0 引言
三相电流型AC/DC变流器和电压型AC/DC变流器一样,可以有效地消除输入电流纹波,实现交直流双向变换。但长期以来,以电容作为储能元件的电压型AC/DC变流器,在体积、效率、价格等方面优于以电感作为储能元件的电流型AC/DC变流器,成为变流器研究的重点[1][2][3]。然而电流型AC/DC变流器具有其自身的优点,如能够提供恒定的直流电流,用于电机驱动具有动态响应快,限流能力强,短路保护可靠性高等优点[4][5]。电流型逆变器用来作为感应加热电源时工作更稳定,应用更加普遍等。因此,有必要对电流型AC/DC变流器进行深入的研究。
电流型AC/DC变流器常采用双闭环的直接电流控制法,外环为直流电流控制环,可以保持直流电流恒定;内环为交流电流控制环,要求网侧电流跟踪指令电流,实现网侧电流的跟踪和调节。常用的直接电流控制有PID控制和状态反馈控制,PID控制动态响应慢,而且控制系数的设计需要丰富的经验值;状态反馈控制方法是适合电流型AC/DC变流器这样的多输入多输出系统的一种控制方法,然而在电流型AC/DC变流器中控制变量互相耦合,解耦需要大量的计算[6]。文献[7]采用极点配置的办法控制电流型AC/DC变流器,但控制算法复杂甚至用到多个DSP。
本文提出了电流型AC/DC变流器的LQ最优控制策略。将电流型AC/DC变流器的数学模型进行小信号扰动线性化,对此线性系统采用最优控制,利用MATLAB工具箱求解Ricatti方程,便可得到系统的最优闭环极点,从而实现了系统的最优控制性能。实验结果表明,该方法实现起来简单方便,性能优良,是一种很有潜力的控制方法。
1 电流型AC/DC变流器的数学模型和特性分析
电流型AC/DC变流器的主电路拓扑结构如图1所示。
图1 电流型AC/DC变流器主电路拓扑图
取电容电压vcj和电感电流isj为状态变量,可得电路的状态空间描述为[7]
= (1)
式中:j=a,b,c;
isj(t)为第j相电网电流;
vcj(t)为第j相电容电压;
ipj(t)为变流器第j相输入电流;
ej(t)为第j相电网电压。
由于电网电压ej的存在,式(1)为非线性的状态方程,其稳态表达式为
(2)
式中:下标“0”代表对于量的稳态值。
对式(1)在稳态工作点作小信号处理得
(3)
记为
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