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        基于“單神經(jīng)元+滑模變”的三相PWM整流器控制策略的研究

        2022-02-22 00:38:34郭明良
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年22期
        關(guān)鍵詞:功率管整流器滑模

        郭明良 于 浩 張 明

        (黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022)

        0 引言

        在 “碳達(dá)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(yīng)用前景。使用新能源產(chǎn)品離不開電能的轉(zhuǎn)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(cè)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(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而消除系統(tǒng)中直流側(cè)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(yīng)+滑模變結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,可以輸出較寬的電壓范圍,輸入側(cè)的輸入電流具有快速響應(yīng)、功率因數(shù)高、抗干擾能力強(qiáng)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?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)通與關(guān)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(guān)斷(即a′=0);相反,a=0時,A相橋臂的上功率管關(guān)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(jié)果。由于同一橋臂上下功率管不能在同一時刻導(dǎo)通,因此三組橋臂的開關(guān)一共有8種組合,對應(yīng)的是8個開關(guān)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(guān)頻率,減少開關(guān)的開通損耗和關(guān)斷損耗,一般選擇七段式發(fā)波方式,有利于提高整機(jī)效率。

        圖1 VT 三相VSR整流器的主電路拓?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2 三相PWM整流器的數(shù)學(xué)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(guān)管損耗等值電阻RS,即R=Ra+RS,基于基爾霍夫電壓定理可構(gòu)建A相電壓方程,如公式(1)所示。

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

        當(dāng)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(yīng)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(jié)合上式,以網(wǎng)側(cè)濾波電感電流和直流側(cè)電容電壓為兩個狀態(tài)變量,搭建了三相靜止坐標(biāo)系下的PWM整流器的開關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型公式如公式(10)所示。

        式中:ea、eb、ec為交流側(cè)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(fù)載;uL為負(fù)載兩端電壓誤差值;uaN為橋臂中點到輸出負(fù)極電勢差;uNO為輸出負(fù)極三相輸入星點電勢差。

        3 單神經(jīng)元自適應(yīng)電壓外環(huán)

        所謂“自適應(yīng)”是指受控系統(tǒng)根據(jù)工作環(huán)境的變化進(jìn)行自我動態(tài)調(diào)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(diào)節(jié)能力的控制系統(tǒng)稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。目前自適應(yīng)控制系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,具有實時響應(yīng)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(jìn)方案,單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器源于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(Neural Networks Algorithm,NNA)和PID控制理論,并結(jié)合兩種理論的優(yōu)勢動態(tài)調(diào)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(diào)節(jié)能力?;趩紊窠?jīng)元自適應(yīng)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(yīng)控制器由神經(jīng)元獨自構(gòu)成,轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)控制器的輸出量為u(k),u(k)的增量為Δu(k),其表達(dá)式如公式(12)所示。

        式中:K為自適應(yīng)控制器的增益系數(shù);w1、w2和w3為控制器的三個權(quán)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(dá)式如公式(13)所示。

        權(quán)值w1、w2和w3的計算如公式(14)所示。

        權(quán)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(yīng)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(yīng)速率過慢,難以應(yīng)用于負(fù)荷特性多變的場合。使用單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器可根據(jù)公式(13)、(14)和(15)動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)變化,實時計算出控制器整定參數(shù)KP、KI和KD,進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制準(zhǔn)確性,保障系統(tǒng)安全、可靠運行。

        4 滑模變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的控制程度,可保證快速達(dá)到滑??刂泼?,是收斂性的必要參數(shù)。

        滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)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(shè)計參數(shù),其應(yīng)滿足公式(19)。

        根據(jù)公式(17)和公式(19),在滑模變結(jié)構(gòu)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(yīng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)的開關(guān)特性。在整流過程中,為了降低功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷的頻率,提高效率,一個時刻只有一個功率管導(dǎo)通或關(guān)斷。同時,過大的滑模趨近律進(jìn)入滑模變結(jié)構(gòu)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(yīng)速度過慢,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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(jié)果分析

        為了驗證上述關(guān)于三相PWM整流器[5]的單神經(jīng)元自適應(yīng)電壓環(huán)及滑動變結(jié)構(gòu)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?fù)潆娐贰紊窠?jīng)元自適應(yīng)控制電壓外環(huán)電路、滑模變結(jié)構(gòu)控制電流內(nèi)環(huán)電路以及SVPWM發(fā)波調(diào)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(diào) 制 頻 率 為20kHz,單神經(jīng)元自適應(yīng)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(dá)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(dá)到額定輸出電壓,其響應(yīng)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(jié)語

        該文對基于“單神經(jīng)元自適應(yīng)+滑模變結(jié)構(gòu)控制”的新型雙環(huán)控制策略的三相PWM整流器進(jìn)行了原理和數(shù)學(xué)建模分析,并通過仿真進(jìn)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(jìn)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。

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