基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法

唐衛(wèi)斌

(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)

0 引 言

三相逆變電路在電力電子系統(tǒng)和工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用,特別是在無交流電源等特定場(chǎng)合,它可以將太陽能電池、干電池和蓄電池的直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源,還可以為變頻器、交流電機(jī)等持續(xù)供電[1-3]。現(xiàn)有技術(shù)制造的三相逆變電路中,使用最多的是橋式電路轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)能夠提高電流轉(zhuǎn)換時(shí)的效率[4-5]。根據(jù)直流電源特性,經(jīng)三相逆變電路轉(zhuǎn)換后的交流電壓輸出波形為矩形波[6-7],電流的負(fù)載阻抗角度不會(huì)對(duì)電壓的大小產(chǎn)生影響,在交流電壓工作時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載阻抗過低的現(xiàn)象。在整流電路條件下電流的輸出方向不能改變,因此采用三相逆變電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后電壓平均值的極性恒大于零,電流沿反方向返回電網(wǎng)系統(tǒng)[8],這時(shí)釋放出的電荷不易形成浪涌,但易導(dǎo)致三相電路系統(tǒng)短路。由于三相逆變電路的優(yōu)良特性,主要被應(yīng)用于不停電供應(yīng)的恒壓電源和籠式交流步進(jìn)式變頻調(diào)速系統(tǒng)中[9],用以保證電路系統(tǒng)在無交流電源的條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

隨著三相逆變電路的應(yīng)用與發(fā)展,三相逆變電路系統(tǒng)中存在個(gè)別區(qū)域點(diǎn)電壓不平衡的情況,這種電壓的不平衡會(huì)影響電壓和電流的波形輸出,極端情況下會(huì)導(dǎo)致三相逆變電路系統(tǒng)退化為二電平結(jié)構(gòu),致使電容損壞[10]。為此相關(guān)專家和學(xué)者對(duì)三相逆變電路平衡控制方法進(jìn)行了研究,得到一些成果?；诨旌线壿媱?dòng)態(tài)模型的三相逆變電路有限控制集模型預(yù)測(cè)控制策略中提出[11],要充分考慮逆變電路的條件變遷和離散特性,構(gòu)建電路的混合邏輯控制模型,并將此模型作為預(yù)測(cè)模型,結(jié)合電路開關(guān)控制信號(hào),控制三相逆變電路電壓的輸出。該方法能夠確保電路的安全性,但穩(wěn)定性較差。三相逆變電路的離線模型預(yù)測(cè)控制研究中提出[12],將電路可行解代替最優(yōu)解,采用混合邏輯控制模型減少控制序列總數(shù),并對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行降低,由此實(shí)現(xiàn)電路的平衡控制。該方法雖有較好的穩(wěn)定性,但無法滿足相位變化和波形輸出的一致性?；贐uck-Boost的電路平衡方法,以電流矢量調(diào)節(jié)與波形輸出為研究重點(diǎn),實(shí)現(xiàn)電路的平衡控制,但仍無法滿足系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的要求。

為解決上述問題,從模糊控制的視角出發(fā),提出了一種基于混合邏輯的三相逆變電路平衡控制方法,利用計(jì)算機(jī)電路的邏輯語言,對(duì)三相逆變電路進(jìn)行平衡控制。

1 混合邏輯模型建立

與傳統(tǒng)控制電路中二電平或多電平的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,三電平逆變電路更適合大功率的工作場(chǎng)合,在交流電源供電的穩(wěn)定性方面也更有優(yōu)勢(shì)。三相逆變電路的直流側(cè)通常只附帶一個(gè)電容,總體電路中包含6個(gè)橋臂,上下的兩個(gè)對(duì)向橋臂交替導(dǎo)電,三電平逆變電路的電路結(jié)構(gòu)與工作原理,如圖1所示,VD1～VD6為續(xù)流二極管。

圖 1 三相逆變電路基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure diagram of three-phase inverters

混合邏輯模型綜合考慮了三相逆變電路中電壓、電流、電容等物理變量間的邏輯規(guī)則及切換規(guī)則,可以描述出三相逆變電路中各個(gè)離散變量之間的線性變化關(guān)系[13],促使三相逆變電路中電壓和電流的變化趨于平衡,并以穩(wěn)定的波形輸出。

假設(shè)邏輯變量為ξi,當(dāng)三相逆變電路中的電壓變化狀態(tài)Zi為T時(shí)，邏輯變量ξi的值為1;當(dāng)Zi為F時(shí)，邏輯變量ξi的值為0,其中i=1或i=2?？梢詫⑷嗄孀冸娐菲胶饪刂频倪^程視為一個(gè)復(fù)核命題,如式(1)所示。

(1)

式中:?表示該符號(hào)的左右兩側(cè)能夠互相推導(dǎo)?；旌线壿嬆Ｐ褪紫葘⑷嗄孀冸娐分械碾妷鹤兓壿嬕?guī)則轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的邏輯命題,然后將命題轉(zhuǎn)換為變量間的不等式,用于三相逆變電路控制的混合邏輯模型的建立步驟,如下所示:

(1) 建立以三相逆變電路的電容電壓和電感電流為狀態(tài)變量的連續(xù)、動(dòng)態(tài)空間模型,并將混合邏輯規(guī)則應(yīng)用到動(dòng)態(tài)模型當(dāng)中。

(2) 將邏輯規(guī)則應(yīng)用到三相逆變電路之中,邏輯變量ξi的取值范圍為[0,1]。將基本邏輯規(guī)則組合成復(fù)雜邏輯命題,用簡(jiǎn)單的邏輯規(guī)則代表復(fù)雜的邏輯命題,并利用輔助變量描述邏輯變量與混合線性復(fù)雜變量之間的關(guān)系。如電壓的大小可以決定電路的結(jié)構(gòu),而電路結(jié)構(gòu)可以決定電流的浮動(dòng)范圍及電流大小變化的規(guī)律。

(3) 為了能夠準(zhǔn)確衡量出三相逆變電路中電流方向的變化及電壓均衡點(diǎn)的變化,還需要利用混合邏輯規(guī)則將邏輯變量、輔助變量及其他復(fù)雜的不等式關(guān)系統(tǒng)一到一個(gè)模型之下。邏輯替代中不等式的變換方法有3種,主要包括軟件建模法、數(shù)值替代法和真?zhèn)沃盗斜矸ǖ取?/p>

混合邏輯模型將原有簡(jiǎn)單的啟發(fā)式規(guī)則,和不等式運(yùn)輸轉(zhuǎn)換成帶有約束性的動(dòng)態(tài)邏輯方程,混合邏輯模型的一般形式,可以表示為

(2)

式中：f(t)為狀態(tài)變量；x(t)和y(t)分別為輸入變量和輸出變量；A、B、C、D、E分別為不同橫列數(shù)和縱列數(shù)的邏輯電路系統(tǒng)矩陣?；诨旌线壿嬆Ｐ腿嗄孀冸娐分绷麟娫崔D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娫催^程中,容易造成負(fù)載不均衡的情況,并對(duì)三相逆變電路中不平衡的電壓進(jìn)行補(bǔ)償,保持轉(zhuǎn)換后交流電源供電的穩(wěn)定性。

2 不均衡負(fù)載結(jié)構(gòu)分析與電路補(bǔ)償

在混合逆變電路中,主要利用控制器采集直流側(cè)電壓和電路兩端的電流值,以控制整流器開合的方式改變電路中IGBT的離散狀態(tài)[14-15]。三相逆變電路的主要作用是將直流電改變?yōu)榻涣麟?而IGBT的通斷將會(huì)影響到直流電輸入電壓的頻率幅值和相位變化,進(jìn)而改變網(wǎng)側(cè)電流與直流電壓的狀態(tài)值。對(duì)三相逆變電路的控制策略主要采取間接控制的方式,多用調(diào)整直接電流大小的方式進(jìn)行PWM調(diào)波。三相逆變電路中內(nèi)置了整流器,主要在改變電源輸電方式的同時(shí),進(jìn)一步調(diào)制脈沖電壓與電波的幅值。三相逆變電路由繼電器控制所有開關(guān)器材的通斷,其中每一個(gè)開關(guān)的組合工作狀態(tài)都是一種偶然的離散邏輯事件,由于離散變量和邏輯變量在三相電路中的存在,使整個(gè)電路系統(tǒng)變得十分復(fù)雜,電路兩端的電壓和電流也難以實(shí)現(xiàn)均衡[16]。為緩解電路中電壓的不均衡性,需要經(jīng)離散的邏輯事件分別嵌入系統(tǒng)電路的邏輯結(jié)構(gòu)中,并通過改變邏輯信息和控制信息,促進(jìn)電源供電方式改變時(shí)所導(dǎo)致的供電不平衡現(xiàn)象[17-18]。邏輯條件信息的改變通過觸發(fā)IGBT模塊的方式實(shí)現(xiàn),而控制變量信息的改變則需要改變?nèi)嚯娐分械碾娮柚岛驼w電路的負(fù)載結(jié)構(gòu)。

當(dāng)三相逆變電路中出現(xiàn)電壓控制不平衡的情況時(shí),電路中邏輯信息和控制信息的控制方式都會(huì)出現(xiàn)異常,部分復(fù)雜的邏輯命令和邏輯規(guī)則將會(huì)無法執(zhí)行,而通過判斷是具體哪種因素導(dǎo)致的不均衡,則需要利用混合邏輯模型核查三相逆變電路中的哪個(gè)電器元件出現(xiàn)了故障。具體不平衡點(diǎn)的定位檢測(cè)通過判斷電路系統(tǒng)發(fā)生的變遷是意外事件還是正常事件,如果復(fù)雜的邏輯規(guī)則顯示為意外變遷,就能以此定位出電路故障的具體位置。三相逆變電路中的單向雙電瓶整流器出現(xiàn)故障也會(huì)導(dǎo)致電路系統(tǒng)兩端電壓不平衡事件的發(fā)生,因?yàn)槿嗄孀冸娐分杏腥M并聯(lián)的二極管,這種結(jié)構(gòu)會(huì)在直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源時(shí)發(fā)揮一定的作用,甚至?xí)淖冸娐肪W(wǎng)側(cè)電流的流動(dòng)方向,因此在利用混合邏輯模型識(shí)別電路中電壓的不平衡點(diǎn)時(shí),也可以通過檢查二極管的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。在三相逆變電路結(jié)構(gòu)中,電流三相負(fù)荷結(jié)構(gòu)不均衡和不對(duì)稱的現(xiàn)象較為常見,這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電路支撐電壓出現(xiàn)三組不平衡的現(xiàn)象,不僅給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不利影響,還會(huì)提高電路系統(tǒng)的能耗水平,行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)將電路兩端電壓的不均衡性的上限設(shè)定為1%,如果超過了這個(gè)臨界值必須要采取措施控制住這種不均衡的狀態(tài)。僅通過向三相逆變電路中加入負(fù)序電壓的方式無法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)三相逆變電路的電壓補(bǔ)償,也無法徹底地解決在電源轉(zhuǎn)換時(shí)所出現(xiàn)的不平衡現(xiàn)象,而文中基于混合邏輯的控制方法,從規(guī)則和電路邏輯構(gòu)建的角度對(duì)電壓的不平衡進(jìn)行補(bǔ)償,能夠從根本上解決電路系統(tǒng)負(fù)載不均衡和電壓供應(yīng)不均衡的情況。

三相逆變電路系統(tǒng)中的分布式電源結(jié)構(gòu)通過電流接口網(wǎng)絡(luò)連接,調(diào)節(jié)DG幅值變化和相位變化進(jìn)而改變電路兩端電壓,再對(duì)電路功率進(jìn)行下垂控制的基礎(chǔ)上增加負(fù)序參考電導(dǎo),并在電壓端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)序的電流,實(shí)現(xiàn)對(duì)三項(xiàng)逆變電路系統(tǒng)中不平衡的電壓補(bǔ)償。本文在混合邏輯模型的基礎(chǔ)上,采用對(duì)稱分量法補(bǔ)償三相逆變電路中的電量[19]。對(duì)稱分量法將逆變電路中原本對(duì)稱的分量拆分為零序分量、正序分量和負(fù)序分量,由于在三相逆變電路中沒有零序分量通過線路通道,也不會(huì)對(duì)三相逆變電路系統(tǒng)產(chǎn)生過多的不利影響,因此可以假定電路系統(tǒng)的三相對(duì)稱分量?jī)H為正序分量和負(fù)序分量[20-21]。正序分量和負(fù)序分量在檢測(cè)三相逆變電路時(shí)還具有特定的濾波功能,當(dāng)輸入電路系統(tǒng)中的電流諧波分量的次數(shù)越高,會(huì)導(dǎo)致電路中電壓信號(hào)衰減越嚴(yán)重,而采用基于混合邏輯的正序分量和負(fù)序分量控制模式,可以保證分量的檢測(cè)精度,從而更準(zhǔn)確地對(duì)三相逆變電路進(jìn)行補(bǔ)償,基于基波正負(fù)分量的電壓平衡原理,如圖2所示。

圖 2 基波正負(fù)分量電壓不均衡檢測(cè)原理圖Fig.2 Principle diagram for detecting unbalancedvoltage between positive and negative components of fundamental wave

由于三相逆變電路系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間的無功率現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要是由于三相逆變電路中電壓不平衡情況所致,為此在區(qū)分正序分量u+和負(fù)序分量u-的基礎(chǔ)上,還要進(jìn)一步區(qū)分逆變電路中瞬時(shí)無功率和有功率兩種情況,進(jìn)而判斷出基波征服分量?jī)啥说碾妷菏欠窬狻Ｈ嗄孀冸娐分械闹绷鞣至考礊橛泄β实幕ǚ至?此時(shí)證明電路系統(tǒng)的電壓均衡穩(wěn)定,進(jìn)而有針對(duì)性對(duì)低電壓不均衡的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償。

3 電壓平衡控制的實(shí)現(xiàn)

電壓補(bǔ)償后三相逆變電路系統(tǒng)兩端電壓的平衡性能夠得到明顯改善,但三相逆變電路中固有的線路阻抗和電流輸出阻抗,會(huì)影響到系統(tǒng)下垂控制器功率的輸出,不利于電路系統(tǒng)電壓與電流的平衡。因此在基于混合邏輯規(guī)則完成電路系統(tǒng)不均衡負(fù)載分析和電壓補(bǔ)償之后,還需要降低電路系統(tǒng)阻抗對(duì)電壓不平衡造成的影響。本文在基于混合邏輯規(guī)則引入了虛擬電路阻抗變量,并建立了一種用于平衡三相逆變電流和電壓的傳遞函數(shù),修正輸出阻抗和線路阻抗所帶來的相位與賦值上的偏差。引入虛擬阻抗的意義還在于衰減了三相電路系統(tǒng)的震蕩,減小電路中電阻器帶來的過大功率損耗,進(jìn)而提高三相逆變電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性,基于混合邏輯和虛擬阻抗設(shè)計(jì)的三相逆變電路平衡控制方法,如圖3所示。

圖 3 基于混合邏輯的電路平衡控制框圖Fig.3 Circuit balance control block diagram based on mixed logic

分別將有功率條件和無功率條件的下垂控制器設(shè)置到工作狀態(tài),并開始運(yùn)行程序得到一組平衡三相逆變電路正序電壓參考變量,這時(shí)將得到的變量與虛擬阻抗值比較，分析系統(tǒng)的電壓信號(hào)是否存在偏差,如果存在偏差再用比例諧振控制器分別對(duì)系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行調(diào)整。比例諧振控制器在三相電路系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)固定頻率狀態(tài)下的增益和諧振,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓指令信號(hào)的無誤差跟蹤,最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三相逆變電路電壓平衡點(diǎn)的精準(zhǔn)控制,并使三相逆變電路的電壓和電流分布更加均衡。

4 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法的有效性和可行性,采用多種不同方法對(duì)比的形式,進(jìn)行了一次仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 參數(shù)設(shè)置

三相逆變電壓型電路的基本結(jié)構(gòu)由RLC負(fù)載電路、IGBT電路通斷控制器、二極管和直流電源組成,建立三相電壓不平衡系統(tǒng)補(bǔ)償模型,并基于Matlab對(duì)模型進(jìn)行仿真研究。三相電路系統(tǒng)中的直流電壓正序分析有效值的浮動(dòng)范圍為[100,220],負(fù)序分量的有效值浮動(dòng)范圍為[20,50],設(shè)置2個(gè)電源電壓分別為DC1和DC2,三相逆變電路系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置如下:輸入直流電壓400 V,輸出直流電壓300 V,開關(guān)頻率(1～100) kHz,脈沖周期0.05 s,脈沖寬度50%,脈沖延時(shí)0.02 s,電路電容20 μF,電路電感0.8 mH。

4.2 電壓平衡效果對(duì)比

正常條件下三相逆變電路的電壓輸出波形為方波,但由于電路負(fù)載的不均衡性也會(huì)導(dǎo)致電壓輸出波形的異變,分別采用本文基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法和傳統(tǒng)三相逆變電路的離線模型預(yù)測(cè)控制研究方法對(duì)電路系統(tǒng)的電壓進(jìn)行平衡控制,分析電壓輸出波形的改善情況,如圖4所示。

圖 4 2種不同方法下的電壓波形輸出效果Fig.4 Output effect of voltage waveform under two different methods

從圖4可知,基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法的原始電壓輸出波形,由于三相逆變電路兩端電壓的不均衡而導(dǎo)致電壓的輸出值出現(xiàn)明顯的波形情況,而經(jīng)過基于混合邏輯控制方法平衡后,能夠使整個(gè)電路系統(tǒng)的電壓分布更為均衡,電壓波動(dòng)的情況從根本上得到了平衡,其波形與理想波形較擬合。

而傳統(tǒng)三相逆變電路的離線模型預(yù)測(cè)控制研究方法，0.5 s周期內(nèi)仍舊出現(xiàn)了3次非正常波動(dòng),分別在0.15 s,0.40 s,0.45 s,電壓輸出波形非均衡的狀況沒有得到根本的糾正,在電壓控制效果上明顯弱于文中提出的基于混合邏輯的平衡控制算法。

對(duì)比本文基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法和傳統(tǒng)三相逆變電路的離線模型預(yù)測(cè)控制研究方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,傳統(tǒng)三相逆變電路的離線模型預(yù)測(cè)控制研究方法在0.5s周期內(nèi)出現(xiàn)了3次非正常波動(dòng),而基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法在0.5s周期內(nèi),始終保持均衡平穩(wěn)波動(dòng),可知，本文基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法的控制效果更加理想,電壓的控制效果更好。

5 結(jié) 語

三相逆變電路實(shí)現(xiàn)了電路系統(tǒng)由直流電源到交流電源的轉(zhuǎn)換,但在轉(zhuǎn)化的過程中容易導(dǎo)致電路系統(tǒng)電壓不平衡現(xiàn)象的發(fā)生。為改善這種現(xiàn)象提出一種基于混合邏輯算法的三相逆變電路平衡控制方法。隨著三相逆變電路系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高,將會(huì)對(duì)平衡算法的運(yùn)算速度和可靠性提出更高的要求,因此對(duì)于全數(shù)字化混合邏輯控制的方法而言,還需要進(jìn)行更深入化的研究,以更好地解決三相逆變電路中IGBT模塊串并聯(lián)過程中電壓與電流的平衡問題。