模糊自適應三電平PWM整流器的研究

張月光，曹俊偉，徐胡平

(國網上海市電力公司奉賢供電公司，上海　201400)

模糊自適應三電平PWM整流器的研究

張月光，曹俊偉，徐胡平

(國網上海市電力公司奉賢供電公司，上海201400)

摘要：傳統PWM整流器的線性和非線性控制往往依據系統的數學模型，而考慮到實際系統運行時的各種因素，建立PWM整流器的精確數學模型是不可能的。以二極管嵌位式三電平PWM整流器為研究對象，設計了一種不需要被控對象數學模型的模糊自適應PI控制器，對控制器參數在線進行調整，以提高系統的動、靜態性能。在Matlab/Simulink仿真環境下，搭建了三電平PWM整流器控制系統，并對仿真結果進行了深入分析，驗證了控制策略的正確性和可行性。

關鍵詞：三電平PWM整流器；空間矢量調制；模糊自適應

隨著高壓大容量電力電子裝置的廣泛使用，二極管嵌位式三電平PWM整流器及其控制技術正逐漸成為PWM整流技術中的研究熱點，二極管嵌位式三電平PWM整流器具有如下顯著優點[1,2]：(1) 主電路每個功率器件關斷時承受的電壓僅為母線電壓的一半；(2)三電平PWM整流器交流側電壓形狀更接近于正弦波，在相同的開關頻率下，諧波比兩電平要低得多；(3)開關損耗小，系統的效率高；(4)在相同的直流母線電壓條件下，較之兩電平變換器，開關器件所承受的du/dt大為減少。因此，本文將對二極管箝位式三電平PWM整流器及其控制方法進行深入的研究。

1三電平PWM整流器主電路分析

二極管嵌位式三電平PWM整流器的主電路拓補結構如圖1所示。

圖1　二極管嵌位式三電平PWM整流器拓補結構

從圖1可以看出，二極管嵌位式三電平PWM整流器的主電路主要由交流側電感、電阻、由功率開關管和續流二極管搭建的開關橋路、直流側電容和負載組成。假設母線中點電位平衡，則兩個電容上的電壓相等，即：Udc1=Udc2=Udc/2； RL為等效負載電阻。

三電平PWM整流器通過控制功率開關器件Ti1-Ti4=(i=a、b、c)的導通和關斷，使得A、B、C三相橋臂的端電壓為雙極性PWM調制脈沖序列。對于三電平PWM整流器，其功率開關管的工作狀態可以由表1中的開關狀態表示。對于A相橋臂，開關狀態P表示橋臂上端的兩個開關管導通，整流器A端相對于中點Z的端電壓UAZ為Udc/2，同樣的，N表示下端兩個開關管導通，此時，UAZ為-Udc/2。開關狀態O表示中間兩個開關管導通，此時嵌位二極管將UAZ嵌位在零電壓上。

表1　三電平PWM整流器的開關狀態表

從表1可以看到，功率開關器件Ta1和Ta3運行在互補模式，即一個開關導通，另一個必須關斷。同樣，Ta2和Ta4也運行在互補模式。三電平PWM整流器的開關器件用開關函數描述：

(1)

2空間矢量調制算法

三電平PWM整流器的主電路拓補結構的每相橋臂可以輸出P，O，N三種電壓狀態，將三相輸出電壓狀態進行組合可以得到27種空間電壓矢量，如圖2所示[3]。

圖2　三電平整流器空間電壓矢量示意圖

按照空間電壓矢量幅值由小到大可將其分為四類：零矢量、小矢量、中矢量和大矢量，空間電壓矢量的表達式為：

(2)

式中Sa，Sb，Sc——A，B，C三相的輸出狀態。

2扇區號判斷

2.1大扇區判斷

由圖2可知，六個大矢量將空間電壓矢量平面劃分為六個大三角形區域，因此可以根據參考電壓矢量的旋轉角度θ來進行大扇區判斷(見表2)。

表2　大扇區號判斷表

2.2小扇區判斷

6個大矢量將空間電壓矢量平面劃分為6個大三角形區域，以第一大扇區為例，此時，其中包含的矢量又將第一大扇區分為6個小扇區，具體如圖3所示。

圖3　小扇區劃分圖

由圖3可知，可以根據參考矢量的幅值和相角判斷小扇區的位置，令參考電壓矢量的幅值為m，小扇區的判斷表如表3 所示。

表3　小扇區號判斷表

2.2矢量作用時間計算

(3)

則空間矢量的作用時間為：

(4)

3模糊自適應控制器的設計

模糊控制系統是指那些與模糊概念和模糊邏輯有直接關系的系統，由模糊規則庫、模糊推理機、模糊化和反模糊化四部分組成[5]，如圖4所示。

圖4　模糊邏輯系統的基本組成

模糊規則庫和模糊推理機是模糊邏輯系統的關鍵部分。模糊規則來源于專家對于系統變化過程的認識與經驗總結，模糊規則庫中模糊規則的完善程度及準確度將直接確定整個系統作用效果的好壞[6]。模糊規則庫由具有多輸入單輸出形式的若干條模糊規則“if-then”的總和所組成[7]，即：

(5)

PWM整流器本身為一個非線性系統，傳統控制理論主要解決線性系統的問題，而對于那些很難提出數學方程但人們卻有豐富的控制經驗的實際課題，如三電平PWM整流器，模糊控制技術可以發揮其特有的優勢。

模糊自適應PI控制是在傳統PI控制算法的基礎上，通過計算當前系統誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制原理來對兩個參數進行實時的修改，以滿足不同e和ec時對控制參數的不同要求，模糊自適應PI控制器的結構如圖5所示。

圖5　模糊自適應PI控制器

不同e和ec對PI控制器參數Kp、Ki自動調整要求如下[8,9]：

(1)當e較大時，應取較大的Kp，去掉積分作用，即Ki=0。

(2)當e中等時，應取較小的Kp，同時適當選擇Ki。

(3)當e較小時，應取較大的Kp和Ki。

根據上述的參數整定原則，列出Kp和Ki的參數調整控制規則表，如表4和表5所示。

4模糊自適應PI控制器在PWM整流器的應用

PWM整流器電壓外環的控制目的是使得母線電壓恒定，這就要求電壓外環的系統響應不僅

表4　Kp的模糊規則表

表5　Ki的模糊規則表

要有良好的動態性能，而且要有較好的魯棒性和抗擾性，為了有效的調整系統控制器參數，同時減少繁瑣的實驗參數調試過程，可以在電壓外環采用模糊自適應PI控制器，結合模糊控制和傳統PI控制的共同優點，使得系統具有更好的動、靜態性能。基于模糊自適應PI的三電平PWM整流器控制圖如圖6所示。

圖6　基于模糊自適應PI的三電平PWM整流器框圖

以3kW三電平PWM整流器系統為例，穩態時直流母線電壓值為600V，對于模糊控制器來說，輸入變量的論域，根據專家經驗，如果認為系統偏差的值大于等于30V，就應該認為是語言值的最大值“PB”；e的值小于等于-30V，就是“NL”。因此，偏差e的論域為[-30,30]，則：Ke=0.2

類似于偏差e，根據被控對象在系統運行中偏差變化ec的范圍，選擇ec的論域及系數Kc。因為：

e(t)=r(t)-y(t)

當輸入r(t)為常數時，dr(t)/dt=0，則

(6)

Kc=6÷963.5=0.006 227

為了驗證模糊自適應PI控制方法設計的合理性與可行性，在Matlab/Simulink仿真環境下搭建三電平PWM整流系統進行仿真實驗

系統仿真時間設置為2s，在0.2s空載啟動PWM整流，在0.8s系統加額定負載，在1.4s啟動直流側受控電流源，開始能量回饋實驗，仿真過程直流母線電壓波形如圖7所示。

圖7　直流母線電壓波形

從圖7可以看出，系統空載啟動過程，超調為6V，約為穩態值的1%，與傳統PI控制相比，超調量明顯減小，并在0.22秒恢復穩定，響應迅速；系統加載時，電壓降為25V，約為穩態值的4.1%，并在0.88秒恢復穩定，與傳統PI控制相比，系統抗擾性能明顯提高。

5結語

本文以二極管嵌位式三電平PWM整流器為研究對象，分析了其主電路拓補結構及空間矢量調制算法，詳細介紹了模糊控制的基本原理，將模糊控制和傳統的PI控制相結合，給出了模糊自適應PI控制器的設計方法；由于PWM整流器本身為一個非線性系統，其精確模型獲取困難，本文將模糊自適應PI控制器應用在三電平PWM整理器控制系統的電壓外環，并在Matlab/Simulink仿真環境下通過仿真驗證模糊自適應PI控制方法的正確性和合理性，最后給出了仿真波形并進行了詳細的分析。

參考文獻：

[1]侯慶亮. 三電平PWM整流器控制方法研究[D].北京：北方工業大學，2010.

[2]LEEHD，SULSK.ACommonModeVoltageReductioninBoostRectifier/InverterSystembyShiftingActiveVoltageVectorinaControlPeriod[J].IEEETransPowerElectronics, 2000，15(6): 1094-1101.

[3]BINWu. 大功率變頻器及交流傳動[M].北京：機械工業出版社.

[4]滿永奎，韓安榮. 通用變頻器及其應用(第3版)[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5]張言俊，張科. 自適應控制理論及應用[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

[6]宋進良， 滿永奎. 基于模糊控制鍋爐給粉遠程診斷系統的研究[J]. 東北電力技術，2009，30(6)：10-13.

SONGJin-liang,ZHANGLi-sha,MANYong-kui.Studyonremotediagnosissystemforboilercoalfeedingbasedonfuzzycontrol[J].NortheastElectricPowerTechnology,2009,30(6):10-13.

[7]廉小親. 模糊控制技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[8]劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2004.

[9]陳爽. 基于DSP的模糊自適應PI交流調速系統[D].成都：西南交通大學，2009.

(本文編輯：楊林青)

Research on Fuzzy Self- Adaptive Three-Level PWM Rectifier

ZHANG Yue-guang, CAO Jun-wei，XU Hu-ping

(StateGridFengxianPowerSupplyCompany,SMEPC,Shanghai201400,China)

Abstract:The linear and nonlinear control of traditional PWM rectifier is often based on systematic mathematical model, and it is impossible to establish accurate mathematical model of PWM rectifier based on the actual system operation. This paper designs a fuzzy adaptive PI controller without the mathematical model of controlled subject, which adjusts the controller parameters online in order to improve the dynamic and static performance of the system. In Matlab/Simulink environment, the three-level PWM rectifier control system is constructed and the simulation results are studied, which verifies the correctness and feasibility of the control strategy.

Key words:three-level PWM rectifier; space vector modulation; fuzzy self- adaptation

DOI：10.11973/dlyny201603016

作者簡介：張月光(1987)，男，碩士，從事電網調度工作。

中圖分類號：TM461

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0330-05

收稿日期：2016-03-15