三相電壓型PWM整流器的模糊PI控制策略研究

1、三相電壓型PWM整流器的模糊PI控制策略研究1  引言   電力系統(tǒng)中諧波和無功問題越來越嚴(yán)重，諧波抑制和無功補(bǔ)償技術(shù)變得十分重要。在諧波抑制和無功補(bǔ)償技術(shù)中，PWM整流技術(shù)是一種積極而有效的方法，它具有電流輸入近似正弦，功率因數(shù)可控，能量可雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)檫@種種優(yōu)點(diǎn)，三相PWM整流器得到越來越廣泛的應(yīng)用1。   目前在工業(yè)應(yīng)用中，三相PWM整流器普遍采用雙閉環(huán)PI控制策略。PI控制器由于其設(shè)計(jì)簡單，而得到廣泛的應(yīng)用。但是該控制器主要適合于單輸入單輸出的一階或二階系統(tǒng)。而三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多輸入多輸出強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，因此PI

2、控制器難以實(shí)現(xiàn)高性能的控制要求。國內(nèi)外諸多文獻(xiàn)先后提出無差拍控制，模糊控制，內(nèi)模控制，自適應(yīng)控制，魯棒控制等多種控制策略應(yīng)用于三相PWM整流器中2。   本文根據(jù)三相PWM整流器的特點(diǎn)，采用模糊控制和經(jīng)典的PI控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了模糊PI控制器，電壓外環(huán)采用模糊PI控制提高動(dòng)態(tài)抗擾性能，電流內(nèi)環(huán)采用PI解耦控制提高跟隨性能。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性和可靠性。                 

3、0;                                             圖1 三相PWM整流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2  三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

4、   三相PWM整流器的基本原理是通過控制整流橋臂上各功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電路的輸入電流近似正弦，并且使其與輸入電壓同相位。當(dāng)整流器的功率因數(shù)近似為1時(shí)，可稱為單位功率因數(shù)整流器1 (Unity Power Factor Rectifier。將PWM技術(shù)引入整流器，可獲得單位功率因數(shù)和非常接近正弦的輸入電流。   圖1為三相PWM整流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1中，主電路采用IGBT與二極管反并聯(lián)的方式，ea，eb，ec為電源電動(dòng)勢(shì)；L為電抗器等效電感；R為電抗器等效電阻；C為直流側(cè)電容，RL為等效負(fù)載電阻。在dq軸中，三相PWM整流器數(shù)學(xué)模型為： 

5、;       式(1中，Udc為輸出直流電壓；id，iq分別為d，q軸電流。                                        &

6、#160;                   圖2 模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3  模糊PI控制器設(shè)計(jì)   傳統(tǒng)的PI控制器由于其參數(shù)固定，在控制系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)遇有參數(shù)變化和擾動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能下降。模糊控制器是以模糊集合、模糊語言變量和模糊規(guī)則推理為基礎(chǔ)的智能控制方法，模糊控制器一般以系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec作為輸入語句變量，根據(jù)e和ec的大小和模糊規(guī)則推理決定輸出u的大小，從而

7、具有一定的參數(shù)在線調(diào)整能力3。本文就是利用模糊控制器的這個(gè)特點(diǎn)來在線整定PI調(diào)節(jié)器的Kp、Ki，從而使控制系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)具有較高的抗擾能力和一定的自適應(yīng)能力。基于模糊PI的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。                                  

8、;                       圖3 輸入輸出變量隸屬度函數(shù)曲線3.1變量隸屬度函數(shù)的確定   模糊控制器采用兩輸入三輸出的形式，以e和ec為輸入語言變量，kp和ki為輸出語言變量。輸入語言變量的語言值均取為“負(fù)大”(NB、“負(fù)中”(NM、“負(fù)小”(NS、“零”(ZO、“正小”(PS、“正中”(PM、“正大”(PB7種；輸出語言變量的語言值均

9、取為“負(fù)大”(NB、“負(fù)中”(NM、“負(fù)小”(NS、“零”(ZO 、“正小”(PS、“正中”(PM、“正大”(PB7種。將偏差量e和偏差變化率ec及其輸出量kp和ki量化到(-1，1的區(qū)域內(nèi)，隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示。3.2模糊控制規(guī)則根據(jù)人工操作調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則可以用語言表示如下4：  (1當(dāng)誤差e較大時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值較大，不論誤差的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)該考慮控制器的kp取較大值，以提高響應(yīng)的快速性；而為防止ec瞬時(shí)過大控制超調(diào)，ki應(yīng)該取值很小。  (2當(dāng)誤差e在中等大小時(shí)，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)，應(yīng)減小kp，ki值應(yīng)增大。  (3當(dāng)誤差e和ec較

10、小時(shí)，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，同時(shí)為避免產(chǎn)生振蕩，應(yīng)加大kp、ki的取值。把這些語言控制規(guī)則用表1、表2表示出來。                                        

11、                                  表1 kp模糊控制規(guī)則                

12、0;                                    表2 ki模糊控制規(guī)則    在表1和表2中，每一行和每一列的交叉點(diǎn)都是一條模糊控制規(guī)則“if Ai and Bi，then Cij、Dij”(其中Ai，

13、Bj，Cij，Dij分別表示e，ec，kp和ki的對(duì)應(yīng)語言值。3.3模糊推理與去模糊化   模糊推理采用Mamdani推理方法5。模糊量需要轉(zhuǎn)換為精確量才可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量的過程稱為去模糊化(Defuzzification，或稱為模糊判決5。為了獲得準(zhǔn)確的控制量，就要求模糊方法能夠很好地輸出隸屬度函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。本文采用“重心法”，也即“加權(quán)平均法”。該法針對(duì)論域中的每個(gè)元素xi(i=1,2，n，以它作為待判決輸出模糊集合的隸屬度u(i的加權(quán)系數(shù)，即取乘積xi×u(i，再計(jì)算該乘積和對(duì)于隸屬度和的平均值x0，即平均值x0便是應(yīng)用加權(quán)平均法為模

14、糊集合求得的判決結(jié)果。最后，用輸出量化因子乘以x0以適應(yīng)控制要求,從而可得控制量的實(shí)際值。                                           &#

15、160;                 圖4 啟動(dòng)母線電壓響應(yīng)波形4  仿真結(jié)果及分析   本文所設(shè)計(jì)的控制器在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如下：三相電壓源線電壓有效值180V，三相電壓源頻率50Hz，網(wǎng)側(cè)電抗器1.5mH，直流側(cè)穩(wěn)壓電容2000uF。為了與其他控制器相比較，仿真是分別采用了PI控制，模糊控制和模糊PI控制。啟動(dòng)電壓響應(yīng)曲線如圖4所示。  

16、 圖5為負(fù)載突變時(shí)，直流母線電壓響應(yīng)波形。圖6為負(fù)載突變時(shí)，A相電壓，電流響應(yīng)波形。直流母線電壓給定值為400V。初始時(shí)，負(fù)載電阻為24，直流母線電壓穩(wěn)定，A相電流正弦，系統(tǒng)功率因數(shù)幾乎為1。系統(tǒng)運(yùn)行到0.35s時(shí)，負(fù)載電阻突變?yōu)?6，在0.5秒時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載電阻突變?yōu)?4。在負(fù)載切換過渡過程中，電流保持正弦，未發(fā)生震蕩現(xiàn)象，并保持單位功率因數(shù)。   從圖4圖5中可以看出，模糊PI控制具有很好的抗干擾能力，穩(wěn)態(tài)無靜差。解決了單一調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)間與超調(diào)的矛盾，動(dòng)靜太性能均優(yōu)于單一調(diào)節(jié)器。        

17、;                                                   圖5

18、負(fù)載突變母線電壓響應(yīng)波形5  結(jié)束語   模糊控制把人們的控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制策略，使用語言方法，可以不需要掌握精確的數(shù)學(xué)模型，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的PI控制。三相PWM整流器是一個(gè)非線性的系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型存在著多變量強(qiáng)耦合難以精確把握，所以采用模糊控制是個(gè)很好的選擇。但是模糊控制在控制策略上存在一個(gè)很大的弊端就是存在穩(wěn)態(tài)靜差，對(duì)于恒值系統(tǒng)的內(nèi)外部干擾基本無抵抗能力。所以本文采用模糊PI控制，把兩種控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，很好的解決了響應(yīng)時(shí)間與超調(diào)的矛盾，系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能良好，并且保證了系統(tǒng)抗干擾能力。