基于模糊開關表的整流器瞬時功率控制策略

黃晶晶， 張愛民， 同向前， 王倩

(1．西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2. 西安交通大學 電子與信息工程學院，陜西 西安 710049)

基于模糊開關表的整流器瞬時功率控制策略

黃晶晶1， 張愛民2， 同向前1， 王倩1

(1．西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2. 西安交通大學 電子與信息工程學院，陜西 西安 710049)

為了使三相電壓型整流器取得較高的波形質量和優(yōu)越的抗擾動能力，提出一種基于模糊開關表的瞬時功率控制策略。采用基于模糊控制的開關狀態(tài)選擇方法，根據模糊控制器輸出，利用所設計的開關狀態(tài)控制器，在固定時間間隔內直接給出各開關狀態(tài)。仿真和實驗結果表明，與傳統(tǒng)瞬時功率控制策略相比，本文所提策略在穩(wěn)態(tài)時能有效提高系統(tǒng)的瞬時功率和電流波形質量；當直流側負載突變時，也能使系統(tǒng)獲得更快的響應速度，進一步驗證了所提策略的可行性及優(yōu)越性。

整流器；瞬時功率控制；模糊控制；諧波總畸變率；開關狀態(tài)

隨著對電力系統(tǒng)中所存在的無功功率補償、諧波抑制、負載對電網的沖擊抑制等問題的深入研究，使得三相電壓型整流器(VSR)得到了廣泛應用[1-3]。VSR的控制系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)結構，若外環(huán)以直流側電壓作為控制變量，內環(huán)以VSR與電網所交換的瞬時功率為控制變量，這種控制方式為直接功率控制(DPC)[4-6]。由于內環(huán)的功率變量可以當作直流量進行控制，提高了系統(tǒng)分析和實現(xiàn)的靈活性，逐漸成為國內外學者的研究熱點[7-8]。

DPC是根據瞬時功率理論得到的一種VSR控制方法[9]。傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的性能主要取決于功率環(huán)中開關表的設計[10-11]。目前，文獻[12]針對傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)中開關表所存在的無功功率調節(jié)不穩(wěn)定等問題，優(yōu)化了系統(tǒng)開關表。但滯環(huán)比較器的存在，致使系統(tǒng)開關頻率不固定，這將不利于交流側濾波器設計，使得電路設計更加復雜。為了保證開關頻率在任何工況下都不超過主電路所能承受的最大值，滯環(huán)比較器的環(huán)寬需要設置的非常謹慎、合理。為此，文獻[13]將DPC和空間矢量調制(SVM)的思想相結合，以獲得固定的開關頻率，但這樣增加了控制系統(tǒng)復雜度，降低了系統(tǒng)的響應速度。

針對傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)在整流器應用中所存在的以上問題，本文提出一種基于模糊開關表的瞬時功率控制(FDPC)策略。開關狀態(tài)的設計需要使整個系統(tǒng)既具有快速性又能有效提升系統(tǒng)控制精度。所采用的方法是在固定的時間間隔內，判斷系統(tǒng)狀態(tài)，利用模糊控制器完成開關狀態(tài)選擇。最后，通過仿真和實驗驗證FDPC的有效性，并通過與傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)波形和負載擾動波形的對比，進一步說明FDPC的優(yōu)越性。

1 傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)

對圖1所示主電路的交流側采用基爾霍夫定律(KVL)，可以得到其在靜止坐標系下的方程：

(1)

式中，uk=SkUdc+uNO，(k=a、b、c)；uNO為下橋臂節(jié)點N與電源中性點O之間的電壓。

對于三相對稱系統(tǒng)有：ua+ub+uc=0，于是可以得到：

經等功率變換后，VSR在兩相同步旋轉坐標系中的數(shù)學模型為：

(2)

式中，ud0=Sd0Udc；uq0=Sq0Udc。Sd0、Sq0分別為Sa、Sb、Sc在兩相同步旋轉坐標軸上的分量。由式(2)可見，對開關狀態(tài)進行控制，就可以實現(xiàn)對id0、iq0的調節(jié)。

由瞬時功率理論可以得到從電網吸收的瞬時有功功率p和無功功率q分別為：

(3)

式中，Um為電源相電壓峰值。由式(3)可見，id0與有功功率p成正比，iq0與無功功率q成反比。綜上所述，通過控制開關狀態(tài)就可以實現(xiàn)對有功功率p和無功功率q的控制。

傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)如圖2所示。根據瞬時功率理論可以計算得出從電網吸收的瞬時功率p和q。電壓外環(huán)中，直流側電壓檢測值Udc與期望值Udc*的差值通過PI調節(jié)器輸出有功電流信號Idc，該有功電流信號Idc與Udc的乘積即為有功功率期望值p*。為實現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行，要求無功功率期望值q*為零。功率內環(huán)控制器通常采用兩個滯環(huán)比較器，根據電源電壓矢量所在扇區(qū)θi，從預先設置好的開關表中選擇下一時刻的開關狀態(tài)，實現(xiàn)對瞬時功率p和q的閉環(huán)控制。傳統(tǒng)開關表構成可參考文獻[9]～[11]。此處定義開關矢量Vx為開關組合(SaSbSc)的函數(shù)，例如(SaSbSc)為(000)時，開關狀態(tài)Sa=0、Sb=0、Sc=0，其他情況以此類推。由于每個開關各有兩種狀態(tài)(1或者0)，所以對應8個開關矢量，包括2個零開關矢量V0和V7，6個非零開關矢量V1～V6。

2 基于模糊開關表的DPC控制(FDPC)

本文所提出的FDPC控制系統(tǒng)如圖3所示。與傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的主要區(qū)別在于功率內環(huán)設計，將瞬時功率偏差Δp、Δq和電源電壓矢量所在扇區(qū)θi送入基于模糊方法的開關狀態(tài)控制器中，直接獲得三相開關狀態(tài)。

2.1 設計原則

VSR的控制目標是：①實現(xiàn)VSR網側電流正弦化以及系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制；②實現(xiàn)對VSR直流側輸出電壓的控制。其中VSR系統(tǒng)的單位功率因數(shù)可通過對無功功率q的控制來實現(xiàn)。

由式(2)和(3)可以得到：

(4)

定義：

(5)

為了將瞬時功率偏差控制到零，需要滿足：

(6)

式中，dΔp/dt和dΔq/dt分別表示瞬時有功功率和瞬時無功功率的偏差變化率。由式(4)可知，通過控制ud0、uq0就可以實現(xiàn)對瞬時功率的調節(jié)，而ud0、uq0的大小又由開關矢量Vx決定，因此，為實現(xiàn)功率跟蹤控制，必須選擇一個合適的開關矢量Vx，使式(6)成立。即當瞬時功率偏差|Δp|、|Δq|較大時，需加大Vx的作用強度，以快速降低系統(tǒng)偏差；當|Δp|、|Δq|較小時，需適當減小Vx的作用強度，防止系統(tǒng)以過快的速度穿越穩(wěn)態(tài)運行點，造成系統(tǒng)振蕩。當開關頻率足夠高時，瞬時功率偏差就被限制在足夠小的范圍內，實現(xiàn)功率的跟蹤控制。這就是FDPC的基本設計原則。

2.2 基于模糊方法的開關狀態(tài)控制器

基于模糊方法的開關狀態(tài)控制器(FSC)如圖4(a)所示：由兩輸入單輸出的模糊控制器和開關狀態(tài)控制器組成。模糊控制器輸入變量的論域均為{-1,-0.5,0,0.5,1}，對應的模糊語言變量均為{NB NM Z PM PB}；輸出y論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，對應的模糊語言變量為{NNB NPB NNZ NPZ NM NS ZE PS PM PNZ PPZ PNB PPB}。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)分別如圖4(b)和(c)所示，其中μ為隸屬度。模糊推理合成規(guī)則遵循max-min規(guī)則，輸出采用centroid(重心)法去模糊化[14]。為保證系統(tǒng)運行的動態(tài)、靜態(tài)特性，根據系統(tǒng)的運行狀態(tài)，分別通過Gp、Gq將Δp、Δq量化后，送到模糊控制規(guī)則表(表1)，去模糊化之后輸出信息y。然后開關狀態(tài)控制器根據模糊控制器的輸出y和電源電壓矢量位置θi，確定能夠滿足式(6)的最佳開關狀態(tài)，以控制系統(tǒng)瞬時功率。為了限制系統(tǒng)的開關頻率，本文引入了定時器，在固定時間間隔內發(fā)出開關狀態(tài)，這樣也有利于交流側濾波電感設計。

表1 模糊控制規(guī)則表

Tab.1 Fuzzy control rule table

若模糊控制器輸出變量為PPB，即Δp、Δq均大于零，且值很大，為滿足式(6)，需使dΔp/dt<0和dΔq/dt<0同時成立。由于：

(7)

忽略電阻Rs，假設已經得知電源電壓矢量的扇區(qū)值為θ1∈(2kπ，2kπ+30o][4]，根據式(4)和(7)，可以得知滿足dΔp/dt<0要求的開關矢量Vx為V0(V7)、V3、V4、V5，按控制作用大小排序如下：

滿足dΔq/dt<0要求的開關矢量Vx為：V2、V3、V4，按控制作用大小排序如下：

綜上，可以確定同時具有減小有功功率偏差和無功功率偏差能力(dΔp/dt<0，dΔq/dt<0)的最佳開關矢量為V3(0 1 0)， 即開關狀態(tài)為Sa=0、Sb=1、Sc=0。其他情況以此類推。

3 仿真和實驗驗證

3.1 仿真驗證

在Matlab/simulink環(huán)境下分別建立采用傳統(tǒng)DPC(圖2)和本文提出的FDPC(圖3)控制系統(tǒng)的VSR仿真模型，仿真模型參數(shù)分別為：電源相電壓峰值Um=150 V，線路等效電阻Rs=0.3 Ω，電感Ls=2 mH，直流側電容C=2 400 μF。

圖5為穩(wěn)態(tài)時傳統(tǒng)DPC和所提FDPC系統(tǒng)的功率波形。傳統(tǒng)DPC 控制中，有功功率的波動范圍為4 100～4 750 W；無功功率q的波動范圍為-400～650 var。采用所提FDPC得到的有功功率p被限制在4 250～4 500 W之間，有功功率的控制精度提高了61.5%；無功功率q被限制在-200～200 var之間，無功功率的控制精度提高了61.9%。通過兩種控制方法下的功率波形對比，可以看出，采用FDPC控制的VSR系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時具有更為優(yōu)秀的瞬時功率調節(jié)能力，且其穩(wěn)態(tài)時的無功調節(jié)能力是對稱的。

3.2 實驗驗證

為了進一步對比兩種DPC系統(tǒng)的控制效果，搭建VSR系統(tǒng)的實驗模型，系統(tǒng)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致，定時器頻率選擇9 kHz。圖6給出了穩(wěn)態(tài)時的實驗結果。圖6(a)為穩(wěn)態(tài)時 FDPC控制下的電壓電流波形，此時電壓電流相位保持一致，因此FDPC可以很好地實現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行的目的，即無功功率被控制在零值上下。圖6(b)和(c)對比了兩種DPC控制下的交流側電流諧波總畸變率(THD)，采用所提FDPC控制的交流側電流THD僅為4.0%，較傳統(tǒng)控制下的7.4%而言降低了近46%。明顯地，采用FDPC時獲得的電流波形質量更為優(yōu)越。

為了驗證FDPC策略的暫態(tài)性能，在系統(tǒng)運行過程中，將直流側負載從16 Ω瞬間切換到32 Ω，采用傳統(tǒng)DPC和所提FDPC得到直流側電壓的暫態(tài)響應波形如圖7所示。傳統(tǒng)DPC控制下系統(tǒng)需要20 ms左右的時間恢復到穩(wěn)態(tài)；而采用FDPC系統(tǒng)僅需15 ms左右的時間就可以恢復到穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)時間減少了25%。因此，F(xiàn)DPC具有更出色的暫態(tài)性能。

4 結 語

本文針對VSR采用傳統(tǒng)DPC方法存在的無功功率調節(jié)能力差、系統(tǒng)開關頻率不固定等問題，引入了一種FDPC方法。該方法對被控對象的數(shù)學模型要求不高，由于利用定時器在固定時間間隔內選取開關狀態(tài)，所以開關頻率固定，便于系統(tǒng)參數(shù)設計。綜合文中的仿真和實驗結果可以看出，與傳統(tǒng)DPC相比，所提FDPC在控制精度、響應速度等方面都有一定優(yōu)勢，為進一步的工程應用提供參考。

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(責任編輯 周蓓)

Fuzzy switching table based instantaneous power control for rectifiers

HUANG Jingjing1， ZHANG Aimin2， TONG Xiangqian1， WANG Qian1

(1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.School of Electronics and information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

A fuzzy switching table based instantaneous power control method is proposed for the rectifier to improve the waveform quality and the disturbance rejection ability. The fuzzy-based switching states selection method is employed. It determines the switching state in the fixed time interval according to the fuzzy controller output and the switching states controller. The simulation and experiment results show that, compared with the classical instantaneous power control method, the proposed method can effectively improve the instantaneous power and current quality, and ensure the faster transient response speed when the DC side load changes suddenly. This further confirms the feasibility and superiority of the proposed method.

rectifier； instantaneous power control； fuzzy control； total harmonic distortion； switching states

1006-4710(2015)02-0150-05

2014-09-10

國家自然科學基金資助項目(51177126)；陜西省重點學科建設資助項目(5X1301)；西安理工大學教師科研啟動經費資助項目(103-400211420)。

黃晶晶 ，女，博士，講師，主要研究方向為電力電子及其智能控制技術。E-mail：hjj7759@163.com。

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