PWM整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器

本发明属于控制，更具体地，涉及一种pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器。

背景技术：

1、三相电压型脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)整流器是交直流能量转换的重要接口。整流器可以实现双向可控的功率因数、正弦的输入电流和可调的输出电压。因此，它在可再生能源系统、微电网中的分布式发电、高压直流输电系统和其他工业设施中具有广泛的应用。比例积分(pi)控制是实现pwm整流器网侧电流正弦化和单位功率因数的最有效方法之一。然而，传统的pi控制器在克服由调制和死区效应引起的系统不确定性和电流谐波方面存在局限性。

2、为了改善网侧电流质量，获得更好的动态响应和鲁棒性，espi和yazdani分别采用了预测控制和内模控制的方法。然而，这些方法的设计很大程度上依赖于系统模型的精确性。尽管提出了一种基于干扰观测器的电流谐波消除方法，对于参数的不确定性具有一定的鲁棒性，但滤波器的设计较为复杂。基于内模原理，引入比例谐振(pr)控制和重复控制(rc)方案来抑制周期性扰动。然而，每个pr控制器只能处理特定频率的谐波，因此需要多个pr控制器并联来处理较宽的谐波频谱。相比之下，rc控制器可以消除多个频率下的谐波，但rc参数的整定较为复杂，当谐波频率发生变化时需要重新设计控制器。

3、自抗扰控制(active disturbance rejection control，adrc)具有不依赖精确数学模型、抗干扰能力强等特点，已成功应用于各种工业控制和航空航天领域。abdeldjabar研究了一种非线性adrc控制策略，用于为并网逆变器传输高质量的电流。然而，设计过程复杂，稳定性证明难度较大。为此，he提出了一种线性自抗扰控制器(ladrc)来简化设计和分析，与非线性adrc策略相比对电流谐波抑制效果的提升并不显著。al-saggaf将系统模型改写为分数阶形式，提出了相应的分数阶扩张状态观测器，以提高ladrc的鲁棒性。然而，该方法对外部扰动的抑制效果更差，不适用于电流谐波抑制。wang提出了矢量谐振(vectorresonance，vr)控制器和ladrc的联合控制策略，以增强谐波抑制能力和补偿参数扰动，但需要多个vr控制器来抑制电流谐波。这使得控制器的设计变得复杂，并可能导致整个系统不稳定。此外，基于rc控制器的电流环ladrc策略已被应用于抑制指定频率的谐波，从而有利于正弦电流的质量。引入rc控制器会导致稳定性和频率自适应性能变差。虽然分数阶rc可以用来适应频率的变化，但是计算复杂度较大。pan提出了一种新型的分数阶线性扩张状态观测器(foleso)。基于所提出的foleso，设计了一种分数阶线性自抗扰控制(foladrc)策略，以实现理想的三相电压型pwm整流器网侧电流，但是对于所提出的分数阶观测器同样没有给出稳定性分析。

技术实现思路

1、为此，需要提供一种pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，解决了目前扩张状态观测器无法有限时间收敛的问题，同时还解决了网侧电流控制精度不高、缺乏稳定性分析的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，根据谐波电流的状态空间模型，构建电流的一阶模型，设计分数阶有限时间扩张状态观测器，通过观测器得到系统总扰动的观测值，将系统总扰动的观测值输入分数阶有限时间自抗扰控制器，通过控制器实现对电流的控制。

4、本技术方案进一步的优化，所述谐波电流的状态空间模型为

5、

6、其中，l为升压滤波电感；r为开关损耗电阻与滤波电感等效电阻之和；ω为电网电压的角频率；ud,uq和id,iq分别表示dq坐标系下相应的三相电压和电流；tpwm为电流测量和空间矢量脉宽调制(svpwm)所产生的送的时间延迟；δvd和δvq为svpwm和死区效应引起的电压误差；和代表期望的调制电压，t为时间。

7、本技术方案进一步的优化，所述电流的一阶模型为：

8、

9、其中x1＝id,u＝uid，x1为系统状态，也就是被控参数，u是控制量，x2是系统总扰动，h为x2的一阶导数，b0为正的模型参数，id为电流，uid为控制律，y为模型的输出。

10、本技术方案进一步的优化，所述分数阶有限时间扩张状态观测器为：

11、

12、其中，z1,z2分别为x1,x2的观测值，β1,β2为观测器增益，sign为符号函数，signρ(z1-y)＝|z1-y|ρsign(z1-y)，ρ∈(0.5,1)，λ为正的可调参数。zw1,zw2和zw3表示分数阶算子近似模型的状态，ωi,i＝-1,0,1代表近似模型的极点，kw为变换之后的比例项系数，ri,i＝-1,0,1为各并联一阶环节的零点。

13、本技术方案进一步的优化，所述分数阶有限时间自抗扰控制器为

14、

15、id是要控制的电流，是理想的电流信号，uid是控制量，z2是有限时间扩张状态观测器对系统总扰动x2的观测值，kp为比例系数，b0为正的模型参数。

16、区别于现有技术，上述技术方案有益效果：

17、1.所设计的分数阶有限时间扩张状态观测器，对网侧电流模型的不确定性和外部干扰进行有效精确的估计。同时可以保证各状态在有限时间内收敛。通过李雅普诺夫方法分析了有限时间的收敛性。

18、2.借助分数阶的遗传特性和记忆能力，可有效的减小观测器的观测误差，有利于控制器设计及控制精度。

19、3.通过在线仿真，大大节省了人工费用，减少了资源浪费。

20、4.解决了目前大多数非线性扩张状态观测器无法分析稳定性的问题。

21、5.应用范围广，可推广到其他类型的控制系统。

技术特征：

1.pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，其特征在于，根据谐波电流的状态空间模型，构建电流的一阶模型，设计分数阶有限时间扩张状态观测器，通过观测器得到系统总扰动的观测值，将系统总扰动的观测值输入分数阶有限时间自抗扰控制器，通过控制器实现对电流的控制。

2.如权利要求1所述的pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，其特征在于，所述谐波电流的状态空间模型为

3.如权利要求1所述的pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，其特征在于，所述电流的一阶模型为：

4.如权利要求1所述的pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，其特征在于，所述分数阶有限时间扩张状态观测器为：

5.如权利要求1所述的pwm整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器，其特征在于，所述分数阶有限时间自抗扰控制器为

技术总结
本发明属于控制技术领域，更具体地，涉及一种PWM整流器网侧电流的分数阶有限时间自抗扰控制器。根据谐波电流的状态空间模型，构建电流的一阶模型，设计分数阶有限时间扩张状态观测器，通过观测器得到系统总扰动的观测值，将系统总扰动的观测值输入分数阶有限时间自抗扰控制器，通过控制器实现对电流的控制。

技术研发人员：朱二琳,苏畅,杜友武
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19