新型無(wú)電壓傳感器PWM整流器功率預(yù)測(cè)控制研究

周偉，滕建斌，王智磊，王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266100)

1 引言

三相電壓型PWM整流器因其能量雙向流動(dòng)、單位功率因數(shù)等特點(diǎn)，日益引起人們關(guān)注，尤其是“中國(guó)制造2025”綠色工業(yè)化要求的提出更是將國(guó)內(nèi)三相電壓型PWM整流器的研究推向高潮，目前被廣泛應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)、動(dòng)車(chē)牽引、智能電網(wǎng)控制等領(lǐng)域。

PWM整流器控制屬于多變量多耦合系統(tǒng)，主要控制方式有直接電流控制、間接電流控制和直接功率控制(DPC)。直接功率控制根據(jù)輸入電壓電流直接計(jì)算瞬時(shí)功率，并通過(guò)滯環(huán)比較器和開(kāi)關(guān)表執(zhí)行控制，避免了電流控制中內(nèi)部電流環(huán)的影響，獲得了較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性能，但其控制精度仍然有限。為了進(jìn)一步提高DPC的動(dòng)態(tài)控制性能，有學(xué)者將模型預(yù)測(cè)控制(MPC)應(yīng)用于整流端，它基于系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)來(lái)選擇最優(yōu)電壓矢量的控制方法，和傳統(tǒng)直接功率控制方法相比，控制精確度更高。現(xiàn)代控制理論對(duì)于系統(tǒng)集成提出更高的要求，期望以更小的體積，更低的成本達(dá)到高質(zhì)量的控制目的，如船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)及動(dòng)車(chē)牽引變流系統(tǒng)要求簡(jiǎn)化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小占用空間，從而提高系統(tǒng)空間利用率，因此無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器下PWM整流器的相關(guān)控制具有很高的實(shí)際研究?jī)r(jià)值。文獻(xiàn)[4]通過(guò)重新定義電流矢量提出一種無(wú)傳感器電壓定向控制策略，并給出相應(yīng)的相電壓跟蹤方法，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是這種電壓跟蹤方法由于電流微分量的存在，不可避免的引入高頻干擾；文獻(xiàn)[5]運(yùn)用二階廣義積分估計(jì)虛擬磁鏈，提出一種基于虛擬磁鏈定向的無(wú)電壓傳感器矢量控制方法，在磁鏈估計(jì)環(huán)節(jié)引入的電壓純積分漂移問(wèn)題不容忽視。

基于上述分析，本文針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)電壓傳感器PWM整流器直接功率控制提出一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電壓估計(jì)方法，并在DPC基礎(chǔ)上引入電流補(bǔ)償?shù)墓β暑A(yù)測(cè)控制，構(gòu)成基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電壓估計(jì)的三相電壓型PWM整流器無(wú)電壓傳感器功率預(yù)測(cè)控制策略(新型DPC控制)。仿真驗(yàn)證本文所提出的新型DPC綜合控制策略，能夠有效提高網(wǎng)側(cè)電壓估計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能的整體提升。

2 三相PWM整流器無(wú)電壓傳感器下傳統(tǒng)DPC控制

三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型可表示為

式中，ux、ix、vx分別表示兩相靜止αβ坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)電壓、電流及整流器輸入電壓，x = α、β。

傳統(tǒng)無(wú)交流電壓傳感器整流器DPC系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)無(wú)交流電壓傳感器整流器DPC系統(tǒng)框圖

已知在兩相靜止αβ坐標(biāo)系中瞬時(shí)功率p、q的計(jì)算公式為

因此網(wǎng)側(cè)電壓uα、uβ可由瞬時(shí)功率p、q及網(wǎng)側(cè)電流iα、iβ表示為

由此可見(jiàn)，只要得到瞬時(shí)功率估計(jì)值就可得到網(wǎng)側(cè)電壓估計(jì)值。略去電阻的影響，瞬時(shí)功率的估算表達(dá)式為

3 新型DPC控制策略

基于電壓定向的無(wú)交流電壓傳感器整流器DPC系統(tǒng)，能否精確估計(jì)網(wǎng)側(cè)電壓是整個(gè)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。本文以自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型電壓觀(guān)測(cè)器，降低網(wǎng)側(cè)諧波干擾。同時(shí)，在傳統(tǒng)DPC控制中引入模型預(yù)測(cè)控制，基于系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)選擇最優(yōu)電壓矢量，優(yōu)化開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇。這種閉環(huán)控制算法可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不足，使系統(tǒng)獲得更強(qiáng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的整體控制性能。

3.1 新型電壓估計(jì)器設(shè)計(jì)

將公式(1)離散化處理可得

公式(6)可以用帶有一組輸入/輸出的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述。其中，iα、iβ表示自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，表示自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，uα、uβ即表示估計(jì)的網(wǎng)側(cè)電壓，同時(shí)它也是自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重。這種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的新型電壓估計(jì)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型電壓估計(jì)器結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)梯度下降法自適應(yīng)調(diào)整電壓估計(jì)器的權(quán)重uα、uβ，估計(jì)誤差為

進(jìn)一步，可得到離散型二次誤差函數(shù)為

通過(guò)最小化E(k)來(lái)自適應(yīng)地估計(jì)電網(wǎng)電壓，其方法如下；

首先，構(gòu)建如下雅克比矩陣

根據(jù)梯度下降法可得k+1時(shí)刻的權(quán)重為

公式(10)即為電壓估計(jì)器的學(xué)習(xí)規(guī)則，在線(xiàn)最小化公式(9)，μ為電壓估計(jì)器的學(xué)習(xí)率。

3.2 功率預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)

因?yàn)榻涣鱾?cè)電網(wǎng)電壓周期遠(yuǎn)大于采樣周期，因此可將功率預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化為基于電流的預(yù)測(cè)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用前向歐拉法離散公式(1)，可得預(yù)測(cè)電流表達(dá)式為

然而，在實(shí)際數(shù)字控制系統(tǒng)系統(tǒng)模型的參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化(由溫度變化引起)，如系統(tǒng)中電阻、電感等，從而導(dǎo)致功率預(yù)測(cè)精度下降。而且這種基于電流的功率預(yù)測(cè)局限于原理上的閉環(huán)控制，在控制形式上仍然不能擺脫開(kāi)環(huán)范疇?？紤]到基于反饋在克服干擾和不確定因素的影響、獲得閉環(huán)穩(wěn)定性方面有著不可取代的作用，因此可進(jìn)一步通過(guò)電流補(bǔ)償構(gòu)造基于電流的功率預(yù)測(cè)閉環(huán)控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。所謂電流補(bǔ)償，即將k時(shí)刻電流的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差作為k時(shí)刻電流預(yù)測(cè)值的補(bǔ)償量，重新得到k時(shí)刻電流預(yù)測(cè)值

圖3 電流補(bǔ)償?shù)墓β暑A(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)圖

預(yù)測(cè)電流誤差為

經(jīng)電流補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)電流為

式中χ為反饋系數(shù)，0≤χ≤1，可通過(guò)分支定界法確定。

將公式(13)代入公式(2)可得k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)功率為

進(jìn)而得到功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)為

3.3 新型DPC綜合控制

本文將新設(shè)計(jì)的電壓估計(jì)器與基于電流的功率預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，構(gòu)建了一種新型無(wú)電壓傳感器PWM整流器功率預(yù)測(cè)控制。

將公式(11)、(12)代入公式(13)得預(yù)測(cè)電流為

將公式(16)代入公式(14)得

將公式(17)代入公式(15)即可得到新型DPC綜合控制策略的目標(biāo)函數(shù)g。為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)最小化，求目標(biāo)函數(shù)g分別對(duì)vα、vβ的偏導(dǎo)可得：

將公式(18)等于0，可求得使g最小的vα、vβ值為

所述新型DPC綜合控制策略結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型DPC綜合控制策略結(jié)構(gòu)圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab/Simulink中建立三相電壓型PWM整流器在傳統(tǒng)及新型無(wú)電壓傳感器下的DPC控制仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖5(a)中電壓/電流相位略有偏差，不能?chē)?yán)格保持一致。電流波形平滑度較差，存在較大波動(dòng)。(b)中電壓/電流相位一致，且電流波動(dòng)極小。因此新型DPC控制更能保證三相電壓型PWM整流器在無(wú)電壓傳感器下運(yùn)行于單位功率因數(shù)。

圖5 兩種控制下交流側(cè)a相電壓/電流波形

圖6兩種控制下穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)無(wú)功功率對(duì)比圖中，新型DPC控制可以保證瞬時(shí)無(wú)功功率為0，傳統(tǒng)DPC控制下瞬時(shí)無(wú)功功率約為11Kvar且波動(dòng)極大。因此進(jìn)一步驗(yàn)證新型DPC控制更能保證整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)的結(jié)論。

圖6 兩種控制下穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)功率對(duì)比圖

圖7新型DPC控制下直流母線(xiàn)電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)用時(shí)僅為0.02s，電壓波動(dòng)±1V，在啟動(dòng)狀態(tài)無(wú)超調(diào)。

圖7 兩種控制下啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)直流母線(xiàn)電壓對(duì)比波形圖

圖8、圖9是對(duì)傳統(tǒng)及新型DPC兩種控制方法動(dòng)態(tài)特性的考察，具體方法是在1s時(shí)將直流母線(xiàn)電壓給定值udc由600V下降為480V，在1.3s時(shí)串聯(lián)1個(gè)60W的負(fù)載電阻，使原負(fù)載電阻值減半。

圖8 兩種控制下動(dòng)態(tài)瞬時(shí)功率對(duì)比圖

圖9 兩種控制下動(dòng)態(tài)直流母線(xiàn)電壓對(duì)比波形圖

通過(guò)圖8、圖9可以明顯看出無(wú)論母線(xiàn)電壓階躍或負(fù)載突變干擾，新型DPC控制都表現(xiàn)更加優(yōu)異。

5 結(jié)語(yǔ)

圍繞無(wú)電壓傳感器PWM整流器的動(dòng)靜態(tài)性能提高問(wèn)題，在傳統(tǒng)DPC基礎(chǔ)上，重新構(gòu)建基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型電壓估計(jì)器并加入電流補(bǔ)償?shù)墓β暑A(yù)測(cè)控制，提出一種新型DPC綜合控制策略。仿真驗(yàn)證此控制策略能夠明顯抑制交流側(cè)電流諧波，同時(shí)大幅提升系統(tǒng)抗干擾能力。不足之處在于，控制策略?xún)H對(duì)直流側(cè)常見(jiàn)干擾進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)抗干擾能力，對(duì)于電網(wǎng)交流側(cè)不穩(wěn)定性因素(如三相電網(wǎng)不平衡)條件并未進(jìn)行驗(yàn)證，且仿真環(huán)境與實(shí)際工況存在較大差距，控制效果仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。