何通能，安 康，逯 峰

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310032）

基于模糊PI控制的三相船用逆變電源研究

何通能，安 康，逯 峰

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310032）

為了使船用逆變電源輸出高質(zhì)量的正弦電壓，同時(shí)考慮到三相逆變器帶不平衡負(fù)載的情況，文中設(shè)計(jì)了一種基于模糊PI控制的三相電壓空間矢量控制器.該控制器通過(guò)改進(jìn)三相線電壓的正負(fù)序分量分解方法，并為模糊PI控制器設(shè)定合理的控制規(guī)則和合適的參數(shù)，使輸出電壓同時(shí)擁有穩(wěn)定，三相平衡和響應(yīng)快速的特點(diǎn).利用一臺(tái)三相逆變電源樣機(jī)對(duì)該控制器和傳統(tǒng)控制器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于模糊PI控制的三相電壓空間矢量控制器在三相負(fù)載平衡與不平衡條件下都能輸出高質(zhì)量的電壓波形曲線，并且響應(yīng)快，超調(diào)小，具有良好的帶載性能.

逆變器；三相不平衡；模糊PI控制；坐標(biāo)變換

隨著我國(guó)船舶工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種船用電子儀器和電力設(shè)備對(duì)船用交流電品質(zhì)的要求越來(lái)越苛刻.對(duì)船用交流電源的要求是能在各種惡劣條件下，輸出幅值穩(wěn)定，三相平衡，諧波含量低的高品質(zhì)交流電.傳統(tǒng)的逆變電源控制器一般采用普通PI控制算法，在面對(duì)突加突卸負(fù)載時(shí)存在反應(yīng)慢，超調(diào)大的缺點(diǎn).同時(shí)，船用逆變電源所帶的負(fù)載通常存在三相不平衡的情況，由于逆變器本身存在一定的阻抗，所以根據(jù)分壓原理，逆變電源在向不平衡負(fù)載供電時(shí)會(huì)出現(xiàn)三相不平衡的情況.以上兩種因素使得輸出交流電的質(zhì)量下降，電壓不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤Т显O(shè)備.迄今為止，人們針對(duì)三相不平衡負(fù)載和突加突卸負(fù)載的矯正措施與控制方法做了大量的研究.

針對(duì)三相不平衡的硬件矯正措施主要有：三相分裂電容式逆變拓?fù)洌?］，三相四橋臂逆變拓?fù)?，帶NFT的三相逆變拓?fù)洌?］，組合式三相逆變拓?fù)洌?］，插入△/Y0變壓器拓?fù)洌?］.三相四橋臂逆變拓?fù)渫ㄟ^(guò)控制第四個(gè)橋臂上管的占空比來(lái)減小輸出電壓的不平衡度［5］，但在一定程度上限制了載波頻率調(diào)節(jié)帶寬，不適合輸入輸出隔離的逆變器.還可以將直流母線上兩個(gè)電容的中點(diǎn)與輸出端的中性點(diǎn)相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每相電壓的獨(dú)立PI控制［6］.該方法的缺點(diǎn)是對(duì)電容的要求較高.如果不改變主電路結(jié)構(gòu)，則基于低通濾波和PI控制的傳統(tǒng)控制器無(wú)法滿足電源系統(tǒng)帶不平衡負(fù)載的要求.同時(shí)，傳統(tǒng)控制器在突加突卸負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)性能也不理想.針對(duì)這些缺陷，筆者提出了正負(fù)序控制分量的分解算法，設(shè)計(jì)了一種三相線電壓正負(fù)序旋轉(zhuǎn)模糊PI控制器.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該控制系統(tǒng)在不但適用于各種不平衡負(fù)載，還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.

1 三相三線制逆變器模型

基本的三相三線制逆變器電路主要由三相逆變橋和濾波器組成，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 逆變器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Scheme of interver circuit

濾波器一般采用三相對(duì)稱(chēng)濾波器，設(shè)濾波電感為L(zhǎng)，Cf為濾波電容，R0表示電感，阻抗和IGBT開(kāi)關(guān)管的總等效電阻.此外，根據(jù)三相逆變橋的原理，A，B，C三相線電壓矩陣如下：

式中：SA，SB，SC為逆變橋臂開(kāi)關(guān)函數(shù)，定義如下：SA，SB，SC構(gòu)成了逆變橋的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài).同一橋臂的上下臂狀態(tài)相反，各相開(kāi)始導(dǎo)電的時(shí)間依次相差120度，且同一時(shí)間有三個(gè)橋臂導(dǎo)通.通過(guò)控制三相各自的PWM占空比，在濾波器輸出端可以得到固定頻率的正弦三相電壓，且依次相差120度，線電壓與相電壓的關(guān)系如下：

2 三相電壓坐標(biāo)變換

在三相電壓對(duì)稱(chēng)的情況下，三相電壓的dq坐標(biāo)變換如圖2所示.

圖2 三相電壓DQ變換Fig.2 DQ transformation of three-phase voltage

A，B，C為三相靜止坐標(biāo)系坐標(biāo)軸，d軸與A相電壓同方向，與A軸的夾角為θ.UP為相電壓合成矢量，UL為線電壓合成矢量，UP，UL和d軸以角速度ω在坐標(biāo)系平面旋轉(zhuǎn)，UP在d軸和q軸上的映射值分別為UPd和UPq，他們的值［2］為

式中：C為Clark變換矩陣；R為Park變換矩陣，即

當(dāng)三相電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)，由式（5）可以推出，在dq同步坐標(biāo)系上，UPd和UPq為直流量，并且它們的值只與相電壓幅值V和初相角θ0有關(guān).將三相靜止坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系同時(shí)逆向旋轉(zhuǎn)30度，再用同樣的方法分析三相線電壓.可以得到：

3 對(duì)稱(chēng)分量分解方法

對(duì)于三相不平衡負(fù)載條件下的三相線電壓，由于式（6）的前提條件不再滿足，所以該式不能直接調(diào)用.根據(jù)C.L.Fortescue提出的對(duì)稱(chēng)分量法［7］，任意一個(gè)三相瞬時(shí)線電壓都可滿足：

左邊第一項(xiàng)為正序電壓分量，第二項(xiàng)為負(fù)序電壓對(duì)稱(chēng)分量，第三項(xiàng)為零序電壓分量.

3.1 線電壓的對(duì)稱(chēng)分量分析

由對(duì)稱(chēng)分量法的定義可得

將式（4）代入式（8），得

兩邊同時(shí)做dq坐標(biāo)變換，可以推出線電壓正序?qū)ΨQ(chēng)分量的d，q值與相電壓正序?qū)ΨQ(chēng)分量的d，q值滿足式（6）.對(duì)相電壓和線電壓的負(fù)序?qū)ΨQ(chēng)分量做同樣的分析，結(jié)果也滿足式（6）.

3.2 零序分量分析

由圖1可知：任何情況下，三相電流都滿足

式中：負(fù)載零序電流ILz=（ILa+ILb+ILc）/3；零序電壓Uz=（Ua+Ub+Uc）/3.由式（12）可知當(dāng)負(fù)載電流不平衡時(shí)，零序電壓不為零，g點(diǎn)電壓發(fā)生漂移，出現(xiàn)了較大的零序電壓畸變.為矯正該畸變分量，一種方法是將g和直流電壓中點(diǎn)o直接相連，為零序電流提供回路，即式（11）等號(hào)左邊不再恒為零.還有一種方法是在逆變器與負(fù)載之間插入△/Y變壓器進(jìn)行拓?fù)?如圖3所示，三相零序電流在△連接的原邊繞組內(nèi)流通，因此可以使零序電流分量對(duì)輸出電壓的影響減到最小.此外，初級(jí)繞組的△接法還能消除初級(jí)端輸出電壓的3n次諧波（n為整數(shù)），使次級(jí)繞組端輸出電壓的諧波分量變小.

圖3 △/Y變壓器拓?fù)銯ig.3 Topology of△/Y transformer

3.3 正負(fù)序分量分解算法

在正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，θ=ωt，而d，q值可以由式（5）計(jì)算得出，假設(shè)向量u=［UdUq］T，正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的u（p）由正序分量和負(fù)序分量［4］組成：

式中：（p）表示該值是正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下求得的值；up和un分別表示零時(shí)刻的正序和負(fù)序分量.式（13）的正序分量是直流量，負(fù)序分量是頻率為ω/π的交流量.為了得到正負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的直流分量，傳統(tǒng)的控制方法一般采用低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，由于三相不平衡時(shí)交流分量幅值較大，所以濾波器的截止頻率往往需要設(shè)得較低，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且該方法并不適用于小幅值的負(fù)序直流分量的分解.設(shè)計(jì)的控制器將通過(guò)改進(jìn)正負(fù)序分量的計(jì)算方法來(lái)直接得到正負(fù)序坐標(biāo)下的直流分量.

以正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為例，對(duì)u（p）做求導(dǎo)運(yùn)算，得到的結(jié)果如下：

由式（13，15）可推出：

通過(guò)上式可以直接得到正序直流分量，但因?yàn)椴蓸有盘?hào)是離散的，所以必須對(duì)上式做離散化分析.由圖4可知：正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的離散負(fù)序分量［n］滿足

如果直接利用上式對(duì)式（16）做離散化分析，推導(dǎo)過(guò)程較復(fù)雜，可以在采樣間隔時(shí)間Ts足夠小時(shí)簡(jiǎn)化等式右邊.此外，由于在該坐標(biāo)系下［n］是常量，所以由式（16，17）可以推出：

這樣得到的離散結(jié)果將不再包含交流分量.還可以用同樣的方法分析負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可得

圖4 正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的離散負(fù)序分量Fig.4 Discrete negative components in positive rotating coordinate

4 三相逆變電源的控制方法

經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，電壓正負(fù)序分量的反饋值和參考值都為直流量.閉環(huán)PI控制可以使同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正負(fù)序分量無(wú)靜差地跟蹤參考值，可有效抑制輸出電壓的基波擾動(dòng).因?yàn)檩敵鲭妷旱姆底兓饕Q于正序電壓的d值，而傳統(tǒng)PI控制器雖然可以保證控制對(duì)象的穩(wěn)定，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，筆者利用模糊控制器修正與該值相關(guān)的PI控制參數(shù)可以使系統(tǒng)的響應(yīng)加快.同時(shí)，控制系統(tǒng)還將對(duì)負(fù)序分量進(jìn)行控制，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只采用普通PI控制.圖5為逆變電源的控制框圖.

文獻(xiàn)［8］介紹了模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程，本研究采用的模糊規(guī)則如表1所示.

圖5 逆變電源控制框圖Fig.5 Scheme of inverter control

表1 KP和KI的模糊控制表Table 1 Fuzzy control table of KP and KI

表1的隸屬度函數(shù)如圖6所示.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用合眾達(dá)DSK2812開(kāi)發(fā)板與西門(mén)康公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊等器件搭建電源樣機(jī)，并選用合適的系統(tǒng)參數(shù).樣機(jī)三相輸出電壓空載或帶平衡負(fù)載時(shí)穩(wěn)定在390 V；輸出電壓角速度為ω=100π rad/s；開(kāi)關(guān)頻率fc=12 k Hz；采樣周期Ts= 0.000 1 s；濾波電容C=40μF；濾波電感L= 15 m H；PI控制參數(shù)初始值KP=2，KI=0.05.利用正負(fù)序模糊PI控制器控制電源進(jìn)行加不平衡負(fù)載與突加突卸試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖7所示.

系統(tǒng)帶不平衡負(fù)載的波形見(jiàn)圖7（a，b），前者為不進(jìn)行正負(fù)序分量分解時(shí)的三相電壓，相間出現(xiàn)了嚴(yán)重的不平衡情況，在對(duì)正負(fù)序分量分解控制后，輸出電壓如7（b）所示，相間差異較小，三相線電壓之間的最大電壓差不超過(guò)10 V，輸出不平衡度在3%以內(nèi)，滿足三相平衡的條件.所以筆者提出的控制器在對(duì)負(fù)序分量進(jìn)行分解與控制后，擁有比一般控制器更強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載的能力.由圖7（c-f）所示的突加突卸實(shí)驗(yàn)可以看出：傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在突加或突卸負(fù)載時(shí)，需要8～10個(gè)周波的調(diào)整時(shí)間，而采用模糊PI控制的控制器能很快做出響應(yīng)，電壓能在1～2個(gè)周波的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定值.實(shí)驗(yàn)證明了模糊PI控制器擁有更良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.

圖6 模糊控制器的隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership functions of Fuzzy controller

圖7 仿真運(yùn)行結(jié)果Fig.7 Results of simulation operation

6 結(jié) 論

在三相線電壓對(duì)稱(chēng)分量法分解的基礎(chǔ)上，對(duì)連續(xù)和離散條件下的正負(fù)序分量進(jìn)行了分析.并在dq正負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的模糊PI控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能在不平衡負(fù)載條件下輸出平衡、穩(wěn)定的三相電壓，并且在突加突卸負(fù)載情況下?lián)碛斜葌鹘y(tǒng)控制器更迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.

［1］ JEONG C Y，CHO J G，KANG Yong.A 100k VA power conditioner for three-phase four-wire emergency generators［C］// Power Electronics Specialists Conference.Fukuoka：IEEE，1998：30-33.

［2］ 楊宏.四橋臂三相逆變器的控制和實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

［3］ 陳道煉，李旭，張蓉，等.組合式三相高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（8）：75-79.

［4］ CAMBLONG H，VECHIU I，CUREA O.An innovative VSI controller for the generation of balanced voltage in spite of the presence of unbalanced loads［C］//Proceedings of 2007 American Control Confernce.New York：IEEE，2007：4756-4761.

［5］ 孫馳，馬偉明，魯軍勇.三相逆變器輸出電壓不平衡的產(chǎn)生機(jī)理分析及其矯正［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（21）：57-64.

［6］ 孫進(jìn)，宋聚明，盧家林，等.針對(duì)不平衡負(fù)載三相逆變電源控制方法的研究［J］.電工電能新技術(shù)，2003，22（1）：29-31.

［7］ 張斐，許建平，曹太強(qiáng).不平衡負(fù)載下三相逆變電源控制方法的研究［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2009（1）：29-32.

［8］ 李國(guó)勇.神經(jīng)模糊控制理論及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

（責(zé)任編輯：陳石平）

Research on three-phase marine inverter based on fuzzy-PI control

HE Tong-neng，AN Kang，LU Feng

（College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

In order to get high-quality sinusoidal voltage outputted by marine inverter and take into account the three-phase inverter with unbalanced load，a kind of three-phase voltage space vector controller based on fuzzy-PI control is designed in this paper.Through improving the decomposition method of positive and negative sequence components in three-phase line voltage and setting the rational control rules and appropriate parameters for fuzzy PI controller，this controller can make the the output voltage with stable，three-phase equilibrium and rapid response characteristics in the same time.A three-phase inverter power prototype is used to do comparative experiment based on this new controller and traditional controller.The experiment results show that the fuzzy PI control based on the three-phase voltage space vector controller can output the high quality voltage waveform curves in the conditions of the three-phase load balance and imbalance.It also can output voltage with fast response，small overshoot，good load performances.

inverter；three-phase unbalance；fuzzy-PI control；coordinate transformation

TM464

A

1006-4303（2013）02-0222-06

2012-02-20

浙江省重點(diǎn)科技項(xiàng)目（2007C21146）

何通能（1962-），男，浙江義烏人，副教授，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與計(jì)算機(jī)智能控制，E-mail：htn@zjut.edu.cn.