基于SVPWM的军用储能电源双闭环模糊控制

樊波，倪磊，牛天林，赵广胜

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

基于SVPWM的军用储能电源双闭环模糊控制

樊波，倪磊，牛天林，赵广胜

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

传统整流器的接入会给电网带来大量谐波和无功污染，为了削减电网侧的电压谐波分量，提高军用储能电源充电系统的功率因数，提出一种基于空间电压矢量PWM的新型闭环控制方法。在建立三相电压型PWM整流器的数学模型的基础上，分析了储能电源整流环节的双闭环控制结构，引用模糊逻辑对双闭环控制方法进行改进，利用模糊比例积分（PI）控制算法设计电流内环，系统可以实现PI参数的自适应调整。通过仿真验证了该方法的有效性，采用双闭环模糊PI控制的PWM整流器可以实现单位功率因数运行，保证输出的直流电压稳定，抗干扰能力强，具有良好的动态响应。

储能电源，整流，模糊PI算法，双闭环控制

0 引言

随着经济和社会的发展，储能电源以其能够平抑功率波动，改善电网电能质量的特点在生产生活和国防工业中发挥着越来越重要的作用。储能电源整流充电装置的接入不可避免地会给供电电网带来高次谐波污染，降低功率因数。安全、可靠的军用供电电源对部队作战、训练和日常值班具有重要意义，近年来学者们针对整流电路的拓扑结构和控制方法作了很多研究，相关的拓展应用也得到了快速发展。

整流器交流控制效果直接影响军用储能电源充电系统的可靠运行，传统的控制策略会给电路带来大量的谐波，网侧电流不能很好地跟踪交流电压波形，不能满足作战需求。本文提出改进的双闭环控制方法，在同步速旋转坐标系下建立基于空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）储能电源的三相电压型整流电路模型，将模糊控制算法［1-2］引入整流的闭环控制中，削减了输出电压谐波，提高了系统的抗干扰性能，有效地改善了军用储能电源输出电压的质量，仿真实验论证了提出的储能电源整流控制方法的可行性。

1 VSR模型和控制策略

1.1 三相VSR数学模型

储能电源系统电能变换控制的核心是三相电压型PWM整流器［3-4］（Voltage Source rectifier，VSR），其拓扑结构如图1所示，主电路由交流回路、开关器件绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、整流桥及直流回路组成。整流器通过控制开关器件的导通和截止，实现能量的双向流动，具有电压谐波含量小、网侧功率因数可控、四象限运行等优点［5］。

图1 三相电压型PWM整流器拓扑结构

将三相VSR各相中上下桥臂的功率开关器件IGBT看作是理想开关，按a、b、c相序定义各相的通断状态为Sa、Sb、Sc，并定义函数Si（i=a，b，c）为：

根据基尔霍夫定律，三相VSR在a，b，c三相静止坐标系中的数学模型为：

将式（2）变换为两相同步速旋转坐标系dq下的状态方程为：

其中，ed、eq和id、iq分别是电网侧电动势和电流的d、q分量；vd、vq为整流桥在dq坐标系下的输入电压；ω为角频率。

1.2 双闭环控制策略

双闭环控制被广泛地应用于三相VSR中，即通过控制电压外环和电流内环稳定输出直流电压，使交流侧电流实时地跟踪输入侧电压波形相位，从而达到提高系统的功率因数和改善电流波形的目的。

1.2.1 电流控制

由VSR数学模型可以看出，三相电压型整流器交流侧dq变量相互耦合，给控制器设计造成了一定的困难，为此可以采用前馈解耦控制策略解决。当电流闭环控制采用PI调节器时，vd、vq的控制方程如下：

式中，Kp为电流内环比例调节参数；KI为积分环节参数；为电流指令值。

基于前馈算法使三相电流内环实现了解耦控制，双闭环SVPWM三相电压型整流器控制原理框图如图2所示。

图2 双闭环SVPWM三相VSR原理框图

根据dq坐标系的物理意义可知，当q轴上的电压分量eq等于或接近于0，整流器在单位功率因数工作，由此可得：

在设计控制器时需要考虑电流内环的全部环节，其中包括电参量采样环节和PWM波形调制环节，它们均可视为小惯性环节，结合双闭环控制原理，将系统中的所有的惯性环节进行简化可得d轴上的电流内环控制结构如下页图3所示。

本环节的设计应以快速性作为重点调节对象，所以应将其校正为典型I型系统。为实现这个校正目的，必须将L/R这个环节抵消掉［6］，通过PI校正之后，系统控制结构开环的数学表达式可表示为：

图3 电流控制环

1.2.2 电压控制

电压调节器将直流反馈电压与参考电压的偏差作为输入，调节器的电压指令值U*可以由三相VSR空间电压矢量Uk（k=0～7）合成，引入传统PI控制设计电压调节器，电压外环的控制结构如图4所示［7］：

图4 电压控制环

2 电流内环模糊控制器的设计

2.1 模糊控制理论

随着电源变换器的不断成熟和发展，电压型整流器出现了诸多新型控制方法。常规的PID控制一般适用于小滞后的系统，这种控制方法不能很好地解决被控对象静态特性与动态性能之间的冲突，也不能有效解决设定值与抑制扰动之间的矛盾，因此系统的控制效果并不理想。

模糊控制不要求被控系统具有精确的数学模型，可以解决常规的PID控制难以实现的复杂问题。模糊控制系统主要包括4个部分：模糊控制器、输入/输出接口电路、被控对象以及检测装置，控制器结构框图如图5所示。

模糊控制器是模糊控制系统的核心，其主要由变量模糊化、模糊规则库、模糊推理以及解模糊环节等组成［8］。模糊控制系统的一般工作原理为：通过检测采样装置的采样量得到被控对象的输出，并与给定参考值进行比较得到系统的输入量；模糊控制器将通过输入接口电路的输入量进行模糊化处理，经过模糊推理后得到控制模糊量，并对控制模糊量进行解模糊化处理得到精确的控制量；输出接口电路将控制量送至执行器，对控制对象进行控制。

图5 模糊控制器的原理框图

模糊控制算法可概括为以下4个步骤：

①根据采样样本得到系统的输出值，计算所选择系统的输入变量；

②将输入变量的精确值转化模糊量；

③根据输入变量及模糊控制规则，按模糊逻辑推理合成规则计算控制量；

④由上述得到的控制量（模糊量）计算精确的控制量。

2.2 PI模糊控制器设计

传统PI调节存在抗干扰能力差、参数整定困难、时变控制不确定等不足，当储能电源工作时，由于负载变化、输出电压波动大和外界环境干扰等因素，其控制性能可能会变差，控制器参数辨识的整定方法不一定有效。模糊控制系统具有鲁棒性强、抗干扰性能强的优点，尤其适合于解决非线性、时变控制复杂问题，本文利用模糊规则对PI控制器设计，实现对电流内环参数Kp和KI自适应调整，从而使得难以被建模的被控对象获得更优的控制结果。模糊PI控制器的原理结构图如图5所示：

图6 模糊PI控制器的原理框图

系统采用二维模糊控制，选取e和ec作为控制器的输入量，其中e为误差信号，ec为误差变化率，先对其进行模糊化处理，变成模糊量E、EC，再经模糊推理算法得到模糊输出量，解模糊化后得到精确值ΔKp和ΔKI。基于模糊PI控制的原理结构框图，采用Mamdani提出的标准化设计方法，首先对提出的论域进行模糊化，设定e、ec的基本论域为［-3 3］，并将输入输出量的论域离散为7个等级，e和ec分别在正反两个方向进行调整，系统模糊子集为［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，分别对应于［负大，负中，负小，零，正小，正中，正大］。

表1 ΔKp的模糊控制规则表

表2 ΔKI的模糊控制规则表

3 仿真结果

在MATLAB/SIMULINK环境下搭建储能电源三相VSR控制模型，其中交流输入电压为380 V，网侧滤波电感L为3 mH，输入等效阻尼电阻R为0.5 Ω；直流侧电压指令值为650 V，负载电阻为20 Ω，功率为19 KW，开关转换频率为20 kHz。设计储能电源整流模糊PI控制模块，采用S函数与SIMULINK模块相结合的方式对系统模型进行仿真，设置仿真时间为1 s，得到仿真结果如图7，图8所示，其中，图7为整流运行时三相VSR的交流电压电流仿真波形，图8为整流器负载在0.2 s时突变到40 Ω时直流侧母线电压的仿真波形。

图7 三相VSR交流电压电流波形

图8 突加负载情况下直流电压输出波形

由仿真结果可以看出，基于SVPWM的三相VSR具有快速的动态响应，采用双闭环模糊PI控制的PWM整流器交流侧电流能够很好地跟踪输入侧电压波形相位，鲁棒性能好。在0.2 s负载突增时，在模糊PI控制器的调节下，直流侧母线电压抖动幅度较小，并能0.1 s内稳定在电压给定值650 V，改善了被控系统的稳态特性。

4 结论

本文将模糊控制理论引入储能电源电流闭环PI控制器的设计中，方法简单，易于实现，有效地解决了传统PI控制器抗干扰能力弱、鲁棒性能差、自适应能力有限的难题。仿真实验表明，系统能够在单位功率因数运行，在突变负载情况下具有很强的鲁棒性和抗干扰能力，输出超调量小，控制量平稳，能够较好地改善储能电源整流输出的电能质量，验证了模糊PI的双闭环控制方法应用在储能电源三相VSR复杂非线性控制系统的可行性和有效性。

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［6］任增田.基于PWM整流技术的充放电系统研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

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Research on Control Strategy for Military Energy Storage System Rectifier Based on SVPWM Double-close-loop Fuzzy Control

FAN Bo，NI Lei，NIU Tian-lin，ZHAO Guang-sheng
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The traditional rectifier will bring a lot of harmonics and reactive contamination to the power grid，in order to reduce the voltage harmonic component side of the grid，improve the power factor of the military power charging energy storage system，this paper proposes a new control strategy based on the closed-loop space vector PWM control methods.On the basis of the establishment of the three-phase voltage type PWM rectifier mathematical model，the double-close-loop control structure of the battery energy storage system rectifier links is analysed，optimized fuzzy double-close-loop control method is designed for the fuzzy PI current loop control algorithm，which can optimize and adjusts the parameters of the system，and the effectiveness of the proposed method is validated by simulation.The simulation result showed that the use of double-close-loop fuzzy PI control PWM rectifier can achieve unity power factor operation，the output DC voltage is stable，the quality of anti-interference was enhanced，and it also can ensure good dynamic response.

energy storage system，rectifier，fuzzy PI algorithm，double-close-loop control

TM464

A

1002-0640（2017）02-0168-04

2016-01-05

2016-02-18

樊波（1965-），男，山西洪洞人，副教授，硕士生导师。研究方向：军用电源关键技术。