CN105406741B - 一种三相电网电压不平衡时pwm整流器模糊滑模变结构控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电网电压不平衡时PWM整流器模糊滑模变结构控制方法，属于电力电子应用领域，本方法首先对整流器直流侧电压进行采样，其经过PI控制器得到额定有功功率；然后对电网电压、整流器电流采样并利用陷波器对采样数据进行正负序分解；应用额定功率守恒原理，列写出上述额定数值的功率矩阵，经过广义逆矩阵变换公式得到额定电流；最后，电流环采用模糊滑模变结构控制方法得到空间电压矢量。其优点在于电流环采用变结构控制可以增强系统的鲁棒性与动态性能，同时对状态点进行模糊运算来调节变结构系数，减弱抖振带来的负面影响提高系统的稳定性。

Description

一种三相电网电压不平衡时PWM整流器模糊滑模变结构控制 方法

技术领域

本发明属于电力电子应用领域，特别涉及一种整流器，具体说是电网电压不平衡时，基于模糊算法和滑模变结构控制的电压源PWM整流器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，出现了能量可双向流通的PWM整流器，实现能量双向流通。其具有网侧电流正弦化、功率因数可调控、四象限运行等优点，真正实现了“绿色电能变换”。在电气众多领域中具有广泛应用。

然而大多数整流器的研究均是建立在三相电网电压平衡条件下，而实际电网电压并不是完全平衡的。电网电压不平衡时，整流器交流侧的电流会产生非线性谐波，直流侧电压也会产生二次谐波波动，会导致VSR三相输入电流不平衡，并会加大系统的损耗使整流器性能下降，可能发生故障保护，甚至烧毁变流装置。

现行的电压型PWM整流器(VSR)大多采用PI控制器进行调节。其优点是控制方法简单，技术成熟。但其抗干扰能力差、动态响应较慢，对于整流环节要求高的领域，难以满足要求。而滑模变结构控制具有鲁棒性强、动态响应快的优点，但是变结构控制的抖振问题会造成系统的稳定性变差。抖振问题一直制约着滑模变结构控制的发展。

发明内容

本发明目的是克服三相电网电压不平衡所带来的二次谐波输入电流问题，以及滑模变结构控制控制方法的抖振问题，实现整流器三相输入电流的平衡，增强VSR的鲁棒性和动态性能。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种三相电网电压不平衡时PWM整流器模糊滑模变结构控制方法，包括以下步骤：

S1，对电压型PWM整流器VSR直流侧电压U_dc进行采样，经PI控制器获得整流器的额定有功功率

S2，对三相电网电动势e_a，e_b，e_c及VSR交流侧电流i_a，i_b，i_c进行采样，经过Park变换和陷波器进行正负序分解得到：然后与额定功率和二次谐波功率列写功率矩阵；最后对功率矩阵进行广义逆矩阵计算，得到额定电流

S3，电流内环采用模糊滑模变结构控制，额定电流经变换为并与检测得到的整流器网侧电流i_α、i_β构建以为变量的变结构函数，进而得出SVPWM参考空间矢量通过SVPWM算法输出VSR的开关控制信号。

进一步，所述步骤S2还包括，列写出基波功率与因电网电压不平衡，其负序分量所带来的二次谐波正弦、余弦有功功率功率设置通过广义逆矩阵变换，得到额定电流的表达式。

进一步，所述步骤S3的模糊滑模变结构控制具体过程为：

S31，构建两相静止坐标系下的参数与整流器侧交流电压v_α，v_β以及调节系数u_mα、u_mβ构造滑模变结构的函数S_α，S_β；(u_a，u_b，u_c经Clark变换得到v_α，v_β)

S32，定义穿过原点的滑模切线s，以及穿过原点并垂直于切线的直线为t，以原点、切线s、垂直线t建立坐标轴。根据检测状态点到各坐标轴的距离分别为|L_sα|、|L_sβ|，|L_tα|、|L_tβ|，作为模糊控制的输入；

S33、所述模糊控制器的隶属度函数选取：

if|L_s|is LSⁱ and|L_t|is LTⁱ then u_m is FUⁿ

其中，LSⁱ为|L_s|的语言变量，LTⁱ为|L_t|的语言变量，FUⁿ为u_m的语言变量，LT语言变量取PS，PL；LS语言变量取PL，PS，ZE；FU语言变量取ZE，PS，PL；PL正大，PS为正小，ZE为零；根据隶属度函数的规则、输入确定输出，其输出值是变结构控制的可调系数u_m，进而通过模糊滑模变结构控制求出参考电压矢量

S34、根据用空间矢量调试技术进行调制输出。

本发明具有以下技术效果：

本发明利用功率的守恒原则，列写功率方程；通过对功率参数的设置，经过功率方程矩阵的广义矩阵逆变换得到额定电流；实现单位功率因数运行和消除电网三相电压不平衡时，带来的不平衡电流和二次谐波的影响。

本发明利用变结构控制对于参数变化以及干扰的不敏感性以及响应速度快的性能，提高整流器的鲁棒性系统动态响应速度以及动态性能，但变结构控制的抖振问题使系统稳定性变差。因此本文结合模糊控制的优点，以坐标系αβ下状态点距切换线的距离为变量来调节滑模变结构控制的系数，可以有效抑制变结构控制的抖振问题。

本发明与传统的整流器控制相比，该方法对被控对象的数学模型要求不高，整流器抗干扰能力强且可以有效抑制变结构的抖振问题，运行稳定，易于数字化实现的特点。

与传统控制方法相比，其不仅实现了整流器电流的平衡，还可实现增强系统鲁棒性和响应速度的功能。

附图说明

图1本发明提出的PWM整流器主电路结构图。

图2为本发明的陷波器原理图。

图3本发明提出的模糊滑膜变结构控制策略原理图。

图4模糊算法的隶属度函数图；图4(a)L_s的隶属度函数；图4(b)L_t的隶属度函数；

图4(c)u_m的隶属度函数。

图5为模糊控制总图。

具体实施方式

下面结合附图、表格和实施实例对本发名作进一步阐述。

本发明的方法的工作原理为：

(1)对电压型PWM整流器VSR直流侧电压进行采样，经PI控制器获得额定有功功率

(2)对三相电网电压及VSR交流侧电流进行采样，经过Park变换后得到e_d、e_q、i_d、i_q。然后将其进行正负序分解得到为了实现整流器单位功率因数运行，以及消除直流侧的二次谐波波动，将检测到的电压和功率列写功率矩阵，并进行广义逆矩阵计算，得到额定电流

(3)电流内环采用模糊滑模变结构控制。步骤(1)中的额定电流经过滑模变结构控制器，状态点不断穿越切换线并沿着切换面运动到原点。同时，在αβ坐标系下检测状态点距原点的方位与距离，以距离远近为变量，通过模糊控制器的隶属度函数以及控制规则表来调节滑模变结构控制器的系数，以此来减弱滑模变结构控制的抖振问题。最后得出系统参考空间矢量通过SVPWM算法输出VSR的开关控制信号。

如图1所示为PWM整流器的结构图，包括三相交流电源e与网侧滤波器(电感L和电阻R串联组成)、三相整流桥以及三相整流桥两侧并联的直流电容C，以及负载R_L构成。

图2是本发明用于正负序电动势分解的陷波器原理图。三相电网电动势e_a，e_b，e_c经过Park变换后正序交流电动势变换为直流电动势e_d，e_q，而负序交流电动势变为二次谐波电动势。这里不采用低通滤波器而采用陷波器。因为低通滤波器频带窄，在滤除二次电动势同时会影响系统动态性能。采用陷波器只需要将陷波角频率设计为ω₀＝2ω，这样便可将电网中的负序电动势滤除。陷波器对二次谐波以外的信号影响较小，进而改善动态性能。

如图3所示，所述整流器控制电路包括PI控制模块、广义逆矩阵算法模块、模糊滑模变结构控制模块(SMC)以及SVPWM开关控制模块。通过对电网电压、整流器电流进行采样，经计算得到设置以及根据功率守恒所采取广义逆矩阵算法，得到控制所需的控制电流模糊滑模变结构控制器通过电流参数得到整流器的空间电压矢量最后由PWM开关控制器输出开关动作信号。

下面对附图3作进一步具体描述。

1)对电压型PWM整流器VSR直流侧电压U_dc进行采样，经PI控制器获得整流器的额定有功功率其计算方法为：

2)由于电网电动势不平衡，其负序分量会产生二次谐波的功率。因此首先对三相电网电压e_a，e_b，e_c及VSR交流侧电流i_a，i_b，i_c进行采样，经过Park变换和利用陷波器进行正负序分解得到利用正负序分解的电网电压和额定功率以及二次谐波功率列写功率矩阵，并对功率矩阵进行广义逆矩阵计算，得到额定电流(如图2、3所示)。

三相电压型PWM整流器VSR在dq坐标系下的表达式为：

三相电网不平衡时，三相VSR网侧视在功率：

为的共轭复数；P(t)、Q(t)为三相VSR网侧有功功率、无功功率。由公式可以推导出：

其有功功率、无功功率以及二次谐波的功率表达式为：

p_s2、p_c2为二次有功正弦、余弦有功分量幅值，q_s2、q_c2二次无功功正弦、余弦有功分量幅值，忽略二次无功分量，其广义逆变换矩阵公式为：

使便可得到期望的额定电流。

列写出基波功率与因电网电压不平衡所带来的二次谐波功率通过广义逆矩阵变换，并设置得到的表达式。

3)电流内环采用模糊滑模变结构控制，额定电流和整流器网侧电流变换为构建骤以为变量的变结构函数。进而得出SVM参考空间矢量

首先要构建两相静止坐标系下的参数与整流器侧交流电压v_α，v_β以及调节系数u_mα、u_mβ构造滑模变结构的函数S_α，S_β；其次定义穿过原点的滑模切线s，以及穿过原点并垂直于切线的直线为t，以原点、切线s、垂直线t建立坐标轴。分别检测n_α，n_β状态点到各坐标轴的距离|L_sα|、|L_sβ|，|L_tα|、|L_tβ|，作为模糊控制的输入；根据隶属度函数的规则、输入确定输出，其输出值是变结构控制的可调系数u_m。进而通过模糊滑模变结构控制求出参考电压矢量

通过模糊滑模变结构控制方法对额定电流进行计算控制得到空间电压矢量V。图3、图4、表1为模糊控制算法。通过模糊运算通过状态点距离原点的距离来调节变结构控制系数k的大小，来调节运动点的速度。状态点靠近切换线时，减小控制量，减小响应速度，防止状态点以较快的速度穿过切换线，造成抖振；状态点远离切换线时，加大控制量u_m，加快响应速度。其模糊算法区间如图4所示，论域为：L_s为[0～8]，L_t为[0～6]。

(1)定义滑模变结构控制系统切换线设计为：

切换线为S_α＝0、S_β＝0，将其带入VSR表达式可得：

因此，VSR网侧电压v_α、v_β可表示为：

(2)定义滑动模态的趋近率为：

定义穿过原点的滑模切线s，以及穿过原点并垂直于切线的直线为t，以原点、切线s、垂直线t建立坐标轴。根据检测状态点到切换线s与坐标轴t的距离分别为|Ls|，|Lt|(对应到α、β轴上分别为|L_sα|、|L_sβ|，|L_tα|、|L_tβ|，)，其作为模糊控制的输入；

(3)定义其控制规则为：

if|L_s|is LSⁱ and|L_t|is LTⁱ then u_m is FUⁿ

LSⁱ为|L_s|的语言变量，LTⁱ为|L_t|的语言变量，FUⁿ为调节系数u_m的语言变量。LT语言变量取PS，PL；LS语言变量取PL，PS，ZE。FU语言变量取ZE，PS，PL。PL正大，PS为正小，ZE为零。

最后，由图4的隶属度函数以及表1的控制规则，可以得到模糊控制图5。

表1模糊控制规则表

Table.1Rule of fuzzy control

(4)通过SVPWM算法输出VSR的开关控制信号。

综上，本发明涉及一种基于模糊滑模变结构控制的三相电网电压不平衡时的电压源型PWM整流器(VSR)控制方法。本方法首先对整流器直流侧电压进行采样，其经过PI控制器得到额定有功功率；然后对电网电压、整流器电流采样并利用陷波器对采样数据进行正负序分解；应用额定功率守恒原理，列写出上述额定数值的功率矩阵，经过广义逆矩阵变换公式得到额定电流；最后，电流环采用模糊滑模变结构控制方法得到空间电压矢量。其优点在于电流环采用变结构控制可以增强系统的鲁棒性与动态性能，同时对状态点进行模糊运算来调节变结构系数，减弱抖振带来的负面影响提高系统的稳定性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种三相电网电压不平衡时PWM整流器模糊滑模变结构控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对电压型PWM整流器VSR直流侧电压U_dc进行采样，经PI控制器获得整流器的额定有功功率

S2，对三相电网电动势e_a，e_b，e_c及VSR交流侧电流i_a，i_b，i_c进行采样，经过Park变换和陷波器进行正负序分解得到：然后与额定有功功率和二次谐波功率列写功率矩阵；最后对功率矩阵进行广义逆矩阵计算，得到额定电流 表示电动势e经park变换后d轴分量的负序分量，表示电动势e经park变换后q轴分量的负序分量，表示电动势e经park变换后d轴分量的正序分量，表示电动势e经park变换后q轴分量的正序分量，表示交流侧电流经park变换后d轴分量的负序分量，表示交流侧电流经park变换后q轴分量的负序分量，表示交流侧电流经park变换后d轴分量的正序分量，表示交流侧电流经park变换后q轴分量的正序分量；

S3，电流内环采用模糊滑模变结构控制，额定电流经变换为并与检测得到的整流器网侧电流i_α、i_β构建以i_α、i_β为变量的变结构函数，进而得出SVPWM参考空间矢量通过SVPWM算法输出VSR的开关控制信号；

所述步骤S3的模糊滑模变结构控制具体过程为：

S31，构建两相静止坐标系下的参数与整流器侧交流电压v_α,v_β以及调节系数u_mα、u_mβ构造滑模变结构的函数S_α,S_β；

S32，定义穿过原点的滑模切线s，以及穿过原点并垂直于切线的直线为t，以原点、切线s、垂直线建立t坐标轴，根据检测状态点到各坐标轴的距离分别为|L_sα|、|L_sβ|,|L_tα|、|L_tβ|，作为模糊控制的输入；

S33，模糊控制器的隶属度函数选取：

if|L_s|is LSⁱ and|L_t|is LTⁱthen u_m is FUⁿ

其中，LSⁱ为|L_s|的语言变量，LTⁱ为|L_t|的语言变量,FUⁿ为u_m的语言变量，LT语言变量取PS,PL；LS语言变量取PL,PS,ZE；FU语言变量取ZE,PS,PL；PL正大，PS为正小，ZE为零；根据隶属度函数的规则、输入确定输出，其输出值是变结构控制的可调系数u_m，进而通过模糊滑模变结构控制求出参考电压矢量

S34，根据用空间矢量调试技术进行调制输出。

2.根据权利要求1所述的一种三相电网电压不平衡时PWM整流器模糊滑模变结构控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括，列写出额定有功功率因电网电压不平衡，其负序分量所带来的二次谐波正弦、余弦有功功率设置通过广义逆矩阵变换，得到额定电流的表达式。