基于分數階pi的三相電壓型pwm整流器雙閉環(huán)矢量控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分數階PI的三相電壓型PWM整流器的矢量控制方法。控制方法采用雙閉環(huán)矢量控制。首先對三相電壓型整流器施加基于整數階PI的電流內環(huán)控制，再對三相電壓型整流器施加基于分數階PI的電壓外環(huán)控制，其次采用SVPWM生成方式，形成一種基于分數階PI的三相電壓型PWM整流器的雙閉環(huán)矢量控制方法模型，最后對上述的矢量控制模型進行參數整定。本發(fā)明使三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)獲得更好的抗擾性和魯棒性，解決了現有控制方法精確性低、穩(wěn)定性差或復雜度高的問題。
【專利說明】
基于分數階PI的H相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于整流器控制技術領域，具體設及一種基于分數階PI的=相電壓型PWM 整流器雙閉環(huán)矢量控制方法。
【背景技術】
[0002] =相單位功率因數的電壓型PWM整流器具有功率因數高、直流側電壓穩(wěn)定、可控及 網側電流正弦度高、諧波含量小、電能雙向流動等優(yōu)點，故被廣泛應用到工業(yè)的各個領域。 其控制系統(tǒng)多采用雙閉環(huán)結構（即電流內環(huán)和電壓外環(huán))的矢量控制。該控制策略中包含有 =個獨立的PI控制器，它們的參數需要相互協(xié)調才能達到系統(tǒng)整體的暫態(tài)和動態(tài)指標。由 于PWM整流器是一個強非線性的禪合系統(tǒng)，對模型的建立不夠精確，并且整流器的系統(tǒng)參數 具有時變特性，并易受到外部擾動，同時PWM整流器由于輸出直流側電壓的改變而使得系統(tǒng) 工作點會發(fā)生變化，因此使得傳統(tǒng)的PID控制不能很好的適用于PWM整流器的控制。同時傳 統(tǒng)的PI控制器對網側電感的微小變化十分敏感，此外，整流器內部參數的不確定和負載擾 動的存在，更增加了控制器參數整定的難度。
[0003] 傳統(tǒng)PID控制往往難W獲得滿意的控制效果，而目前普遍應用的神經網絡控制、自 適應控制及滑?？刂频?，雖然控制品質有改善，但是增加了控制器設計的復雜程度，模型和 參數整定相對比較復雜，應用于實際比較困難。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于分數階PI的=相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制 方法，使=相電壓型PWM整流器系統(tǒng)獲得更好的抗擾性和魯棒性，解決了現有控制方法精確 性低、穩(wěn)定性差或復雜度高的問題。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術方案是，一種基于分數階PI的=相電壓型Pmi整流器雙閉環(huán) 矢量控制方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1，對=相電壓型整流器施加基于整數階PI的電流內環(huán)控制；
[0007] 步驟2,再對=相電壓型整流器施加基于分數階PI的電壓外環(huán)控制；
[000引步驟3,采用SVPWM生成方式，形成基于分數階PI的=相電壓型PWM整流器的雙閉環(huán) 矢量控制模型；
[0009] 步驟4,對步驟3的雙閉環(huán)矢量控制模型進行參數整定。
[0010] 本發(fā)明的特點還在于，
[0011] 步驟1中，電流內環(huán)控制采用前饋解禪控制方式，控制器采用整數階PI控制器。 [001^ 步驟帥，電壓外環(huán)控制采用分數階的PI控制器。
[OOK]步驟帥，電流內環(huán)控制按照典型I型設計，其參數的整定規(guī)則為
[0014]
[0015] 進一步地，取 ki/kp = Rs/L。
[0016] 步驟4中，電壓外環(huán)的參數整定運用頻域校正法，并引入Flat曲ase校正條件，貝U 需要滿足W下=個方程：
[0017]
[001 引
[0019] 根據系統(tǒng)設計要求選取CO。和(K，通過該立個方程求解參數kp，ki，入。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是，在電流內環(huán)使用經典PI控制器，分別對有功電流iq與無功 電流id進行前饋解禪控制，W達到單位功率因數運行的目的；電壓外環(huán)則通過分數階PI控 制器來穩(wěn)定直流側電壓，增強系統(tǒng)的魯棒性，削弱負載擾動對系統(tǒng)輸出特性的影響，確保系 統(tǒng)參數變化時直流側輸出電壓保持穩(wěn)定;采用頻率域方法與"Flat化ase"方法相結合的校 正方法，對分數階PI控制器的參數進行整定，結果表明，直流側電壓的超調量小，響應速度 快，在負載擾動下，增強了系統(tǒng)的抗擾性和魯棒性，控制效果好。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明中S相電壓型整流器的dq模型結構圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明中=相電壓型整流器的dq模型的電流解禪控制框圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明中基于分數階PI的雙閉環(huán)矢量控制框圖；
[0024] 圖4是本發(fā)明中基于分數階控制器的=相PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)框圖；
[0025] 圖5是本發(fā)明中有功電流內環(huán)的傳遞函數框圖；
[0026] 圖6是本發(fā)明中電壓外環(huán)的傳遞函數框圖；
[0027] 圖7是本發(fā)明中網側a相電壓Ua，電流ia和直流側電壓Ud。仿真波形圖；
[0028] 圖8是本發(fā)明中負載擾動時整流器主要變量的波形圖；
[0029] 圖9是本發(fā)明中分數階PI控制器與整數階PI控制器對比實驗圖；
[0030] 圖9(a)是整流器啟動過程直流側電壓對比；
[0031] 圖9 (b)負載擾動時直流側電壓對比；
[0032] 圖10是本發(fā)明中基于dSPACE的分數階PWM整流系統(tǒng)框圖；
[0033] 圖11是本發(fā)明中a相電壓和電流實驗波形對比圖；
[0034] 圖11 (a)是控制器未啟動時；圖11 (b)分數階矢量控制PWM整流后；
[0035] 圖12是本發(fā)明中S相電流的有效值和相位對比圖；
[0036] 圖12(a)是控制器未啟動時；圖12(b)分數階矢量控制PWM整流后；
[0037] 圖13是本發(fā)明中整流器有功與無功分析對比圖；
[0038] 圖13(a)是控制器未啟動時；圖13(b)分數階矢量控制PWM整流后；
[0039] 圖14是本發(fā)明中整流器輸入電流諧波分析對比圖；
[0040] 圖14(a)是控制器未啟動時；圖14(b)分數階矢量控制PWM整流后；
[0041] 圖15是本發(fā)明中整流器啟動過程對比圖；
[0042] 圖15(a)是控制器為分數階PI;圖15(b)控制器為整數階PI;
[0043] 圖16是本發(fā)明中整流器的加載過程對比圖；
[0044] 圖16(a)是控制器為分數階PI;圖16(b)控制器為整數階PI;
[0045] 圖17是本發(fā)明中整流器的減載啟動過程對比圖；
[0046] 圖17(a)是控制器為分數階PI;圖17(b)控制器為整數階PI。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明并不限于 W下實施方式。
[0048] 本發(fā)明的基于分數階PI的=相電壓型Pmi整流器的控制方法為，對其采用雙閉環(huán) 結構的矢量控制，即對電流內環(huán)采取整數階PI控制，對電壓外環(huán)采用分數階PI控制，再選擇 SVPmi空間矢量脈寬調制生成方式，讓HVM整流器的電壓空間矢量跟隨該指令，進而達到控 制電流的目的;最后再對控制器的參數進行整定，進而達到預先設定的控制效果。
[0049] 參照附圖，具體按照W下步驟進行：
[0050] 步驟1、首先給出兩相旋轉dq坐標系中的S相電壓型Pmi整流器的開關函數模型 為：
[0化1 ]
[0052]其次對S相電壓型整流器采用電流內環(huán)控制。由于dq模型的變量id, iq相互禪合， 所W電流內環(huán)采用前饋解禪控制方式。控制器采用傳統(tǒng)的整數階PI控制器，Ud, Uq的控制方 程如下：
[0化3]
[0054]將式(2)代入式(1)，可得電流解禪控制后的動力學行為方程：
[0化5]
[0056] 式中顯見，狀態(tài)變量id, iq的動力學方程僅與各自的狀態(tài)有關，達到了解禪的目的。 再根據式(3)和圖1整流器dq模型，可W得到=相電壓型整流器的dq模型的電流解禪控制框 圖，如圖2所示。
[0057] 步驟2、接著再對S相電壓型整流器采用電壓外環(huán)控制。由式（1)和圖1可知，由于 開關函數Sd, Sq的存在，直流側電壓Udc與有功電流id,無功電流iq存在非線性關系。當用有功 電流id對母線電壓進行穩(wěn)定性控制時，電壓外環(huán)如果使用傳統(tǒng)的整數階PI控制器，動態(tài)控 制性能會受到一定制約。因此，基于分數階控制具有的魯棒性特點，本文采用如圖3所示的 分數階PI控制器來實現對電壓外環(huán)的穩(wěn)定控制。
[005引步驟3、對雙閉環(huán)控制的S相電壓型整流器采用SVPmi調制方式。將同步旋轉dq坐 標系中電流控制器輸出的控制指令Ud，Uq轉換為兩相靜止郵坐標系中的控制指令Ua，Ue。隨 后采用SVP歷調制方式，讓P歷整流器的電壓空間矢量跟隨該指令，進而達到控制電流的目 的。矢量控制框圖如圖4所示，其中化L為鎖相環(huán)節(jié)。
[0059] 步驟4、對已經施加雙閉環(huán)矢量控制的=相電壓型PWM整流器模型進行參數整定。
[0060] 步驟4.1、進行電流內環(huán)參數的整定：
[0061] 由步驟1可知，電流內環(huán)采用傳統(tǒng)的整數階PI控制器，電流內環(huán)由兩個對稱電流環(huán) 組成，即有功電流環(huán)和無功電流環(huán)。W有功電流iq為設計對象，在不考慮eq擾動的前提下，其 控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。
[0062] 其中，L是網側輸入電感，Rs是網側線路電阻，Ts是電流內環(huán)的電流采樣周期，其與 功率器件的開關頻率相等。虹《為=相橋的PWM等效增益。由圖可得電流內環(huán)的控制對象傳 遞函數為：
[0063] C4)
[0064]
[0065] (5)
[0066] 因為電流內環(huán)的控制目標是為了得到快速的電流跟隨性，所W該環(huán)節(jié)按照典型I 型設計。取ki/kD = Rs/L，IlPI控制器可W抵消控制對象的極點，參數整定的規(guī)則為：
[0067]
(6)
[0068] 步驟4.2、對電壓外環(huán)的參數進行整定：
[0069] 電壓外環(huán)起到穩(wěn)定直流側電壓的作用，其控制框圖如圖6所示。
[0070]
[007^ 口）
[0071 ]根據圖6可得電壓外環(huán)控制對象的傳遞函數為：
[0073] 自率響應為：
[0074] (8).
[0075] I的幅值與相位的頻率特性為：
[0076] (9)
[0077] arg[Gp( )]=-a;rctan(Tv? )-a;rc1:an(Ti? ) (10)
[0078] 定義分數階PI控制器的傳遞函數為：
[0079] Gc(s)=kp(l+ki/s^) (11)
[0080] 其中A為積分的階次，取值范圍是AG (〇，1)區(qū)間上的任意實數。
[0081 ] 分數階PI控制器的頻率響應可W表示為：
[0085] 相位的頻率特征方程為：
[00 劇 （口)
[0083] 巧程；
[0084] (13)
[0086]
( 14)
[0087] 為了整定參數，運用頻域校正法，使控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數Gk滿足如下方程：
[008引 |Gk(j?c) IdB = OdB (15)
[0089] arg[Gk( j?c)]= (16)
[0090] 其中是O。為開環(huán)截止頻率，(K是相位裕度。
[0091] 為了得到更好魯棒性，引入"Flat Phase"的校正條件，即系統(tǒng)的開環(huán)相位頻率特 性滿足下式：
[0092]
Q7)
[0093] 基于上述綜合校正方法，對分數階PI控制器的參數進行整定。電壓外環(huán)的開環(huán)傳 遞函數為：
[0094] Gk(S)=Gc(S)Gp(S) (18)
[0095] 根據式(15)可得：
[0096] Gc( j ?c)Gp( j c〇c) I =1 (19)
[0097] 將式(9)和(13)代入式(19)，得：
[0098]
(20)
[0099] 又根據式（16)可知：
[0100] a;rg[Gc( )Gp(j W )]=arg[Gc( j W )]+a;rg[Gp( )]= (K-JI (21)
[0101] 將式(10)和(14)代入式(21)可得：
[0102] (22)
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] (24)
[0107] 綜上所示，分數階PI控制器有=個未知參數1^，41，人，根據整定規(guī)則即可得出了 = 個待滿足的方程，即式(20)，（22)，（24)。在具體設計時，首先按系統(tǒng)設計要求選取CO。和d) m， 根據式(22)和式(24)可W確定ki，A的取值，再通過式(20)來求得kp。
[0108] 為了驗證本發(fā)明方法的可行性，采用Matlab/Simulink對控制系統(tǒng)進行仿真研究。 主電路的仿真參數見。
[0109] 表1。
[0110] 表1主電路仿真參數
[0113]分數階Laplace算子S"使用改進Oustaloup濾波器近似擬合的方法實現，仿真中根
[0111]
[0112] 據開關頻率?。篧b = le-6，Oh= le6，N = 8。電流內環(huán)PI控制器參數取:kp = 21.3，ki = 14.7。 此外，根據。
[0114] 表1中的主電路參數及式(7)可知電壓外環(huán)被控對象的等效傳遞函數為：
[0115] (巧）
[0116] 3 參數根據式（20)，（22)，（24)整定為:4。=1.6，山二 21.1，入：
[0117] (26)
[0118] 仿真結果；
[0119] 從圖7可見，主電路網側a相電流ia正弦度好且與電壓Ua基本同相，即功率因數接近 1。在電壓外環(huán)的分數階PI控制器作用下，直流側經電容濾波后的電壓Udc超調量小，響應速 度快且穩(wěn)定到給定電壓IOOV處。
[0120] 為了驗證系統(tǒng)的抗擾動性，當t = 0.4s時，引入負載擾動，即負載電阻由30 Q變?yōu)?15 Q。如8所示，隨著負載電阻的減小，網側電流增大且很快就達到了穩(wěn)態(tài)值。直流側電壓ud。 由于負載的增加而有些許跌落，由于分數階PI控制器的作用，也能快速恢復到目標電壓。
[0121] 為了對比分數階PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，令分數階參數 a取值為U ,0.9,0.8,0.6}，進行實驗研究。如圖9(a)所示，在啟動時刻，與整數階PI控制器 相比較，在電壓外環(huán)的分數階PI控制器作用下，響應速度更快，但隨著階次的降低，其超調 量逐漸顯現，當A = O.6時系統(tǒng)出現超調。圖9(b)為負載擾動(30 Q變?yōu)?5 Q )時直流側電壓 對比，由于突加負載，直流側電壓出現明顯跌落，受分數階PI控制的整流器電壓跌落小，恢 復快，隨著階次降低其魯棒性強逐漸增強。
[0122] 為了進一步驗證本發(fā)明的可行性和正確性，選擇dSPACE半實物仿真系統(tǒng)作為實現 分數階矢量控制器的核屯、，采用數字控制的方法搭建基于分數階矢量控制的=相PWM整流 器實驗平臺。通過電路實驗，對比研究分數階PI控制器與經典PI控制器的控制效果。
[0123] 基于d SP ACE的分數階PWM整流系統(tǒng)框圖如圖10所示。其中，d SPACE選用德國的 dSPACE DS1103dDS1103與整流器主電路共有8路輸入模擬信號的變量交互，分別為:直流側 輸出電壓Udc,輸入相電壓ea,b,c，相電流ia,b,C和故障信號Vfo;輸出為6路P歷信號己相PWM整 流器的功率單元選用智能功率模塊（IPM)。IPM模塊選取美國仙童公司的FSBB30CH60C。該模 塊含有3個IGBT橋臂，最大導通電流為30A，最大耐壓600V;而采樣電路包含兩種信號，即相 電壓ea,b,c和直流母線電壓Udc,電流采樣信號為S相電流ia,b,c。
[0124] 實驗結果：
[0125] 穩(wěn)態(tài)性能實驗采用的示波器型號為Fl址el90-102。圖11為a相電壓和電流PWM整流 前后的對比實驗波形。從圖11(a)中可W明顯看出，分數階矢量控制器未工作時，=路橋臂 的IGBT均不導通，僅靠其反并聯(lián)二極管不控整流。而當控制器投入運行時，如圖11(b)中所 示，PWM整流后的網偵Ua相電流和電壓的相位基本一致，正弦度好，基本能夠實現單位功率因 數運行。
[0126] 為了更精確的測試整流器的穩(wěn)態(tài)性能，本次實驗選用Fluke435功率分析儀進行分 析。當控制器未啟動時，整流器為二極管不控整流，其輸入側的=相電流相位如圖12(a)所 示。當控制器運行后，由圖12(b)可見，電流相位已經基本與電壓相位重合。
[0127] 整流器的功率組成分析與輸入電流諧波分析分別如圖13(a)、圖13(b)、圖14(a)、 圖14(b)所示。從圖中可W看到，當分數階矢量控制器運行時，整流器的輸出功率可W到達 額定值，即750W，基本消除了無功功率，滿足單位功率因數運行。而且引入了分數階矢量控 制器后，系統(tǒng)的T皿從29.3%降至2.6%，說明系統(tǒng)諧波明顯減少，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。
[0128] 動態(tài)性能實驗由圖15(a)、圖15(b)可知，當控制器為分數階PI時，其直流側電壓Udc 到達穩(wěn)態(tài)值IOOV時所需的調節(jié)時間略小于整數階系統(tǒng)，證明了分數階控制器調節(jié)時間短的 優(yōu)勢。
[0129] 由圖16(a)、圖16(b)可知，由于突加負載，直流側電壓出現明顯的跌落，受分數階 PI控制的整流器明顯電壓跌落小，恢復快，網側電流在兩個周期內基本調節(jié)到新的穩(wěn)態(tài)平 衡點，而整數階系統(tǒng)則需要=個周期W上才能大致進入新的平衡。
[0130] 而由圖17(a)、圖17(b)可知，由于此時負載電阻從15 Q突變?yōu)?0 0,分數階控制系 統(tǒng)的直流側電壓突升幅度小，網測電流到達新平衡態(tài)的時間短，證明分數階系統(tǒng)具有更強 的魯棒性。
【主權項】
1. 一種基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方法，其特征在于，包括 W下步驟： 步驟1，對Ξ相電壓型整流器施加基于整數階PI的電流內環(huán)控制； 步驟2,再對Ξ相電壓型整流器施加基于分數階PI的電壓外環(huán)控制； 步驟3,采用SVPWM生成方式，形成基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器的雙閉環(huán)矢量 控制模型； 步驟4,對步驟3的雙閉環(huán)矢量控制模型進行參數整定。2. 根據權利要求1所述的基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方法， 其特征在于，步驟1中，電流內環(huán)控制采用前饋解禪控制方式，控制器采用整數階PI控制器。3. 根據權利要求1所述的基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方法， 其特征在于，步驟2中，電壓外環(huán)控制采用分數階的PI控制器。4. 根據權利要求1所述的基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方法， 其特征在于，步驟4中，電流內環(huán)控制按照典型I型設計，其參數的整定規(guī)則為5. 根據權利要求4所述的基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方法， 其特征在于，取ki/kp = Rs/L。6. 根據權利要求1所述的基于分數階PI的Ξ相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)矢量控制方 法，其特征在于，步驟4中，電壓外環(huán)的參數整定運用頻域校正法，并引入Flat Phase校正條 件，則需要滿足W下Ξ個方程：根據系統(tǒng)設計要求選取ω。和Φ m，通過該Ξ個方程求解參數kp，ki，λ。
【文檔編號】H02M7/219GK105978371SQ201610430475
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】楊寧寧, 吳朝俊, 徐誠, 賈嶸
【申請人】西安理工大學