樊波，倪磊，牛天林，趙廣勝

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

基于SVPWM的軍用儲(chǔ)能電源雙閉環(huán)模糊控制

樊波，倪磊，牛天林，趙廣勝

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

傳統(tǒng)整流器的接入會(huì)給電網(wǎng)帶來大量諧波和無功污染，為了削減電網(wǎng)側(cè)的電壓諧波分量，提高軍用儲(chǔ)能電源充電系統(tǒng)的功率因數(shù)，提出一種基于空間電壓矢量PWM的新型閉環(huán)控制方法。在建立三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了儲(chǔ)能電源整流環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，引用模糊邏輯對(duì)雙閉環(huán)控制方法進(jìn)行改進(jìn)，利用模糊比例積分（PI）控制算法設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性，采用雙閉環(huán)模糊PI控制的PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，保證輸出的直流電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

儲(chǔ)能電源，整流，模糊PI算法，雙閉環(huán)控制

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，儲(chǔ)能電源以其能夠平抑功率波動(dòng)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的特點(diǎn)在生產(chǎn)生活和國防工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。儲(chǔ)能電源整流充電裝置的接入不可避免地會(huì)給供電電網(wǎng)帶來高次諧波污染，降低功率因數(shù)。安全、可靠的軍用供電電源對(duì)部隊(duì)作戰(zhàn)、訓(xùn)練和日常值班具有重要意義，近年來學(xué)者們針對(duì)整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法作了很多研究，相關(guān)的拓展應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。

整流器交流控制效果直接影響軍用儲(chǔ)能電源充電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，傳統(tǒng)的控制策略會(huì)給電路帶來大量的諧波，網(wǎng)側(cè)電流不能很好地跟蹤交流電壓波形，不能滿足作戰(zhàn)需求。本文提出改進(jìn)的雙閉環(huán)控制方法，在同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立基于空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）儲(chǔ)能電源的三相電壓型整流電路模型，將模糊控制算法［1-2］引入整流的閉環(huán)控制中，削減了輸出電壓諧波，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，有效地改善了軍用儲(chǔ)能電源輸出電壓的質(zhì)量，仿真實(shí)驗(yàn)論證了提出的儲(chǔ)能電源整流控制方法的可行性。

1 VSR模型和控制策略

1.1 三相VSR數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)能電源系統(tǒng)電能變換控制的核心是三相電壓型PWM整流器［3-4］（Voltage Source rectifier，VSR），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路由交流回路、開關(guān)器件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、整流橋及直流回路組成。整流器通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，具有電壓諧波含量小、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控、四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［5］。

圖1 三相電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將三相VSR各相中上下橋臂的功率開關(guān)器件IGBT看作是理想開關(guān)，按a、b、c相序定義各相的通斷狀態(tài)為Sa、Sb、Sc，并定義函數(shù)Si（i=a，b，c）為：

根據(jù)基爾霍夫定律，三相VSR在a，b，c三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為：

將式（2）變換為兩相同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下的狀態(tài)方程為：

其中，ed、eq和id、iq分別是電網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢(shì)和電流的d、q分量；vd、vq為整流橋在dq坐標(biāo)系下的輸入電壓；ω為角頻率。

1.2 雙閉環(huán)控制策略

雙閉環(huán)控制被廣泛地應(yīng)用于三相VSR中，即通過控制電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)穩(wěn)定輸出直流電壓，使交流側(cè)電流實(shí)時(shí)地跟蹤輸入側(cè)電壓波形相位，從而達(dá)到提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和改善電流波形的目的。

1.2.1 電流控制

由VSR數(shù)學(xué)模型可以看出，三相電壓型整流器交流側(cè)dq變量相互耦合，給控制器設(shè)計(jì)造成了一定的困難，為此可以采用前饋解耦控制策略解決。當(dāng)電流閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，vd、vq的控制方程如下：

式中，Kp為電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)參數(shù)；KI為積分環(huán)節(jié)參數(shù)；為電流指令值。

基于前饋算法使三相電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)了解耦控制，雙閉環(huán)SVPWM三相電壓型整流器控制原理框圖如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)SVPWM三相VSR原理框圖

根據(jù)dq坐標(biāo)系的物理意義可知，當(dāng)q軸上的電壓分量eq等于或接近于0，整流器在單位功率因數(shù)工作，由此可得：

在設(shè)計(jì)控制器時(shí)需要考慮電流內(nèi)環(huán)的全部環(huán)節(jié)，其中包括電參量采樣環(huán)節(jié)和PWM波形調(diào)制環(huán)節(jié)，它們均可視為小慣性環(huán)節(jié)，結(jié)合雙閉環(huán)控制原理，將系統(tǒng)中的所有的慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行簡化可得d軸上的電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如下頁圖3所示。

本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)以快速性作為重點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)象，所以應(yīng)將其校正為典型I型系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)校正目的，必須將L/R這個(gè)環(huán)節(jié)抵消掉［6］，通過PI校正之后，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)開環(huán)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

圖3 電流控制環(huán)

1.2.2 電壓控制

電壓調(diào)節(jié)器將直流反饋電壓與參考電壓的偏差作為輸入，調(diào)節(jié)器的電壓指令值U*可以由三相VSR空間電壓矢量Uk（k=0～7）合成，引入傳統(tǒng)PI控制設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖4所示［7］：

圖4 電壓控制環(huán)

2 電流內(nèi)環(huán)模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制理論

隨著電源變換器的不斷成熟和發(fā)展，電壓型整流器出現(xiàn)了諸多新型控制方法。常規(guī)的PID控制一般適用于小滯后的系統(tǒng)，這種控制方法不能很好地解決被控對(duì)象靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)性能之間的沖突，也不能有效解決設(shè)定值與抑制擾動(dòng)之間的矛盾，因此系統(tǒng)的控制效果并不理想。

模糊控制不要求被控系統(tǒng)具有精確的數(shù)學(xué)模型，可以解決常規(guī)的PID控制難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜問題。模糊控制系統(tǒng)主要包括4個(gè)部分：模糊控制器、輸入/輸出接口電路、被控對(duì)象以及檢測(cè)裝置，控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其主要由變量模糊化、模糊規(guī)則庫、模糊推理以及解模糊環(huán)節(jié)等組成［8］。模糊控制系統(tǒng)的一般工作原理為：通過檢測(cè)采樣裝置的采樣量得到被控對(duì)象的輸出，并與給定參考值進(jìn)行比較得到系統(tǒng)的輸入量；模糊控制器將通過輸入接口電路的輸入量進(jìn)行模糊化處理，經(jīng)過模糊推理后得到控制模糊量，并對(duì)控制模糊量進(jìn)行解模糊化處理得到精確的控制量；輸出接口電路將控制量送至執(zhí)行器，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

圖5 模糊控制器的原理框圖

模糊控制算法可概括為以下4個(gè)步驟：

①根據(jù)采樣樣本得到系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量；

②將輸入變量的精確值轉(zhuǎn)化模糊量；

③根據(jù)輸入變量及模糊控制規(guī)則，按模糊邏輯推理合成規(guī)則計(jì)算控制量；

④由上述得到的控制量（模糊量）計(jì)算精確的控制量。

2.2 PI模糊控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)存在抗干擾能力差、參數(shù)整定困難、時(shí)變控制不確定等不足，當(dāng)儲(chǔ)能電源工作時(shí)，由于負(fù)載變化、輸出電壓波動(dòng)大和外界環(huán)境干擾等因素，其控制性能可能會(huì)變差，控制器參數(shù)辨識(shí)的整定方法不一定有效。模糊控制系統(tǒng)具有魯棒性強(qiáng)、抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于解決非線性、時(shí)變控制復(fù)雜問題，本文利用模糊規(guī)則對(duì)PI控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流內(nèi)環(huán)參數(shù)Kp和KI自適應(yīng)調(diào)整，從而使得難以被建模的被控對(duì)象獲得更優(yōu)的控制結(jié)果。模糊PI控制器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：

圖6 模糊PI控制器的原理框圖

系統(tǒng)采用二維模糊控制，選取e和ec作為控制器的輸入量，其中e為誤差信號(hào)，ec為誤差變化率，先對(duì)其進(jìn)行模糊化處理，變成模糊量E、EC，再經(jīng)模糊推理算法得到模糊輸出量，解模糊化后得到精確值ΔKp和ΔKI?；谀：齈I控制的原理結(jié)構(gòu)框圖，采用Mamdani提出的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，首先對(duì)提出的論域進(jìn)行模糊化，設(shè)定e、ec的基本論域?yàn)椋?3 3］，并將輸入輸出量的論域離散為7個(gè)等級(jí)，e和ec分別在正反兩個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)模糊子集為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，分別對(duì)應(yīng)于［負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大］。

表1 ΔKp的模糊控制規(guī)則表

表2 ΔKI的模糊控制規(guī)則表

3 仿真結(jié)果

在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建儲(chǔ)能電源三相VSR控制模型，其中交流輸入電壓為380 V，網(wǎng)側(cè)濾波電感L為3 mH，輸入等效阻尼電阻R為0.5 Ω；直流側(cè)電壓指令值為650 V，負(fù)載電阻為20 Ω，功率為19 KW，開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率為20 kHz。設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電源整流模糊PI控制模塊，采用S函數(shù)與SIMULINK模塊相結(jié)合的方式對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為1 s，得到仿真結(jié)果如圖7，圖8所示，其中，圖7為整流運(yùn)行時(shí)三相VSR的交流電壓電流仿真波形，圖8為整流器負(fù)載在0.2 s時(shí)突變到40 Ω時(shí)直流側(cè)母線電壓的仿真波形。

圖7 三相VSR交流電壓電流波形

圖8 突加負(fù)載情況下直流電壓輸出波形

由仿真結(jié)果可以看出，基于SVPWM的三相VSR具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用雙閉環(huán)模糊PI控制的PWM整流器交流側(cè)電流能夠很好地跟蹤輸入側(cè)電壓波形相位，魯棒性能好。在0.2 s負(fù)載突增時(shí)，在模糊PI控制器的調(diào)節(jié)下，直流側(cè)母線電壓抖動(dòng)幅度較小，并能0.1 s內(nèi)穩(wěn)定在電壓給定值650 V，改善了被控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。

4 結(jié)論

本文將模糊控制理論引入儲(chǔ)能電源電流閉環(huán)PI控制器的設(shè)計(jì)中，方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)PI控制器抗干擾能力弱、魯棒性能差、自適應(yīng)能力有限的難題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠在單位功率因數(shù)運(yùn)行，在突變負(fù)載情況下具有很強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力，輸出超調(diào)量小，控制量平穩(wěn)，能夠較好地改善儲(chǔ)能電源整流輸出的電能質(zhì)量，驗(yàn)證了模糊PI的雙閉環(huán)控制方法應(yīng)用在儲(chǔ)能電源三相VSR復(fù)雜非線性控制系統(tǒng)的可行性和有效性。

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Research on Control Strategy for Military Energy Storage System Rectifier Based on SVPWM Double-close-loop Fuzzy Control

FAN Bo，NI Lei，NIU Tian-lin，ZHAO Guang-sheng
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The traditional rectifier will bring a lot of harmonics and reactive contamination to the power grid，in order to reduce the voltage harmonic component side of the grid，improve the power factor of the military power charging energy storage system，this paper proposes a new control strategy based on the closed-loop space vector PWM control methods.On the basis of the establishment of the three-phase voltage type PWM rectifier mathematical model，the double-close-loop control structure of the battery energy storage system rectifier links is analysed，optimized fuzzy double-close-loop control method is designed for the fuzzy PI current loop control algorithm，which can optimize and adjusts the parameters of the system，and the effectiveness of the proposed method is validated by simulation.The simulation result showed that the use of double-close-loop fuzzy PI control PWM rectifier can achieve unity power factor operation，the output DC voltage is stable，the quality of anti-interference was enhanced，and it also can ensure good dynamic response.

energy storage system，rectifier，fuzzy PI algorithm，double-close-loop control

TM464

A

1002-0640（2017）02-0168-04

2016-01-05

2016-02-18

樊波（1965-），男，山西洪洞人，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：軍用電源關(guān)鍵技術(shù)。