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非线性控制理论在有源滤波技术中的应用

2012-03-19 17:13
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  1.引 言

  随着电力电子设备等非线性负载的广泛应用,电网中的谐波问题日益严重,造成了电网电压和电流波形严重畸变,对供电质量造成严重的污染,电网中的谐波不仅危害电网本身而且危害其周边设备。如何消除电网中的高次谐波和无功电流使之成为洁净电源,已成为电力电子学、电力系统中的一个重要问题。仅仅利用无源滤波技术治理谐波已经不能满足要求,随着电力电子技术的不断发展,人们将滤波研究方向逐渐转向有源滤波器,它已经成为电力电子应用极具生命力的发展方向。同时随着微电子技术的迅速发展,高精度、高速处理器(如DSP)的出现,使复杂的参量和系统状态实时计算或估计成为可能,并且使现代控制理论能够应用于电力电子系统。

  有源滤波器的控制主要由谐波信号的检测和补偿分量的产生两大部分组成。从图1可以看出,有源滤波器通过检测电路检测出电网中电流电压的畸变部分,然后采用适当的控制方法控制功率逆变器产生相应的补偿分量,并注入到电网中,以达到消谐目的。这两个因素共同决定着有源电力滤波器的品质。值得一提的是有源电力滤波器的谐波电流检测电路不同于一般电力谐波检测电路,它通常不需要检测出各次(或一定次数的)谐波,只需检测出除基波有功电流(或基波电流)之外的总的谐波电流,且对检测速度和实时性要求较高。所以采用的谐波电流检测方法很重要,它决定了谐波电流的检测精度和跟踪速度,进而影响有源滤波器的谐波电流补偿效果。

  近20年来,非线性控制理论在有源滤波技术中的应用得到了大量的研究。本文主要介绍了反馈线性化方法、非线性无源控制、非线性变结构控制、非线性自适应控制、非线性鲁棒控制以及自抗扰控制在有源滤波技术中的研究和应用现状,提出了若干需要解决的问题,并对非线性控制理论在有源滤波控制中的应用前景作出了展望。

  2.反馈线性化方法

  反馈线性化方法是非线性系统控制理论的一种有效方法,包括基于微分几何理论的输入对状态反馈线性化、输入输出线性化,直接反馈线性化 (DFL)方法和逆系统方法等。

  基于微分几何理论的反馈线性化方法主要有两种:输入对状态反馈线性化和输入输出线性化。前者主要用于研究非线性系统的镇定问题,后者用于研究系统的跟踪和调节问题。在系统满足一定的条件下,这两种方法可以互相转化。

  微分几何方法通过微分同胚映射实现坐标变换,根据变换后的系统设计非线性反馈,实现非线性系统的精确线性化,微分几何方法适合仿射非线性系统。对于仿射非线性SISO系统,若系统的关系度r等于系统的维数n,则一定可以构造出微分同胚映射,通过合理地构造非线性反馈,实现系统的精确线性化。对于关系度小于r和没有明确的输出的系统。通过构造一个虚拟的输出,同样有可能实现系统的线性化。对于某些不能实现精确线性化,可采用零动态的设计方法,即通过反馈实现系统的外部响应线性化,对于内部响应,则只要系统稳定。

  文献[1]利用输入对状态反馈线性化方法,引入了一个辅助的输入变量,就可以得到解耦的线性系统模型,然后利用极点配置控制策略设计一个线性跟踪控制器。这种控制方法还有待于进一步研究以取得更好的控制性能。

  文献[2]利用输出反馈线性化方法控制直流测电容电压。控制系统分为两个控制环:内部电流环采用精确线性化方法,使注入滤波器的电电流快速准确跟踪电流参考值;外部电压环采用非线性反馈方法控制,这样就可以把滤波器看成一个理想电流源和非线性负载的并联。仿真结果表明该方法可以有效的补偿负载电流谐波,消除无功功率,并且可以消除由于参数不确定性引起的稳态误差。

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