基于BPPID控制的T型三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡的研究

李家強(qiáng) 屠立忠 唐立 蔡海艷

摘? 要：文章針對(duì)當(dāng)T型三電平的平衡電路中兩個(gè)橋臂的電容和電感元件不平衡時(shí)，如何采取控制策略抑制中點(diǎn)電壓波動(dòng)的問題。通過建立模型分析得到T型三電平中點(diǎn)電位不平衡的原因，增設(shè)平衡電路，采用兩個(gè)LC串聯(lián)橋臂的平衡電路控制中點(diǎn)電位平衡。在運(yùn)行過程中，LC通常會(huì)受外部環(huán)境干擾，如強(qiáng)耦合，電磁擾動(dòng)等因素使得平衡電路中點(diǎn)電位產(chǎn)生波動(dòng)，因此文章提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器（后文簡(jiǎn)稱BPPID）。對(duì)BPPID控制器進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真研究與分析。仿真結(jié)果表明，基于BPPID控制的T型三電平逆變器具有操作可行性。

關(guān)鍵詞：T型三電平;BPPID控制;中點(diǎn)電壓平衡

中圖分類號(hào)：TM464? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0017-03

Abstract： This paper aims at the problem of how to adopt control strategy to suppress midpoint voltage fluctuation when the capacitance and inductance of two bridge arms in T-type three-level balance circuit are unbalanced. Through the establishment of the model， the reason for the imbalance of the midpoint potential of the T-type three-level is obtained， the balance circuit is added， and the balance circuit of two LC series bridge arms is used to control the balance of the midpoint potential. In the process of operation， LC is usually disturbed by the external environment， such as strong coupling， electromagnetic disturbance and other factors make the midpoint potential of the balance circuit fluctuate， so a PID controller based on BP neural network （BPPID for short） is proposed in this paper. The Matlab/Simulink simulation of BPPID controller is studied and analyzed. The simulation results show that the T-type three-level inverter based on BPPID control has operational feasibility.

Keywords： T-type three-level; BPPID control; midpoint voltage balance

T型中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器（“T” type neutral point clamped，T-NPC）單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖于2007年被學(xué)者KNAUP、Peter提出，T型三電平是近年該領(lǐng)域?qū)W者在三電平電路基礎(chǔ)上改良優(yōu)化的成果，在工程實(shí)踐中已經(jīng)展現(xiàn)出其不錯(cuò)的應(yīng)用價(jià)值[1-9]。T-NPC和傳統(tǒng)三電平電路的異同主要如下：T型三電平逆變器與傳統(tǒng)三電平逆變器相同點(diǎn)在于主要都是用于三相交流電路的逆變過程，二者都包括調(diào)制模塊、控制模塊、濾波模塊和含有IGBT的逆變電路模塊;區(qū)別就在于逆變電路模塊存在差異，T型三電平電路比傳統(tǒng)三電平電路少了兩個(gè)IGBT，這樣降低了維護(hù)的成本，同時(shí)降低了控制的難度，開關(guān)壽命周期變相得到了延長(zhǎng)。但逆變器中點(diǎn)電位波動(dòng)的問題必須要解決，造成逆變器中點(diǎn)電位波動(dòng)的原因有很多，在平衡電路環(huán)節(jié)，PWM調(diào)制環(huán)節(jié)，控制環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)產(chǎn)生影響。在脈寬調(diào)制時(shí)，非冗余矢量會(huì)造成中點(diǎn)電壓偏移，因此有很多學(xué)者在SPWM和SVPWM基礎(chǔ)之上進(jìn)行和混合式的三電平控制策略[10]，使得中點(diǎn)電位波動(dòng)問題得到極大改善。

此外，有學(xué)者提出在三電平電路里增設(shè)平衡電路模塊，這對(duì)于中性點(diǎn)電位的抑制具有很好的效果。相關(guān)平衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，本文的研究重點(diǎn)不在討論平衡電路的選取，因此本文在建模仿真部分只選取了一種在原有并聯(lián)電容上串聯(lián)電感[4]的平衡電路。平衡電路參數(shù)調(diào)整會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，采取什么樣的控制策略對(duì)減少系統(tǒng)誤差非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PID控制策略設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，然而參數(shù)控制需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此有學(xué)者在此基礎(chǔ)之上嵌入了自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊[11]，從而使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加智能化，中點(diǎn)波動(dòng)后調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短。

但是，長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，平衡電路中的電容電感受到外部干擾會(huì)發(fā)生變化。電容隨著高溫、高壓和放電深度會(huì)發(fā)生老化，電感元件受到電磁干擾，耦合亦會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)平衡電路中的元器件自身大小發(fā)生變化后，對(duì)于中點(diǎn)電位也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

為了解決這一問題，本文通過搭建平衡電路，通過BPPID控制策略實(shí)現(xiàn)跟蹤當(dāng)電容與電感值產(chǎn)生變化后，建立新的傳遞函數(shù)關(guān)系式，通過調(diào)節(jié)新傳遞函數(shù)PID參數(shù)減小中點(diǎn)電壓波動(dòng)。在matlab/simulink中分別對(duì)BPPID控制器進(jìn)行建模分析，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器具有可行性。

1 T-NPC及中點(diǎn)電位不平衡因素分析

1.1 T-NPC

圖1 所示為一種T型三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，采取的平衡電路即圖中兩個(gè)橋臂上串聯(lián)的電容和電感部分，其中C1和L1為平衡電路的上橋臂，C2和L2為平衡電路的下橋臂。O點(diǎn)即T型三電平的中點(diǎn)。

1.2 中點(diǎn)電位不平衡分析

T-NPC直流側(cè)模塊主要分為PWM調(diào)制模塊，平衡電路模塊和控制模塊。因此造成中性點(diǎn)電位發(fā)生偏移的原因主要從以下幾個(gè)模塊去分析：（1）PWM模塊中產(chǎn)生的，非冗余矢量會(huì)對(duì)電路結(jié)構(gòu)造成中點(diǎn)電壓偏移;（2）控制模塊中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，PID控制器的控制參數(shù)不能根據(jù)系統(tǒng)變化而進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤反饋;（3）平衡電路模塊中，當(dāng)系統(tǒng)處于長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下，直流側(cè)電源電壓隨時(shí)間變化不穩(wěn)定并且容易波動(dòng)，平衡電路中的電容電感受到外部干擾會(huì)發(fā)生變化。電容因?yàn)闇囟?、電壓和放電深度的影響?huì)發(fā)生老化，電感元件受到電磁干擾，耦合亦會(huì)發(fā)生變化。本文重點(diǎn)討論電感電容元件值發(fā)生變化時(shí)，結(jié)合圖2進(jìn)行具體分析。

如圖2所示，左側(cè)的Udc為傳輸端的直流電源，其中C1和L1為平衡電路的上橋臂，C2和L2為平衡電路的下橋臂。電流流入的正方向如圖所示，對(duì)直流側(cè)電路進(jìn)行拉式變換后，再由KCL，可得電流i3輸入與輸出的開環(huán)傳遞函數(shù)：

（1）

可以通過仿真模型確定系統(tǒng)每一部分參數(shù)，從而通過PID調(diào)節(jié)器修改該傳遞函數(shù)的特性。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中點(diǎn)電位控制策略

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的T型三電平中點(diǎn)電位平衡控制方法具體步驟和特點(diǎn)如下：

步驟一：編寫B(tài)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制器核心部分S函數(shù)。

步驟二：將T型三電平并網(wǎng)逆變器、平衡電路、和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器連接。

步驟三：將期望值、實(shí)際值、偏差作為輸入，進(jìn)行自學(xué)習(xí)后，輸出PID的控制參數(shù)。

2.1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的S函數(shù)

因?yàn)锽P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器不是一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入輸出關(guān)系函數(shù)，要經(jīng)過三層處理得到其輸入與輸出關(guān)系，因此不能直接用傳遞函數(shù)來(lái)描述。S函數(shù)可以幫助建立起傳遞函數(shù)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。本文借鑒了別的學(xué)者研究成果[12]，編寫了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)S

函數(shù)的代碼，并將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)嵌入到T型三電平系統(tǒng)中。

2.1.2 BPPID控制器原理

圖3為BPPID控制器的原理圖，通過收集平衡電路兩端電壓信號(hào)，計(jì)算出實(shí)際電流值，再與預(yù)設(shè)的電流額定值進(jìn)行比對(duì)得到開環(huán)傳遞函數(shù)，將該開環(huán)傳遞函數(shù)的信息輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

本文使用的BPPID控制器是三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即3輸入（IN）（即電流期望值，電流實(shí)際值和偏差值），隱含層數(shù)（H）為5，輸出層數(shù)（OUT）為3（其中該層次對(duì)應(yīng)比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd），T是采樣周期，本文選用的采樣周期為200ms。

2.2 中點(diǎn)電位控制策略

由于本文重點(diǎn)研究的是平衡電路元器件不平衡狀態(tài)下的工作狀態(tài)，在圖1中IGBT關(guān)斷時(shí)間，電感L1的能量全部轉(zhuǎn)移到電容C1上，電感L2的能量全部轉(zhuǎn)移到電容C2上，此處為了簡(jiǎn)化運(yùn)算不妨在仿真模型中使兩組電容和電感值乘積相等，經(jīng)仿真驗(yàn)證，此方法可以有效驗(yàn)證平衡電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 Matlab/Simulink仿真與分析

為了驗(yàn)證本文提出的在平衡電路出現(xiàn)不對(duì)稱的情況下，BPPID控制策略對(duì)于T型三電平逆變器中性點(diǎn)電位是否具有正確性與實(shí)際可行性，在Matlab/Simulink平臺(tái)中搭建了相應(yīng)模塊。圖4為T型三電平電路仿真模型。

將系統(tǒng)采樣周期設(shè)為200ms，可以得到圖5的波形。

當(dāng)時(shí)間在100ms之后，該傳遞函數(shù)誤差會(huì)在±0.01dB之間波動(dòng)，中點(diǎn)電位已經(jīng)能夠被控制在合理范圍之內(nèi)。

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