通过模糊控制器和PI控制器输出电压调节设计和实现三相PWM整流器的高性能的直接功率控

1、通过模糊控制器和pi控制器输出电压调节，设计和实现三相pwm整流器的高性能的直接功率控制摘要:本文给出了直接功率控制（dpc）三相pwm整流器，采用了一种新的开关表，并且无电压传感 器。瞬吋有功功率和无功功率通过选择变换器的最佳状态被直接控制，作为pwm控制变量代替相电 流被使用。控制系统的主要目的是保持直流母线电压在所需的水平，而来自电源的输入电流应当是 止弦的，各相电压相位符合单位功率因数（upf）操作。在直流母线电压控制环中，传统的p1和基 于模糊逻辑的控制器，被用来提供有功功率指令。一种基于实验系统的dspace用作证实dpc的有 效性。稳态和动态的结果，说明了操作和控制方案所呈现的性

2、能。结果显示，证实了新的dpc比经 典dpc更好。线电流非常接近正弦波（thd<2%）并且通过使用pt和模糊控制器实现直流母线电压 良好的调节。此外，模糊逻辑控制器展现出优良暂态性能，良好地抑制负载扰动的影响，和优越的 的鲁棒性。关键词：直接功率控制pwm整流器瞬时有功功率直接转矩控制开关表模糊逻辑控制1.引言大多数的三相整流器，被广泛地用在工业领域和消费产品领域，使用二极管桥电路和散装存储 电容。有简单，稳定和低成本的优势。然而，整流二极管，产生单向功率流，低功率因子，功率流， 和高层次的输入谐波电流。与有源和无源滤波器分开，最好的解决方案是使用脉冲宽度调制（pwm） 调整。三相脉冲宽

3、度调制（pwm）研究在过去的几年迅速发展，由于它的优越性，比如能源的再生 能力，直流总线电压覆盖广阔的范围，输入电流低谐波失真。由于转换器有能力来控制输入的正弦 波电流，功率因数（upf）可以容易地操作通过调节伴有前述电源电压。各种控制策略已经提出了 在最近的这种类型的pwm整流器产品。它可以被分类为所用的回路控制器或有功/无功功率控制器。 在知名间接的有功和无功功率控制方法屮，是基于相对于电流矢量方向所述的线电压向量。它被称 为电压定向控制（voc） 1-5 o voc保证了高动态，并通过内部电流静态性能控制冋路。然而， 最终的配置和性能的voc的系统在很大程度上取决于所施加当前的控制策略的

4、质量。在过去的几年 中，一个高利润的新兴控制技术一直是直接功率控制（dpc）和与众所周知直接转矩控制开发相似 （dtc）,用于可调速驱动器5-12 o在dpc方案，没有内部电流环路和转换器的开关状态，是通 过一个交换表基于瞬时错误作出适当地选择，在命令和估计瞬时有功和无功功率值的估计值，和功 率源电压矢量位置6或虚拟磁通矢量位置之间8。本文提出了一种新的直接功率控制（dpc）的 三和pwm整流器，这使得有可能实现通过直接控制它的瞬时功率因数运行无需任何电源电压有功和 无功传感器。所提出的方法有两个特点。一个是用于合成新的切换表的方法，不同于在ac机组的 控制和使用在6和8屮，是一种建议。这个新

5、的转换表是通过分析瞬时有功功率和无功功率校正 合成的。其他一个是模糊逻辑控制器，在直流母线电压控制冋路，开发提供有功功率命令。为了实 现单位功率因数运行，无功功率指令设定为零。基于模糊逻辑控制器有更多的灵活性和更好的动态 响应。最后，dpc进行了模拟，并实施常规pi控制器和模糊控制器。它是通过仿真和实验结果表 明，该提岀的dpc具有高性能相比丁经典。线电流非常接近止弦波形，是直流母线电压精确调节得 意实现，和upf操作得以实现。此外，基于模糊逻辑控制器有优良的瞬态性和稳态性，有良好鲁棒 性，直流总线电压调节有良好的动态特性，和良好的甩负荷扰动的影响。2. dpc的原理2.1系统配置dpc基于瞬

6、时有功和无功功率控制回路。dpc没有内部电流控制回路。开关变换器开关状态是 由基于在指令和有功功率和无功功率z间的瞬时错误的开关表來选择的。图1显示了直接有功功率 和无功功率控制三相pwm整流器的配置，符号如下：ea> eb> ec三相电源电压；va、vb> vc交流终端pwm整流器的电压；ia、ib、ic三相线电流；sa, sb, sc转换器的开关状态；l、r电感和电阻 的反应堆；c、rl直流环节电容和负载电阻。控制器功能继电器通过迟滞比较器和一个转换表控制有功功率和无功功率。在这个配置中，直 流母线电压通过调节有功功率被控制的，功率因数通过控制无功功率为零获得的。如图1所

7、示，有 功功率命令p*来自一个肓流母线电压控制器，无功功率命令，q*是直接从外部控制器的给定。在 指令和预计的反馈功率之间的错误输入到迟滞比较器和数字化的信号sp和sq,在这里表示为： sp = 1 if p * p > hp , sp = 0 if p * -p < -hp ,sq = lif p * q > hq , sq = oif p * -q < -hq ,同时，电源电压的相位矢量转换为数字化信号hno为此，固定的坐标分为12个部分。如图2所示， 这部分数值上表示为(n-2)<i <(n1)上 n =1,2,.126 6数字化误差信号sp和sq和数

8、字化电压相位hn输入转换表包括每一个开关状态，转换器的sa, sb,sc被储存。通过使用这个开关表，根据输入信号的组合，转换器的最优开关状态能够在每一个特 定的吋刻被独特地选择。2.2转换表合成在静止的参考系a-b和一个平衡的三相系统，线路电流方程可以表示为did "dtdi0dt二一(e0- v0 r id)l线电流矢量(ia, ib)可以通过选择控制恰当的整流电压矢量。在选择整流器电压矢量vab上，在实 际的线电流测量上，线电流的变化依赖于实际的电源电压矢量eab。参数r可以儿乎被忽视(2)中 的离散的一阶近似可以被采纳。因此，线电流的变化对下一个控制时期给出：aia = ia(

9、k+i)-i9(k)=t(ea(k)-va(k)tsi0 = i0 (k + d-is (k) = _(e0 (k)v0 (k) l在静止的参考系a-b瞬吋有功功率和无功功率定义如下：(13、14)e3e/?'id'pq作为第一近似，如果切换频率足够高，电源电压的变化可以忽略不计。有功功率和无功功率改变量下一个控制周期可以被估计，如下：p = ed (k)-ai3 + e/? (k) zi0 q = aid 一 wd伙) i/3 jtqap = 一(e23 (k) + e0«k) )(e3 (k)vd (k) + e0 (k)v0 (k)l厶tsaq = 一 (刃伙)

10、 伙)一 e/3(k) ud 伙)l如图2所示，控制有功功率和无功功率有六个基本的不为零的整流器整流电压和两个零电压矢量。 有功功率和无功功率取决于整流电压矢量的选择。对于七个基本的整流电压矢量，我们得到七个可 能的有功功率和无功功率的变化量。因此，有不同的选择相应的开关状态控制有功功率和无功功率 变化的方法。给i二(0, 1, 2, 3. 6)有功功率和无功功率变化量如下：api = (e26f (k) + e2/? (k) )- (e3 (k) v3z +-v/?z)ll电源电压向量口以被表示在静止参考系ab如卜:ed2在(a, b)中这个向量可以表示为：ed = e cos(0),e/

11、= £sin(o)和|ed0| = ee是线电源电压的均方根值和h是电压源的角位置向量定义为：%5g)5 11%pwm整流器的交流终端电压矢量v,是典型的空间矢量，每个开关状态和其相应的表示，va和vb 值如表1所示。在(a, b)中，整流电压矢量通过如下公式给出:替换(9) (7)有功功率和无功的变化量表示为： 甲=eap 询卩为了满足提高pwm整流器的转换器操作，下面的条件满足:从(12)可以看岀，无功功率的变化相对于整流电压矢量vi是正弦波形。有功功率的变化移动 着的正弦波，各自表示在图3和4屮。dpc的基本思想是，为了维持直流母线电压接近参考价值, 并通过控制有功功率和无功功

12、率保持统一功率因数，在七个可能的向量之间选择最好的整流器电压 矢量。出于这个原因，新的开关表合成，基于每个部分有功功率和无功功率的变化。从图3和4, 对于每个部分，无功功率的变化量是三个整流器电压矢量和正数，三个整流器电压矢量和负数，和vo为零。有功功率的变化对于四个整流电压矢量是正的，对两个或三个整流电压矢量负的。比如， 有功功率和无功功率的变化如表2o对于每一个滞后输出信号的组合，sq和sp,整流器电压矢量在部分1被选择，在表3屮被表示。 所有部分提出了新的开关表被表示在下面的表4中。实现电压dpc无传感器运行对于三相pwm整流器，通过使用转换器的开关状态，三相线电流，肓流 母线电压和电感

13、反应，估计有功功率和无功功率。如下：a t ,aia . dib die.、/,、p =ta hth hic） + vdcsaia + sbih + scic）dt dt dtq =- ic 一 - ia）vdc（sa（ib 一 ic） + sb（ic 一 ia） + sc（ia 一 ib）dt clt v3分别通过13和14,估计瞬时有功功率和无功功率z后，电源电压矢量eab,使用以下方程估计:ed'_ 1p幼hawi2a-i2bi/3ida 冷3.输出电压控制器设计3.1基于dpc的传统的pi如图5所示，直流母线电压vdc与参考值vdc相比较。获得的误差作为p1控制器的输入，输出

14、乘以vdc得到瞬时有功功率p *。图1中的系统为一阶系统建模：=rll + s2f(s)+ kpt"其哙g pi参数选择:kpti =rlc2tirl，其中咒= 10hzpi控制器的传递函数：tis3.2 dpc模糊控制器图6显示了框图的模糊逻辑控制器，对t dpc的三相pwm整流器。由于控制算法的数字实现,直流电压,vdc能与参考值相比较，差值:e(k) = vdc (k)-v*dc (k),并且增量ae(k) = e(k)-e伙-1) 采样时刻作为输入模糊控制器。输岀有功功率命令厂伙)是变化的，新指令pf、k)通过添加模糊 控制器的输出，输出增益比例g,和先前指令：厅(灯=厅*伙

15、一l) + ga/y*(灯二获得的。为了提高系统的动态性能和控制器输出稳定性，比例增益gp与模糊控制器并行。有功功率指 定的新值被显示在图6屮，给出：p"伙)=p了伙-1) + g p f(k) + gp e(k)误差误差e(k)和改变伙)作为数值变量，来自于系统。将这些数值变量转换成语言变量，七 个模糊变量负数最大(nb)到正数最大(pb)表示在图7。所有的模糊变量相同的函数。图7得击 了一个统一的结论，可以通过简单的修改获得每个变量。4.实验系统和结果实验原型，图8中，laiiesip法国实验室一直在发展，为了检查并操作三相pwm整流器dpc 方案特征。一个三相基于igbt逆变器

16、(220 v rms,三菱、ps11036 11 a),它扮演使用pwm整流 器的角色。确保绝缘和控制信号的空载，基于1xdp630组件使用。两个霍尔ct的lem(pr30)和隔 离放大器i1ameg01z64)是分别用来检测线电流和直流母线电压。控制算法一直在发展，用mat lab / simulinkmt仿真，用(rtt1104)数字信号处理器插入到pcpentium实吋实现。主电源电路的电气参 数和控制数据，用于模拟和实现测试，在表6中。几个测试，仿真和实时实现进行可行性的验证和 提出了 dpc的性能。图9和10显示了模拟波形。在功率因数统一操作在纯正弦电源电压下，分别 为新dpc和旧的

17、dpc。从这个数据可以看出，新dpc比旧的dpc要好得多。线电流非常接近正弦波并且与电源电压相 位一致。有功功率是恒定的，非常接近参考价值。平均无功功率为零，由于功率因数统一操作。相 应的实验结果，对dpc和经典dpc,数据分别在图11和12中。在育流电压的下一个阶跃变化下, dpc的动态行为在图13中表示出来。直流母线电压接近新的具有良好的稳定性的新的参考值。线 电流接近正弦波。从这个图，可以发现有功功率控制和无功功率控制是分别独立的。图14和15 显示，阶跃响应实验结果与扰动负载功率功率因数下的统一操作对立。它可以观察到，功率因数统 一操作能够被完成，其至在瞬态。注意，经过短暂的瞬态，直流母线电压和有功功率接近参考值。 无功功率保持为零。显然，从这些数字中，瞬态响应在直流母线电压和有功功率比模糊控制方案更 快。该方法通过改变无功功率命令q *可以间接控制功率因数，图16和17表示在超前和滞后分别 工作的功率因数下的工作特性，在这些测试中，有功功率指令已经改为+ 50 var或50var和确认 dpc可以调整电流，关于电压通过无功功率指令。5.结论本文描述了一种直接功率控制三相pw'm整流器(dpc),基于没有电压传感器的新型开