李 梅 李 嵐

（太原理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，太原 030024）

三相PWM整流器具有輸入功率因數(shù)可調(diào)及能量可以雙向流動等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于無功補(bǔ)償、有源電力濾波、高壓直流輸電及太陽能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等控制中，通常的三相PWM整流器控制方法是采用基于系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的電網(wǎng)電壓定向矢量控制。由于三相PWM 整流器本身是一個強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，很難求出其精確的數(shù)學(xué)模型，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，將不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的智能控制技術(shù)引入到三相PWM整流器控制系統(tǒng)，這是目前三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)的發(fā)展方向之一[1-2]。

本文根據(jù)三相電壓型PWM整流器的基本結(jié)構(gòu)及PWM整流器的數(shù)學(xué)模型，推出以電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法，在Matlab環(huán)境下搭建了三相PWM整流器控制系統(tǒng)仿真模型。將單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制算法引入到矢量控制系統(tǒng)電壓環(huán)中，用S函數(shù)實(shí)現(xiàn)了單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制算法，對基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制算法的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，系統(tǒng)能滿足三相PWM整流器控制要求；與基于普通PI控制算法的系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，證明基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制算法的系統(tǒng)具有較好的動態(tài)跟隨性和抗擾性。

1 三相電壓型PWM整流器控制方法

三相電壓型 PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括三相交流電壓源、交流側(cè)濾波電感、全控開關(guān)器件和直流側(cè)電解電容。

圖1 三相電壓型PWM整流器主電路

針對數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，通常作如下假設(shè)[3]：

1）三相電網(wǎng)電壓為理想電壓源；

2）交流側(cè)電感為線性且不考慮飽和的影響；

3）功率開關(guān)管的損耗以理想電阻來表示；

4）為描述能量的雙向傳輸，負(fù)載可用有源負(fù)載。

1.1 三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

在理想情況下，根據(jù)基爾霍夫定律可得三相電壓型PWM整流器的微分方程

1.2 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換到以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系下，可以得到電壓型PWM整流器在d,q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

根據(jù) PWM 整流器在同步旋轉(zhuǎn)(d,q)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，式（2）中的輸入電流滿足下式

設(shè)PWM整流器交流側(cè)電壓

則式（3）可寫為

因此得三相PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。其中，電壓外環(huán)的作用主要是控制三相PWM

圖2 三相PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

整流器直流側(cè)電壓，而電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。為簡化控制算法，采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制。

2 單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器的構(gòu)成及學(xué)習(xí)算法

單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器

單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能，而加權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，它與神經(jīng)元的輸入、輸出和輸出偏差三者的相關(guān)函數(shù)有關(guān)，即

式中，z (k)為輸出誤差信號，z(k)=yr(k)-y(k)；η為學(xué)習(xí)速率，0η＞；c為常數(shù)，0c＞。

為保證上述單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制學(xué)習(xí)算法式（11）的收斂性和魯棒性，對上述學(xué)習(xí)算法進(jìn)行規(guī)范化處理后有

對比例（P）、積分（I）可以分別采用不同的學(xué)習(xí)速率ηP，ηI以便對它們各自的權(quán)系數(shù)能根據(jù)需要分別進(jìn)行調(diào)整，其取值由仿真與實(shí)驗(yàn)確定。

3 三相PWM整流器控制系統(tǒng)建模

將基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器取代圖2所示系統(tǒng)電壓環(huán)的常規(guī)PI控制器，利用 Matlab軟件中Simulink模塊搭建基于單神經(jīng)元 PI控制器的三相PWM整流器控制系統(tǒng)。

3.1 神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器仿真模型的建立

由于單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器不能直接用傳遞函數(shù)加以描述，若簡單地應(yīng)用Simulink將無法對其進(jìn)行仿真，在此引入了S函數(shù)。

S函數(shù)所包含的信息可用以下調(diào)用格式進(jìn)行查看

其中，t、x、u為當(dāng)前時間、狀態(tài)向量與輸入向量；flag為返回變量標(biāo)志，控制返回變量的信息。

基于有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則[4]的神經(jīng)元PI控制器的S函數(shù)為

編寫S函數(shù)后，就可以建立其Simulink仿真模型，其步驟是：①輸入函數(shù)變量名及參數(shù)變量名。單擊Simulink模型庫中非線性環(huán)（Nonlinear）的S-Function模塊，并拖動到所打開的模型窗口上，雙擊S-Function模塊，按照相關(guān)的提示輸入函數(shù)變量名和參數(shù)變量名；②創(chuàng)建子系統(tǒng)（Create subsystem）；③屏蔽子系統(tǒng)（Mask subsystem）。在屏蔽子系統(tǒng)的對話框中按照提示輸入?yún)?shù)變量。當(dāng)該模塊被屏蔽后，雙擊該模塊就會出現(xiàn)參數(shù)輸入對話框，雙擊該模塊，同樣也可以對輸入?yún)?shù)進(jìn)行修改。單神經(jīng)元PI控制器模型如圖4所示。

圖4 單神經(jīng)元自適應(yīng)PI仿真模型

3.2 三相PWM整流器系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)圖2所示三相PWM整流器控制系統(tǒng)工作原理，建立基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PI控制器的整流器控制系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 三相PWM整流器系統(tǒng)仿真模型

其仿真參數(shù)為：輸入相電壓的峰值U= 1 00V；濾波電感L= 7 mH；輸入等效電阻R= 0 .3Ω；直流側(cè)電容C= 4 700μF；PWM開關(guān)頻率為10kHz。

4 仿真結(jié)果

基于仿真模型，設(shè)定仿真時間為2s，對三相PWM整流器整流工作狀態(tài)、逆變工作狀態(tài)及工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了仿真。

當(dāng)直流側(cè)電壓給定 Udc?取270V、交流側(cè)q軸電流給定iq?取0A，純電阻負(fù)載，t=0.5s時直流電壓給定由270V變?yōu)?20V；t=1.0s時負(fù)載發(fā)生突變（由30Ω變?yōu)?2.5Ω）；t=1.5s時，負(fù)載由純電阻性質(zhì)變?yōu)榉措妱菪再|(zhì)（反電勢值設(shè)定為500V），三相PWM整流器系統(tǒng)交流側(cè)相電壓、相電流仿真結(jié)果如圖6所示，其交流側(cè)相電流有功分量和無功分量仿真結(jié)果如圖7所示，直流電壓仿真結(jié)果如圖8（實(shí)線）所示。

圖6 相電壓、相電流仿真波形

圖7 電流有功分量和無功分量仿真波形

圖8 直流電壓仿真波形

根據(jù)仿真結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）三相PWM整流器在整流工作狀態(tài)時，相電壓、電流相位相同。且當(dāng)直流電壓給定或電阻性負(fù)載突變時，電流有功分量能很好地跟隨直流電壓給定或負(fù)載的變化而變化。

2）當(dāng)三相PWM整流器整流狀態(tài)向逆變狀態(tài)切換時，經(jīng)過很短時間的調(diào)節(jié)后，相電壓、電流由相位相同變?yōu)橄辔幌喾?，整流器由單位功率因?shù)整流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)，系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動。

3）與常規(guī)的PI控制器相比較（特性如圖8虛線所示），基于單神經(jīng)元PI控制器的三相PWM整流器系統(tǒng)超調(diào)量較小，快速性及跟隨性較好。

5 結(jié)論

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，能夠體現(xiàn)復(fù)雜的映射關(guān)系，其輸入、輸出之間的非線性關(guān)系隱含在網(wǎng)絡(luò)本身，這樣可以避免求數(shù)學(xué)模型的困難。三相PWM 整流器本身屬于非線性系統(tǒng)，且對系統(tǒng)控制的實(shí)時性要求較高。將單神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI自適應(yīng)控制運(yùn)用于三相 PWM整流器控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，仿真結(jié)果表明，基于單神經(jīng)元PI自適應(yīng)的三相PWM整流器控制系統(tǒng)算法能夠適應(yīng)環(huán)境的變化、有較強(qiáng)的魯棒性及動態(tài)性能，不需要對被控對象進(jìn)行精確的辨識，是提高三相PWM整流器控制精度的一種有效方法。

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