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(上海電力學院，上海 200090 )

雙閉環(huán)控制PWM變流器動態(tài)響應性能優(yōu)化研究

余成元，李東東

(上海電力學院，上海 200090 )

針對雙饋風力發(fā)電機(DFIG)變流器直流母線電壓穩(wěn)定問題，給出了采用傳統(tǒng)控制策略的變流器數(shù)學模型，并以此為基礎(chǔ)提出了一種新型控制方法。即將直流母線電壓變化率引入在線模糊修正PID參數(shù)的自整定控制策略中，同時在電流內(nèi)環(huán)控制中加入了前饋補償機制。最后，在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明采用新型控制方法的變流器比采用傳統(tǒng)控制策略的變流器進一步改善了變流器直流母線電壓的動態(tài)響應特性。

雙閉環(huán);模糊PI控制;動態(tài)響應;變流器

1 引言

基于傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制的三相PWM變流器現(xiàn)如今被廣泛的使用在各類領(lǐng)域，但是隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)ψ兞髌骺刂菩阅芤蟮牟粩嗵岣?，傳統(tǒng)控制方式下的變流器動態(tài)響應需要改進。在此前提下，本文結(jié)合傳統(tǒng)控制方式，提出了改進型控制策略，即在電流內(nèi)環(huán)引入前饋控制量，在電壓外環(huán)引入模糊控制策略，以此減小擾動影響，提高變流器的動態(tài)響應效果。接著在MATLAB/simulink中搭建仿真模型，通過將傳統(tǒng)變流器與新型變流器的仿真結(jié)果進行比較可知，該新型控制策略對直流母線電壓擾動具有一定的預判能力，控制效果有明顯改善。且此方法易于實現(xiàn)，不需要添加額外的硬件成本，具有良好的工程應用前景。

2 變流器數(shù)學模型

2.1網(wǎng)側(cè)變流器模型

網(wǎng)側(cè)變流器可以看作一個PWM整流器，其主電路如圖1所示。圖中ea，eb，ec分別為電網(wǎng)a，b，c三相電壓；ia，ib，ic分別為PWM變流器的交流側(cè)a，b，c三相電流；lf為PWM變流器交流側(cè)濾波電感；Qi，Di(i=1，2，3，4，5，6)分別表示功率器件及其續(xù)流二極管；Cf為直流側(cè)濾波電容；Vd為直流電壓；id為主電路開關(guān)直流輸出電流：iload為直流側(cè)負載電流。

假設(shè)圖1所示PWM變流器的功率器件為理想開關(guān)器件，交流濾波電感l(wèi)f是線性的，并且假定網(wǎng)側(cè)電動勢為三相平穩(wěn)的純正弦波電動勢。根據(jù)圖2所示的PWM變流器拓撲結(jié)構(gòu)，建立其回路電壓方程為

圖1 三相PWM變流器主電路

(1)

其中，VaN、VbN、VcN為橋臂電壓，VN0為負母線與電網(wǎng)中性點之間的電壓，Rf為交流側(cè)濾波電感等效串連電阻。對理想功率器件構(gòu)成的三相橋路，可采用開關(guān)函數(shù)來描述其開關(guān)的動作，定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)k為

(2)

因此，橋臂電壓VaN、VbN、VcN可表示成

VkN=skvdc

(3)

由(1)(2)和(3)可得

(4)

上述過程就是以開關(guān)函數(shù)的形式對PWM變流器的數(shù)學模型進行描述，該方法能夠較為準確的描述PWM變流器的實際工作狀況，比較適合用于在Matlab仿真。再應用坐標變換原理可將式(4)寫成d、q坐標系下的PWM變流器的數(shù)學模型，即：

(5)

2.2轉(zhuǎn)子變流器

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的結(jié)構(gòu)與網(wǎng)側(cè)變流器的結(jié)構(gòu)完全一致，其區(qū)別就在于控制方式的不同，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的主要功能是在轉(zhuǎn)子側(cè)實現(xiàn)雙饋發(fā)電機的矢量控制，確保有功和無功功率的獨立調(diào)節(jié)：根據(jù)風速的變化，實現(xiàn)最大風能捕獲運行。在這個過程中，雙饋發(fā)電機是控制對象，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器是控制指令的執(zhí)行者。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制方案應以控制對象雙饋發(fā)電機的運行特性來制定。

為方便計算，在此忽略發(fā)電機定子繞組電阻，而且在穩(wěn)定情況下，磁鏈基本恒定，即，并且將旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸定向在定子磁鏈方向，即令，此時有如下關(guān)系式[1]：

(6)

式中，Ls和Lr分別為轉(zhuǎn)子和定子電感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；idr、iqr分別為d、q軸轉(zhuǎn)子電流；以為定子電壓幅值：ψds、ψqs分別為d、q軸定子磁鏈；ψs為定子磁鏈幅值：ω1為同步角頻率；Pn為極對數(shù)。

由此可得出下列各式

(7)

式中，Rr為轉(zhuǎn)子繞組等效電阻；Udr、Uqr分別為d、q軸轉(zhuǎn)子電壓；ω1、ωr分別為同步角頻率和轉(zhuǎn)子角頻率。

3 基于電流前饋補償和電壓模糊控制的系統(tǒng)設(shè)計

3.1電流環(huán)設(shè)計

變流器電流環(huán)的控制設(shè)計中采用解耦方式，由于兩個電流環(huán)是對稱的，因此新型電流控制器的設(shè)計只需要在id電流環(huán)側(cè)加以討論[2]。相較于使用典型I型控制的傳統(tǒng)電流控制策略，新型電流環(huán)引入了電壓前饋補償以及電流狀態(tài)反饋的控制策略。這使得變流器具有較好的跟隨特性與出色的抗干擾能力。改進后的電流內(nèi)環(huán)控制原理圖如圖2所示。

圖2 電流內(nèi)環(huán)復合控制原理圖

3.2電壓環(huán)設(shè)計

電壓外環(huán)控制的目的就是讓變流器直流側(cè)的直流電壓穩(wěn)定。在傳統(tǒng)的電壓外環(huán)控制中PI參數(shù)是固定的，所以變流器無法同時具有快速以及穩(wěn)定的動態(tài)響應特性。為了改善其動態(tài)響應特性，模糊控制被引入控制系統(tǒng)中。通過測量輸出電壓與設(shè)定電壓之間的偏差，實時修改PI參數(shù)[3]。當偏差較大時，比例常數(shù)將會在控制系統(tǒng)中起一個重要的作用，改善變流器的快速響應特性。相反的，當偏差較小的時候積分常數(shù)會起一個重要作用，使得變流器具有較好的穩(wěn)態(tài)特性[4]。與此同時，電壓偏差的變化率也會被納入PI參數(shù)修改的參考中。這樣可以使得整個變流器具有更好的抗干擾能力。通過綜合考慮以上因素，PI自適應模糊控制原理圖可以被設(shè)計如圖3所示。

圖3 電壓外環(huán)PI自適應模糊控制原理圖

輸出、的論域分別是{0，0.1，0.2,0.3}，{0,0.05,0.1,0.15},即在偏差E較大時，有比例環(huán)節(jié)發(fā)揮主要作用，適當?shù)脑龃蟊壤禂?shù)，提高控制系統(tǒng)的響應速度。E較小時，由積分環(huán)節(jié)發(fā)揮主要作用，適當?shù)脑龃蠓e分系數(shù)，可以減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。該模糊控制采用三角形和梯形隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方法，推理機制為Mamdani方式，解模糊采用常用的重心法。Δkp和Δki的模糊推理規(guī)則分別如表1和表2所示。

4 仿真分析

設(shè)置三相線電壓為220V，頻率為50Hz；交流側(cè)電感值L=0.005H，電阻值R=0.05；直流側(cè)電阻=60。在Matlab中建立三相變流器仿真模型。如圖4所示。仿真中采樣頻率設(shè)置為10kHz。

表1 Δkp的模糊規(guī)則

表2 Δki的模糊規(guī)則

圖4 變流器仿真模型

電壓外環(huán)控制回路仿真框圖如圖5所示,在圖5中，Ud是直流電容上的電壓值。Step1模塊輸出電壓值記作，它表示變流器的目標輸出電壓。其初始值設(shè)定為650V，如果要對直流電容電壓的階躍響應效果進行仿真，就可以設(shè)定在仿真開始后的某個時刻改變其值。圖中Fuzzy Control模塊的作用對PI參數(shù)進行模糊自適應控制。模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

為了研究外部擾動對變流器直流母線電壓的影響，可設(shè)置仿真條件如下：在仿真開始時設(shè)置變流器直流側(cè)輸出目標電壓為650V，并且在0.8s時變?yōu)榫W(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓從1P.U跌落至0.7P.U。分別觀察在傳統(tǒng)控制模式下(如圖7(a)所示)與改進模式下(如圖7(b)所示)變流器直流電容電壓的動態(tài)響應特性。由仿真波形可見，傳統(tǒng)的變流器在0.8s發(fā)生外部擾動后，使用了約0.1s才再次進入穩(wěn)定狀態(tài)，且電壓超調(diào)量大。而改進后的變流器在相同的條件下只花費了約0.05s就進入了新的穩(wěn)定狀態(tài)，同時超調(diào)量也相應減小了。

圖5 帶模糊自適應PI調(diào)節(jié)的電壓外環(huán)控制圖

圖6 模糊自適應控制的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7 直流電容電壓Vdc的響應曲線

5 結(jié)論與展望

本文提出了基于電流內(nèi)環(huán)前饋控制結(jié)合電壓外環(huán)模糊控制的新型控制策略，該策略在檢測轉(zhuǎn)子側(cè)負載電流的變化同時在電壓外環(huán)使用模糊控制策略，使得變流器直流電容上的電壓波動可以被提前預測，從而使其調(diào)節(jié)時間縮短，抗擾動能力增強，超調(diào)量減小。并且通過仿真實驗驗證了該新型控制策略確實具有優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略的控制效果。

新型控制策略中，電壓外環(huán)采用了模糊算法。，采用模糊控制策略后如何提高系統(tǒng)的運行效率略有下降，系統(tǒng)的計算量顯著上升，且由于模糊系統(tǒng)屬于黑箱控制類型，所以在模糊系統(tǒng)的優(yōu)化上還可以繼續(xù)，在后續(xù)工作中還可以通過優(yōu)化算法加以改進，使之獲得更好的控制效果。

[1] Qu Lili, Yang Zhaohua, Qin Yi Zhang bol, “Analysis and Design of a Decoupling Control Strategy for Three-Phase Voltage-Source PWM Converter.”

[2] 何良.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)仿真和控制策略研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[3] 陳思卓.郭鵬.范曉旭. 雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能跟蹤控制的研究[J].電力科學與工程,2010(1).

[4] Singh.B,Singh.B.N,Chandra.A,Al-Haddad.K,Pandey.A,Kothari .D.P,”A review of three-phase improved power quality AC-DC converters” IEEE Trans. Ind. Electron,2004,51(3):641-660.

[5] Hasan Komurcugil, Kukrer Osman, “Lyapunov-Based control for three-phase PWM AC/DC voltage-source converters” IEEE Trans. on Power Electron,1998,13(5):801-803.

[6] Vilathgamuwa D M, “Variable structure control of voltage source reversible rectifier,” IEEE Proc. Electr. Power. Appl,1996,143(1):18-24.

[7] asinski M, Liserre M, Blaabjerg F etal, “Fuzzy Logic Current Controller for PWM Rectifiers,” IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society,2002:1300-1305.

[8] Lili Qu, Bo zhang,“Research on fuzzy adaptive PI decoupling control for three phase reversible converters” Proceedings of the 7thWorld Congress on Intelligent Control and Automation June 25-27, 2008.

OptimalStudyontheDynamicResponsePerformanceofDoubleClosed-LoopControlPWMRectifier

YUCheng-Yuan,LIDong-dong

(Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090,China)

Aiming at the DC bus voltage stabilization problem of the rectiffer of the double-feed wind-driven generator,a mathematical model of the rectifier adopted traditional control scheme is given.And put forward a new control method on the basis of this,that is to lead DC bus voltage changing rate into self-adjusting control scheme that is on-line fuzzy correction PID parameters.Meanuhile the feed forward compensation mechanism is added to internal control of current.Finally,a simulation model is built im MATLAB/Simulink.The simulation result shows that the rectifier adopted the new control method is fruther to improve dynaric response characteristic of the DC bus voltage of the rectifier than the traditional control scheme.

double close-loop; fuzzy PI control;dynamic response;rectifier

1004-289X(2013)01-0026-04

TM933.4

B

2012-02-21

余成元，男，碩士研究生在讀，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；

李東東，男，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。