要设置前馈解祸，从而加快了动态响应过程，简化了系统结构，实现了静止坐标系电流的无静差控制。缺点：控制器的设计不直接，需要经过一系列的测试。

(6)线性状态反馈控制。它是以整流器的小信号线性化状态空问模型为基础，采用状态反馈来任意地配置闭环系统极点或设计最优二次型调节器，从而使整流器控制系统有良好的瞬态响应和较低的谐波畸变率。一般将状态反馈作为电流内环、再加上电压外环控制形成双环控制方案，利用状态反馈改善空载阻尼比小、动态特性差的不足，与外环共同实施对逆变器的波形校正。另外，也可不分开电压、电流控制，而是对整个系统进行闭环极点配置或设计最优二次型调节器。它需要事先离线算出各个静态工作点的状态空问模型及与之对应的反馈矩阵，然后存入存储器。工作时，还要检测负载电流或等效负载电阻以确定当前的工作点，然后查表读取相应的反馈矩阵。

优点:可任意配置闭环系统的极点位置，抑制了扰动影响和暂态振荡，提高了动态响应速度，改善了系统的动态品质，对线性负载的响应很好。缺点:对系统模型依赖性强，而建立状态模型时很难将负载特性完全考虑在内，通常只能针对空载或特定负载进行建模，当模型参数和负载变化时控制效果变差，因此鲁棒性差;对系统稳态指标的影响不大，不能抑制各种干扰引起的波形畸变;参数整定复杂，需要多次试凑极点以得到要求的动态性能;对交流电流进行无差跟踪，要求控制器具有无限带宽;要求对静止工作点的划分很细，占用存储空问较大，离线计算量也比较大，实现复杂。

（7）几种预测控制。目前PWM整流器儿乎都采用数字控制，由采样和计算产生的延迟会影响系统稳定，控制效果会下降。因此，采用预测电流、无差拍、单周、重复、模型预测等儿种预测控制技术对延迟进行补偿，但这些方法未充分考虑到PWM整流器的非线性特性，本质上仍为线性控制。

1）预测电流控制。它是在固定的采样周期内，根据负载情况和给定的电流矢量变化率的电路模型，以本次采样实际电流与下一采样时刻的预测电流进行比较，推导出最优控制电压以及电压空问矢量，作用于下一个周期并由此决定三相桥臂各功率器件的通断，使实际电流在一个周期内跟踪参考电流，实现整流器快速的动态响应性能。

优点:数学推导严密，控制简单，数字实现容易;跟踪无过冲、电流谐波小，器件开关应力小，动态性能好，特别是在高采样频率和开关频率时，电流跟踪能力强，电流波形畸变小。缺点:在低的采样频率下，会产生周期性的电流误差，且电流误差比滞环电流控制要大;对参数的变化敏感，鲁棒性差;计算量较大，响应速度较慢。

2)无差拍控制。它是一种基于电路方程的控制方式，它利用状态反馈实现零点和极点的对消，并配置另一个极点于原点。20世纪80年代被应用到逆变器上，它是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度，从第2个采样周期起，输出波形就可以很好地跟踪参考指令，使得由负载扰动引起的输出电压偏差可在一个采样周期内得到修正。

优点：动态响应速度快，输出能够很好地跟踪给定，波形畸变率很小，即使在很低的开关频率下，也能得到较好的输出波形品质;通过调节逆变桥的输出相位来补偿LC滤波器的相位延时，使输出电压的相位与负载关系不大;负载适应能力强，对负载切换造成的过渡过程短，对非线性负载输出谐波失真小。缺点：要求脉宽必须当拍计算当拍输出，运算的实时性要求很高，否则会影响系统特性;由于采样和计算时问的延迟，输出脉冲的占空比受到很大限制;对系统参数变化反应灵敏，系统鲁棒性差，通过加入负载电流观察器可解决这个问题，但算法复杂，且当采样频率不高时误差较大。

3)单周控制。它通过控制开关占空比，在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内白动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、比较器、触发电路达到跟踪指令信号的目的。

优点：能在一个周期内抵制电源侧的扰动，消除静态误差和动态误差，动态响应快，能减小畸变和抑制电源干扰，对输入扰动抑制能力强；无需检测输入电压、锁相环和其他同步电路，只需检测输入电流和输出电压，用模拟器件就可实现;电路简单、成本低、可靠性高、实现容易、稳定性好；开关频率恒定，鲁棒性强。缺点：需要快速复位的积分电路，硬件电路较复杂;对开关误差校正能力有限，存在稳态误差，精度欠佳；对负载扰动抑制能力差，负载动态响应慢，若将输入电压误差引入积分器，负载扰动抑制会有所改善，但负载扰动信号是基于输出电压误差，不能实现最优动态响应。

4)重复控制。它是一种基于内模原理的控制方法，它利用内模原理，在稳定的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性的正弦参考信号的渐近跟踪，并消除重复出现的畸变。为了增强系统的稳定性，在理想重复控制器中加入一些滤波器。

优点：可克服死区、非线性负载等周期性干扰引起的输出波形周期性畸变；可以消除周期性干扰产生的稳态误差，获得低THD的稳态输出波形；控制鲁棒性强，且数字实现容易。缺点：由于延迟因了的存在，在干扰出现的一个基波周期内，系统对干扰不产生任何调节作用，控制的实时性差，动态响应速度慢，可采用与PI等复合控制来解决此问题。

5)模型预测控制。预测控制具有多步测试、滚动优化和反馈校正三个基本特征，它不是采用不变的全局优化目标，而是采用滚动式的有限时域优化策略，使得在控制的全程中实现动态优化，而在控制的每步实现静态参数优化，及时弥补了模型失配、时变、干扰等引起的不确定性，使控制保持实际上的最优。它主要包括模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)、广义预测控制(GPC)、预测函数控制((PFC)等多种算法，其中MAC采用基于脉冲响应的非参数模型作为内部模型，它已用于PWM整流器控制中，根据网侧电流和整流器输入侧电流问传递函数得出整流器的一阶差分方程作为预测模型，实现了网侧电流的模型预测控制。此法常与神经网络、模糊、白适应、鲁棒等其他控制方法相结合。

优点：预测和优化模式是对最优控制的修正，建模方便；采用非最小化描述的离散卷积和模型，信息冗余量大，提高了鲁棒性;采用滚动优化策略，使模型失配、畸变、干扰等引起的不确定性及时得到弥补，提高了抗扰性和适应性；对模型精度要求不高，跟踪性能良好，更适于复杂工业过程控制。缺点：控制设计较复杂，当控制量有约束时变成了非线性约束优化问题，系统设计和控制算法更为复杂;在线计算时间长，计算量大;理论分析难以深入，对多变量预测控制算法的稳定性、鲁棒性的研究巫待解决;对于线性系统可以解析求解，在线计算相当简便，而对于非线性系统则往往需要在线的数值迭代求解，计算量很大，无法满足实时控制的要求。

现代的非线性控制方法由于PWM整流器属于非线性控制系统，基于小信号模型用线性控制方法难以获得非常满意的控制效果。为提高整流器的性能，现代的非线性控制理论已应用到整流器控制中，但是目前还很不成熟。

(1)自适应控制。它主要用来解决整流器在运行过程中参数摄动和各种扰动引起的不确定性问题，是在1954年由Tsien H S.提出的，它所依据的关于模型和扰动的先验知识较少，通过不断检测系统参数或运行指标，在线辨识系统模型，自动调整控制参数或控制策略，补偿过程特性或环境的变化，实现高精度控制。它又分为线性与非线性两类，目前已比较成熟的线性白适应控制主要有模型参考自适应控制(MRAC)和自校正控制(STAC)两种，现主要研究模糊、神经网络、鲁棒等非线性白适应控制。

优点：通过在线修正自己的特性以适应对象的变化，能够有效地解决模型不精确和模型变化所带来的鲁棒性问题。缺点：数学模型的建立和运算比较复杂，控制系统不易实现；进行辨识和校正需要一定时问，主要适于渐变和实时性不高的过程；处理非线性系统及系统结构变化的能力较差，在多输出系统中的应用尚不成熟等。为克服不足，目前此法一般常与其他方法结合形成了多种新方法7。

(2)鲁棒控制。它是解决PWM变换器不确定性系统控制的有效方法，是把系统的不确定性视为某种扰动集合，然后对扰动集合给予适当的数学描述并作为约束条件，并和原有系统约束条件一起形成优化问题进行求解，得到优化的控制规律，这样在预定的参数和结构扰动下仍然能保证系统的稳定性和可控性。它包括H 控制、L2增益控制、u分析控制等儿类方法，其中H 控制是以扰动输入至评价信号的传递函数矩阵的H 范数作为性能指标，由H 范数最小来设计出反馈控制器，使闭环系统稳定，且干扰对系统的影响最小；L2增益控制是把干扰对系统的影响用干扰量与评价信号问的L2增益来描述，如果控制系统的L2增益满足指定的要求，就可抑制干扰；u分析方法将一个具有回路多点独立的有界范数摄动化为一块对角摄动结构，然后给出判断系统鲁棒稳定的充要条件。鲁棒控制常与白适应、内模、神经网络等其他控制结合，以改进其性能。

优点：对于外界干扰、参数偏差、模型不确定性以及系统噪声有良好的稳定性；u综合理论可减少时域仿真法的计算复杂度，降低一般H 分析方法的保守性，还能保证计算精度。缺点：权函数选取困难，依赖于设计者的经验;仍属模型的设计方法，需依参数不同及所选加权不同而重新设计控制器；只能在允许的不确定性界内保证系统的鲁棒稳定性；只能处理非结构性不确定问题，对结构性不确定性问题有局限性；只能优化单一的H 范数，不能与其他目标函数综合起来；控制器阶次较高，算法复杂，难以实际应用;w真实值很难计算，通常只能对u的上界进行估算，而要对具体系统设计w控制器则更加困难；L2增益控制需要求解HJI微分不等式方程，但一般求HJI不等式的解析解比较困难，特别是对于高阶系统，尚且没有求解HJI的一般理论。

(3)变结构控制。由于整流器的开关切换动作与变结构系统的运动点沿切换面高频切换动作上有对应关系，变结构控制被引入到整流器控制上，以解决整流器的时变参数问题。变结构控制是根据被调量的偏差及其导数，控制规律迫使处于任何初始条件下的系统状态按一定的趋近率到达并保留在预先设计好的超平面上(超平面是在状态空问中定义的非连续函数，在超平面上系统的动态成为滑动模态。为达到更好的控制效果，它与自适应、预测、无源性、反馈线性化、模糊、神经网络等控制相结合。

优点：几乎不依赖于模型，对参数变化和外部扰动不敏感，鲁棒性好，抗干扰能力强;不需要在线辨识，控制规律实现容易；对系统模型精度要求不高，控制规律简单，实现容易，可协调动、静态问矛盾；可有效降低系统的阶数、简化控制；理论上可应用到各类非线性系统。缺点：开关频率不固定，输出纹波较大，对滤波器设计要求较高；频繁高速的开关切换会带来高频抖动，甚至导致不稳，需用饱和切换函数替换理想的切换函数来解决;需要知道系统不确定性参数和扰动的上、下界的准确度，滑动模态的到达条件比较严格，影响系统鲁棒性;理想滑模切换面难以选取，选择各了控制器的参数比较困难，采样频率要求足够高8。

(4)反馈线性化控制。它是基于微分儿何的线性化解祸控制方法。它是以微分儿何为数学工具，通过适当的非线性状态和反馈变换，可实现状态或输入/输出的精确线性化，从而将复杂非线性系统综合问题转化为线性系统的综合问题，然后应用各种成熟的线性控制方法设计控制器。由于PWM整流器内环电流系统具备仿射非线性系统的形式，符合反馈线性化条件，存在解祸矩阵，可实现反馈线性化控制。

优点：实现了电流、电压有功和无功分量的完全解祸，加速了直流电压响应，直流电压跟踪负载变化快，电流波动小；可减少直流电容器的容量，可减少设备的成本及体积；这种线性化是完全精确的，且对有定义的整个区域都适用；解决控制系统内部参数摄动和外部参数扰动的影响，系统鲁棒性强。缺点：无法直接限制有功电流，且非线性控制器设计相当复杂；解祸矩阵、反馈控制律复杂，导致运算复杂，需要高速DSP;解祸矩阵可能存在奇异性，这可通过给导致奇异点的量预置数来解决；当系统不确定扰动的相对阶低于未加扰动系统的相对阶时，系统的零动态由于扰动可能变得不稳定，可在基于输入输出线性化的基础上加上变结构控制，提高系统的抗干扰能力。

(5)逆系统控制。它是先用给定对象的模型生成一种可用反馈方法实现的原系统的二阶积分逆模型，将之串联在被控对象的前面，原对象被补偿为具有线性传递关系且已解祸的伪线性规范化系统，再用线性系统理论来完成伪线性系统的控制。此法已用于三相PWM整流器控制，利用整流器数学模型，以直流输出电压、有功和无功电流作为状态反馈变量，推导出整流器的逆系统，构造出伪线性闭环控制系统，实现了无功电流分量和直流电压的解祸控制。

优点：避免了微分儿何的复杂繁琐理论束缚;不局限于仿射非线性系统，使用范围广;数学推导简单，物理概念清晰，容易理解和应用，适合于工程应用。缺点：要求系统的模型精确已知，需要求出逆系统的解析表达式，且须满足系统可逆性条件，因而应用受到很大限制。由于神经网络不依赖于模型，常将其与其他结合使用;控制精度依赖于逆模型的精度，白适应性和鲁棒性差。为解决白适应性差问题，它常与白适应、神经网络、支持向量机等相结合，对参数和模型在线辨识或校正，可取得更好的控制效果9。

(6)基于存储函数的控制方法

1)基于Lyapunov稳定性理论的控制

它是在1892年提出的稳定性判据基础上发展起来的，它先对系统构造一个“类似能量”的纯量函数，然后在保证该函数对时问的变化为负的前提下来设计控制器。为解决大范围、大干扰的控制问题，此法在1998年被引入到三相PWM整流器控制中，它以电感、电容储能的定量关系建立了Lapunov函数，并通过整流器的数学模型和相应的空阿矢量PWM约束条件，推导出控制算法。

优点：理论严格、物理意义清晰；方法简单、实现容易、响应速度快;解决整流器的大范围稳定控制问题，对大信号扰动具有很强的鲁棒性;在负载电流跃变时，直流电压的响应快且动态压降小，交流电流的响应也很快且能很快与电源电压同步。缺点：必须构造一个合适的师apunov能量函数，能量函数不具有唯一性，找出最佳能量函数很困难;能量函数向系统期望点收敛速度不可控，导致动态性能不理想。

2)基于EL模型的无源控制

无源控制((PBC)是一种非线性反馈的能量控制方法。无源性系统的能量由初始时刻到目前时刻的增长量不大于外部注入的能量总和，也即无源系统的运动问题伴随着能量的损失。PBC利用输出反馈使得闭环系统特性表现为一无源映射，它采用欧拉一拉格朗日数学模型，通过能量整形和阻尼注入，注入合适的阻尼项，配置系统能量耗散特性方程中的无功分量“无功力”，迫使系统总能量跟踪预期的能量函数，使闭环控制系统是无源的，保证系统的稳定性，使得被控对象的输出渐近收敛到期望值。

优点：由于系统本身已提供Lyapunov函数，设计过程中省去了寻找该函数，简化了控制器的设计;输出电流波形正弦化，畸变率低，对系统参数变化及外来摄动有较强鲁棒性;系统结构简单，物理意义明确、成本低、易于实现;系统反馈不需要观测器，直接利用输出反馈;具有全局稳定性，无奇异点;可应用于EL方程描述的控制系统，且EL模型中有反对称矩阵，简化了无源控制律，增强了控制的实时性。缺点：在构造存储函数时，系统的Lagrange结构常会被打破，系统的稳定性得不到保证；Lyapunov函数的构造无规律可循;当负载变化、电源不平衡时直流电压稳态误差较大，系统响应不快。

3)基于PCHD模型的无源控制

它解决了PBC方法的Lagrange结构常被破坏而导致系统稳定性得不到保证的问题。它采用端口受控哈密顿函数模型(PCH)表示系统，将能量耗散的概念引入PCH系统中，这样原来的系统变为端口受控的耗散哈密顿系统(PCHD)，再利用哈密顿系统的反馈镇定原理来寻找反馈控制，利用互联和阻尼配置的无源性控制(IDA-PBC)能量成形方法来进行控制器的设计。

优点：系统对负载的变化和外界扰动具有很强的鲁棒性和抑制能力，很好地解决了系统的反馈镇定问题；根据能量平衡关系，选择期望的闭环哈密顿函数，偏微分方程可转成普通的微分方程，求解容易、计算量小、便于实现;由于PCHD模型中有反对称矩阵，简化了无源控制律，增强了系统控制的实时性；如将积分控制引入PCHD控制系统，还可消除噪声、建模误差等引起的输出稳态误差。缺点：求取的期望哈密顿函数、互联和阻尼矩阵以及控制器，都缺乏必要的物理意义，计算复杂并且难以实现;直接求解偏微分方程难度大，计算量大，实现困难。

(7)反步法控制。它是以Lyapunov能量函数的收敛性为目标，将原来的复杂的非线性系统分解为若干个了系统，引入虚拟控制量进行静态补偿，采用由前往后递推的设计方法，通过设计后面了系统的虚拟控制来保证前面了系统达到镇定。当系统存在不确定性时，加入白适应功能，采用白适应反步控制方法。此法已应用于PWM整流器的控制中，首先系统模型被分解为dq坐标系下的两个单变量模型，再对各单变量系统采用反步法设计控制器，从而实现对两变量的稳定控制。

优点：能够维持系统的全局一致渐近稳定，保证系统跟踪误差渐近收敛;设计过程简明；对参数不确定性及外界干扰有鲁棒性;基本解决了Lyapunov函数的构造性问题，给出了反向设计寻求Lyapunov函数的方法;不要求非线性系统满足匹配条件，增广匹配条件或者非线性增长性约束条件。缺点：参数变化需满足线性参数化条件；依赖于对象的数学模型;需要计算回归函数，计算量成指数险增长，实现难度较大；白适应反步法要求系统的不确定性必须转化为线性参数未知的不确定性，且在确定和计算回归矩阵时比较烦琐；仅适于可状态线性化或具有严格参数反馈的不确定非线性系统。

(8)自抗扰控制。自抗扰控制(ADRC)是在1997年提出，它用配置非线性结构替代极点配置进行控制系统的设计，依靠期望轨迹与实际轨迹的误差来实施非线性反馈控制，可改善PID控制器在强干扰及非线性系统中的控制效果。它由跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律三部分组成，它们作用分别为安排过渡过程和提取微分信号、估计扰动和形成控制量。它把系统的模型摄动作用当作内扰，将其和系统的外扰一起作为系统总的扰动加以补偿，从而将具有非线性、不确定对象的控制系统补偿为确定的、简化的积分串联型线性系统，在此基础上再设计控制器。它常与模型配置、无源、神经网络等控制相结合，实现优势互补，获得更好的性能。

优点：实现了系统的非线性项和参数摄动、电源扰动等干扰的观测与补偿，具有良好的鲁棒性和适应性；安排过渡过程解决快速和超调问的矛盾，不用积分反馈也能实现无静差，避免积分反馈的副作用；统一处理确定系统和不确定系统的控制问题；不含有高深的数学知识，不需复杂推导，控制规律简单，实时性好，工程应用方便。缺点：当对象模型阶数大于3时，难以选取满意的非线性函数及相应的参数;运算较复杂，计算量大，实时性变差;涉及较多的参数选取问题，它们的取值会影响控制性能。

智能控制方法上述线性或非线性控制策略都是依据系统的数学模型，而建立考虑各种因素的PWM整流器的精确数学模型是不可能的。智能控制策略不需要建立严格的PWM整流器的数学模型，它仅需建立非机理模型，能实时地保证整流器电流波形为理想波形，达到单位功率因数要求。智能控制包括模糊控制、神经网络控制及其模糊神经控制等多种方法。

(1)模糊控制。它是基于模糊推理，模仿人的思维模式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制，它包括精确量的模糊化、模糊推理、清晰化三部分。为消除早期模糊控制存在的静差，出现了带积分模糊控制器等。由于它的精度及白适性较差，常把它与PID、自适应、变结构、神经网络等其他控制相结合，以取得更优性能。此法已应用到PWM整流器控制中，能够加快系统响应速度，增加在系统参数摄动下的稳定性。

优点：不依赖被控对象的精确模型，具有较强的鲁棒性和白适应性，能够克服模型参数变化和非线性等不确定因素；算法简单，响应速度快，实现容易;能在准确性和简洁性之问取得平衡，可有效地对复杂系统做出判断和处理。缺点：缺乏分析和设计控制系统的系统方法，只能用经验和反复的试探来设计控制器，非常耗时低效；不能保证规则库的完整性，且白适应能力有限；常规模糊控制只相当于PD控制器，控制精度不高，稳态精度低，甚至可能振荡10。

(2)神经网络控制。神经网络控制专注于模仿人的大脑神经网络对信息的处理能力，它将函数的映射关系隐含、分布在网络连接权和节点的函数中，利用输入输出数据作为学习样本，调节各层的连接权值，使输入、输出的对应关系可以任意逼近一给定的非线性动态系统。此法常与自适应、PID、模糊等结合使用，以取得更好性能。PWM控制系统中电流控制本身是一种很强的非线性控制，它可离线训练了一个神经网络控制器代替滞环控制器，此法适应电流波形变化的能力强，且保持了滞环控制鲁棒性好、电流响应快的优点，同时可以限制器件的最高开关频率。

优点：具有并行处理、白组织学习、非线性映射、鲁棒性及容错性等能力；只需通过一定的I/O样本来训练，可逼近任意对象的动态特性;不需复杂控制结构，也不需要对象模型，可用于复杂的控制对象。缺点：物理意义不明确;网络结构、隐层数及各层神经元数的选取缺乏理论支持；计算复杂，计算量大;对训练集的要求高、训练时问长；稳定性分析较困难，收敛性不能保证，可能陷入局部最优，甚至发散;优化目标是基于经验风险最小化，泛化性能不强;硬件实现技术没有突破，目前不能实现在线控制，还是采用离线学习，实时性较差，不能真正实际应用。

(3)模糊神经控制。智能控制方法各有其优势及局限，将它们集成融合在一起已成为设计更高智能的控制系统方案，其中模糊神经控制是模糊控制与神经网络控制的结合体，它是最常用的结合形式之一。模糊控制适合于表达和处理模糊的定性知识，但稳态精度低、自适应能力差；神经网络具有并行计算、分布式储存、容错及自学习能力强等特点，但不适于表达基于逻辑规则的知识，学习时问长、参数物理意义不明显。为了进一步提高PWM整流器的性能，可将模糊控制和神经网络控制结合起来，利用模糊逻辑的智能推理机制和神经网络的自学习能力，将能组成更好的控制方案。

优点：两者结合优势互补，兼有两者之长；采用模糊计算，计算简便，加快了处理速度;增强了信息处理手段，使信息处理方法更加灵活;网络中采用模糊化规则，增强了系统的容错性；可同时处理确知和非确知信息，扩大了信息处理能力。缺点：模糊规则的选取无通用办法;模糊化层和模糊推理层节点个数的选取、模糊合成和推理算法的选取以及反模糊化的计算方法等无理论指导;存在模型复杂性与模型泛化能力间的矛盾11。

电压源型整流器控制方法的实际应用前述的电压原型整流器的传统的线性/非线性、现代的非线性和智能三类控制方式中，由于传统控制方法的技术成熟且实现容易，目前在实际应用中占绝对的主流地位。当然，传统的控制方法还存在一些不足，需要改进与完善。

由于功率器件本质上是非线性器件，因而很多学者尝试采用现代的非线性控制方法，但目前采用这些非线性控制理论还不成熟，难以实际应用。例如，反馈线性化控制方法的计算过于繁琐，需要高速DSP；再如，直接功率控制对功率的估算需要检测整流器的开关状态，它对控制电路的处理器和A/D转换器要求较高。

由于智能控制不需要建立PWM整流器的数学模型，因而也被引入到整流器控制中，但智能控制还很不成熟，目前基本还停留在仿真阶段。

虽然现代的非线性和智能两类控制都还不成熟，但随着它们控制技术的进一步发展和逐步成熟，无疑它们具有良好的应用前景。

PWM整流器控制技术的发展趋势自20世纪80年代开始PWM整流器研究以来，PWM整流器控制虽已取得了很多成果，但仍不完善。它的发展趋势大致可归结为以下几个方面1。

(1)新控制方法及集成控制方法研究

VSR可以采用的控制方法很多，每种控制方法都有其特点和适用场合。随着电力电了、微电了、计算机等技术的发展，采用DSP可快速实现复杂运算，一些复杂控制算法逐步得到实际应用;为使控制系统具有更高的动静态性能，应该寻找新型的控制方法或改进现有的控制方法；目前电VSR网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空问矢量控制相结合的趋势;由于很难凭借单独一种控制方法来解决实际控制系统中的众多难点问题和实现综合性的设计目标，因此，可将不同的控制方法进行“整合”集成而形成复合控制，以实现取长补短，有机融合成更有效的控制方案。

(2) PWM整流器无传感器控制研究

PWM整流器控制一般需要通过交流电压、交流电流和负载电压的三类传感器来检测交流侧的电流、电压和直流侧的电压值，有的控制方案还需负载电流传感器，实现成本较高。为了简化控制系统的结构、降低成本和安装费用，无传感器控制技术研究取消交流电压和交流电流传感器，而采用预测算法或观测器重构估算出网侧电压或者电流。

(3) PWM整流器无传感器控制技术

PWM整流器无交流电流传感器控制策略既有效克服了问接电流控制中动态性能不好的缺点，同时又可以节省价格昂贵的电流传感器，具有硬件结构简单，便于微机实现的优点。通过建立一个电流观测器来计算出网侧电流估计值，其关键部分在于开关函数的检测和输入电流指令的构造。由于该控制策略硬件成本低，因此在实际工程中有很好的应用价值。

(4)电网不平衡条件下VSR控制研究

常规PWM整流器均以三相电网是平衡的为前提，这样一旦三相电压不平衡，电压的负序分量会使整流器网侧电流和直流输出电压含有丰富的低次谐波，利用常规的电网平衡条件下的控制方法进行控制，则会降低整流器的性能，甚至产生不正常的运行状态。电网不平衡条件下电压源型整流器控制技术目前主要集中在整流器网侧电感及直流侧电容的设计，或者是通过控制系统本身去改善和抑制整流器输入侧的不平衡因素以及对传统数学模型的重构和控制策略的改进。通过引入正序、负序两套同步旋转坐标系的独立控制方案，在各白的同步旋转坐标系中，将正序、负序基波分量均转换成直流分量，再通过各白的控制器实现无静差控制，从而大大提高了系统的运行稳定性和鲁棒性。

(5) CSR控制研究

随着高温超导技术的应用和发展，CSR电感储能的效率得到极大的提高，功率损耗大为降低，体积、价格等方面也得到改善。因此，利用CSR实现高性能的电能输送将逐渐兴起，而其控制研究也将成为热点。电压源型整流器的控制策略大多也可应用在CSR上，但由于CSR交流侧二阶滤波结构使整流器交流侧的瞬时功率平衡表达式与电压源型整流器不同，另外，CSR交流侧弱阻尼的二阶滤波环节较之电压源型整流器的一阶环节，更易激起振荡，CSR的电流控制更为复杂。因此CSR的控制远不及电压源型整流器成熟。

(6)电网不平衡条件下CSR控制研究

在CSR中，电网电压的不平衡同样会带来电压源型整流器类似的问题。为了消除由电压不平衡产生的低次非特征谐波，可以采用增大交流侧和直流侧滤波器的尺寸、前馈补偿的方法、反馈控制法等三种方法。其中前者增大了整个装置的尺寸，降低了响应迅速;中者研究较多，但网侧功率因数不可控，网侧电流开环控制，不能有效的保证交流电流的正弦性;后者重点主要在参考指令电流的产生和电流的无差跟踪两方面，此法已用于电压源型整流器中，但在CSR中还未见报道。因此，在电网电压不平衡条件下的CSR控制策略研究仍然是一项艰巨的任务。

结语控制技术是整流器技术的关键问题，全面综述性介绍了三相电压型PWM整流器的各种控制策略，并按控制理论发展规律对这些方法进行了科学分类，还分析了这些方法的原理及特点。尽管PWM整流器控制研究已经取得了很大的成绩，但一些问题还没有得到满意的解决，展望了三相PWM整流器控制技术的发展趋势。PWM控制技术是一项应用广泛的实用化技术，随着研究的不断深入，必将对国民经济的发展做出重要的贡献。对三相电压型PWM整流器控制方法的研究与选择有一定参考指导价值。