基于“單神經(jīng)元+滑模變”的三相PWM整流器控制策略的研究

郭明良 于 浩 張 明

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

在 “碳達峰，碳中和”的雙碳政策下，各種儲能、新能源汽車等綠色電力產(chǎn)品擁有廣闊的應用前景。使用新能源產(chǎn)品離不開電能的轉換，傳統(tǒng)的相控或不控整流具有輸入電流諧波含量高、輸入功率因數(shù)低、輸出不穩(wěn)定等劣勢。而三相PWM整流器具有輸出電壓穩(wěn)定、輸入電流的諧波小、輸入側接近單位功率因數(shù)條件下運行等優(yōu)勢。傳統(tǒng)三相PWM整流器多采用PID控制策略，主要是根據(jù)控制指令值和實時值的誤差來對整個系統(tǒng)進行調節(jié)，進而消除系統(tǒng)中直流側電壓和交流輸入電流的靜態(tài)誤差。但對基于PID的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，其未充分考慮時變狀態(tài)與整個系統(tǒng)的聯(lián)系，并且在整個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，無論是電壓外環(huán)還是電流內(nèi)環(huán)都沒有考慮外部干擾對系統(tǒng)所造成的影響。針對PID控制策略存在的問題，該文提出基于“單神經(jīng)元自適應+滑模變結構控制”的PWM整流器的雙環(huán)控制策略。該控制策略具有較高的準確性和穩(wěn)定性，可以輸出較寬的電壓范圍，輸入側的輸入電流具有快速響應、功率因數(shù)高、抗干擾能力強等特點。最后通過MATLAB/Simlink搭建了仿真模型，驗證了該控制策略的優(yōu)越性。

1 三相PWM整流器的原理分析

三相VSR整流器的主電路拓撲系統(tǒng)結構圖如圖1所示。利用變量a、b、c和a′、b′、c′顯示主功率管的導通與關斷。以A相為例，a=1時，A相橋臂的上功率管開通，橋臂的下功率管關斷（即a′=0）；相反，a=0時，A相橋臂的上功率管關斷，橋臂的下功率管開通（即a′=1）。根據(jù)對稱性，B、C相具有相同的結果。由于同一橋臂上下功率管不能在同一時刻導通，因此三組橋臂的開關一共有8種組合，對應的是8個開關矢量，分別為V0=000、V1=100、V2=110、V3=010、V4=011、7V5=001、V6=101、V7=111。其中V0、V7為零矢量，為了限制開關頻率，減少開關的開通損耗和關斷損耗，一般選擇七段式發(fā)波方式，有利于提高整機效率。

圖1 VT 三相VSR整流器的主電路拓撲系統(tǒng)結構圖

2 三相PWM整流器的數(shù)學建模

對三相整流電路，由于輸入的對稱性，一般分析A相即可。對A相電路，合并電路中的濾波電感等值電阻Ra、開關管損耗等值電阻RS，即R=Ra+RS，基于基爾霍夫電壓定理可構建A相電壓方程，如公式（1）所示。

建立表示開關管狀態(tài)的邏輯開關函數(shù)Sx，其中x=a，b，c，其表達式如公式（2）所示。

當Sx=1，uaN=udc；Sx=0，uaN=0，則公式（2）可寫成公式（3）。

同理，可以得到B相、C相的電壓方程，如公式（4）、公式（5）所示。

由于三相對稱，可得公式（6）。

聯(lián)立上式，可得公式（7）。

聯(lián)立上式，并將上式代入，可得公式（8）。

應用基爾霍夫電流定理，列寫輸出端直流濾波電容正極節(jié)點處電流方程，可得公式（9）。

結合上式，以網(wǎng)側濾波電感電流和直流側電容電壓為兩個狀態(tài)變量，搭建了三相靜止坐標系下的PWM整流器的開關函數(shù)的數(shù)學模型公式如公式（10）所示。

式中：ea、eb、ec為交流側的三相對稱電網(wǎng)電壓；ia、ib、ic為三相輸入電流；La、Lb、Lc為三相整流濾波電感；Udc為濾波電容兩端電壓；RL為整流器輸出負載；uL為負載兩端電壓誤差值；uaN為橋臂中點到輸出負極電勢差；uNO為輸出負極三相輸入星點電勢差。

3 單神經(jīng)元自適應電壓外環(huán)

所謂“自適應”是指受控系統(tǒng)根據(jù)工作環(huán)境的變化進行自我動態(tài)調整，以獲得在新的或變化的工作環(huán)境中允許工作甚至優(yōu)化的特性和功能，對環(huán)境變化具有自我調節(jié)能力的控制系統(tǒng)稱為自適應控制系統(tǒng)。目前自適應控制系統(tǒng)在很多領域得到了廣泛應用，具有實時響應非線性系統(tǒng)變化、穩(wěn)定時間快、可實現(xiàn)控制效果最優(yōu)等優(yōu)點。

作為PID控制器的改進方案，單神經(jīng)元自適應控制器源于神經(jīng)網(wǎng)絡算法（Neural Networks Algorithm，NNA）和PID控制理論，并結合兩種理論的優(yōu)勢動態(tài)調節(jié)控制器參數(shù)KP、KI和KD數(shù)值，提升了PWM整流器控制系統(tǒng)[2]的實時動態(tài)自我調節(jié)能力?；趩紊窠?jīng)元自適應控制器的電壓外環(huán)框圖如圖2所示。

如圖2所示，單神經(jīng)元自適應控制器由神經(jīng)元獨自構成，轉換器的邏輯運算如公式（11）所示。

圖2 基于單神經(jīng)元自適應控制器的電壓外環(huán)控制框圖

式中：x1（k）、x2（k）和x3（k）為控制器的三個輸入變量；Y（k）為時刻系統(tǒng)被控制量的采樣值；X（k）為時刻系統(tǒng)被控制量的參考值；轉換器的輸入量e（k）由控制器輸入量X（k）減去控制量采樣值Y（k）得到；e（k-1）為k-1時刻的采樣值與參考值的差值；e（k-2）為k-2時刻的采樣值與參考值的差值。

自適應控制器的輸出量為u（k），u（k）的增量為Δu（k），其表達式如公式（12）所示。

式中：K為自適應控制器的增益系數(shù)；w1、w2和w3為控制器的三個權值系數(shù)；KP、KI和KD為傳統(tǒng)PID控制器的控制參數(shù)。

則u（k）表達式如公式（13）所示。

權值w1、w2和w3的計算如公式（14）所示。

權值的修正公式如公式（15）所示。

式中：ηP、ηI和ηD分別為控制器參數(shù)KP、KI和KD的響應速率。

傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)KP、KI和KD經(jīng)整定不會改變，系統(tǒng)動態(tài)響應速率過慢，難以應用于負荷特性多變的場合。使用單神經(jīng)元自適應控制器可根據(jù)公式（13）、（14）和（15）動態(tài)響應系統(tǒng)變化，實時計算出控制器整定參數(shù)KP、KI和KD，進而調節(jié)系統(tǒng)控制準確性，保障系統(tǒng)安全、可靠運行。

4 滑模變結構控制電流內(nèi)環(huán)

對電流控制內(nèi)環(huán)，滑模函數(shù)定義如公式（16）所示。

根據(jù)滑模變結構控制的穩(wěn)定性和可得到性，可得公式（17）。

式中：La、Lb、Lc為三相整流濾波電感；udc為濾波電容電壓；μx_com，x=a，b，c體現(xiàn)了滑模變結構的控制程度，可保證快速達到滑?？刂泼?，是收斂性的必要參數(shù)。

滑模變結構控制應用于電流環(huán)時，可以選擇等速趨近的方式，如公式（18）所示。

式中：x=a，bc；sign（Sx）為符號函數(shù)；kx為滑?？刂破鞯脑O計參數(shù)，其應滿足公式（19）。

根據(jù)公式（17）和公式（19），在滑模變結構控制[3]函數(shù)具備收斂性的條件下，一組橋臂的功率管只能依次開通。根據(jù)該條件，可以得到各種情況下相應的滑模變結構控制函數(shù)的開關特性。在整流過程中，為了降低功率管的導通與關斷的頻率，提高效率，一個時刻只有一個功率管導通或關斷。同時，過大的滑模趨近律進入滑模變結構控制階段時，系統(tǒng)會發(fā)生劇烈振蕩；過小的趨近律會造成系統(tǒng)響應速度過慢，進而導致系統(tǒng)的動態(tài)響應特性變差。此時可以考慮不同趨近律控制，狀態(tài)偏差較大時，選擇稍大的趨近律，縮短趨近時間，加快響應速度[4]；狀態(tài)偏差較小時，選擇稍小的趨近律或零趨近律，可以減少振蕩的發(fā)生，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。

5 仿真與結果分析

為了驗證上述關于三相PWM整流器[5]的單神經(jīng)元自適應電壓環(huán)及滑動變結構模態(tài)控制電流環(huán)的控制策略，在MATLAB/Simlink中搭建三相PWM整流器的實際仿真模型，主要包括三相PWM整流器主拓撲電路、單神經(jīng)元自適應控制電壓外環(huán)電路、滑模變結構控制電流內(nèi)環(huán)電路以及SVPWM發(fā)波調制電路等。其仿真模型如圖3所示。

圖3 新型雙閉環(huán)整流器仿真模型

仿真模型為輸入三相相電壓Van=220V，輸出電壓Vout=650V，RL=30Ω，C=3300μF，L=480μH，調 制 頻 率 為20kHz，單神經(jīng)元自適應電壓外環(huán)采樣周期為50μs。為了比較新的雙閉環(huán)控制策略和傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制策略的優(yōu)劣，基于上述條件搭建了基于PID的雙閉環(huán)控制策略。通過運行仿真模型可以得到的輸出波形如圖4所示。

圖4 兩種雙閉環(huán)仿真輸出電壓波形比較

通過上述仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，新型雙閉環(huán)控制策略的三相PWM整流器的輸出電壓更平穩(wěn)快速，可以在帶載P=14kW的情況下，在0.015s就達到額定輸出電壓；而傳統(tǒng)PID雙環(huán)控制下的三相PWM整流器需要0.15s才能達到額定輸出電壓，其響應速度和動態(tài)特性均較差，且還會出現(xiàn)電壓過沖及抖動的情況，不利于電路安全、穩(wěn)定、可靠運行。從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，新型雙閉環(huán)控制策略明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制策略，系統(tǒng)在新型雙閉環(huán)控制策略下具有良好的可靠性和靜態(tài)特性等。

6 結語

該文對基于“單神經(jīng)元自適應+滑模變結構控制”的新型雙環(huán)控制策略的三相PWM整流器進行了原理和數(shù)學建模分析，并通過仿真進行了驗證，有效解決了傳統(tǒng)PID控制策略的滯后性和穩(wěn)定性問題，并在電流環(huán)內(nèi)引入前饋解耦，實現(xiàn)了對輸入電流的有效控制。將新型雙環(huán)控制策略和PID控制策略進行比較可知新型三相PWM整流器控制策略具有更高的魯棒性、動態(tài)特性以及可靠性。