单相PWM整流器电压外环模糊自适应控制

俞城生 张艳

摘 要：为了提高单相PWM整流器输出电压的质量，解决传统控制策略存在参数整定困难的问题，改善小型能源路由器中间级的输入电压，提出了电压外环模糊自适应控制策略。首先，根据电路特征，建立单相PWM整流器的最优数学模型;其次，将模糊控制思想引入电压外环控制策略中，与传统的PI控制相结合，针对传统PI参数的影响，构建模糊规则，计算模糊因子;最后，与比例谐振控制结合，给出了单相PWM整流器电压外环模糊自适应控制。结果表明，所提出的控制策略具有良好的动态特性，可以在一定程度上减少负载波动时输出电压的波动，且在单位功率因数条件下，能够实现整流器的整流或逆变。改进策略可为小型能源路由器能量双向传输方面的研究提供参考。

关键词：电力电子技术;小型能源路由器;单相PWM整流器;模糊控制;比例谐振控制

中图分类号：TM461   文献标识码：A   doi：10.7535/hbkd.2020yx01003

Abstract：In order to improve the output voltage quality of single-phase PWM rectifier， solve the shortcomings of parameter setting difficulties in traditional control strategies， and improve the input voltage of the intermediate stage of small energy routers， a voltage external loop fuzzy adaptive control strategy is proposed. Firstly， according to the circuit characteristics， the optimal mathematical model of single-phase PWM rectifier is established. Secondly， the idea of fuzzy control is introduced into the voltage outer loop control strategy. Combined with the traditional PI control， the fuzzy rules are constructed according to the influence of traditional PI parameters. The fuzzy factor is calculated. Finally， combined with the proportional resonance control， the fuzzy adaptive control of the voltage outer loop of the single-phase PWM rectifier is given. The experimental results show that the proposed control strategy has good dynamic characteristics， which can reduce the fluctuation of output voltage when the load fluctuates to a certain extent， and can realize the rectification or inversion of the rectifier under the unit power factor condition. It is in line with the two-way transmission requirements of the small energy router.

Keywords：power electronic; small energy router; single phase PWM rectifier; fuzzy control; proportional resonance control

面對能源危机，太阳能、风能、水能等得到了开发利用，随之而来的则是分布式能源的并网、供电质量、储能等一系列问题。杰里夫·里夫金在《第三次工业革命》中提到“电力输送网络将会转变成信息能源网络，使得数以百万计自助生产能源的人们能够通过对等网络的方式分享彼此剩余能源”[1]。能源互联网概念的提出，推动了传统电网向能源互联网演化，促进了电网的智能化[2]。而在整个配电网中，能源路由器相当于变电站。在用户终端，每个用户需要在接入接口上安装一个独立的小型能源路由器，实现电源转换和能源管理[3]。

小型能源路由器的输入级可采用单相全桥PWM整流电路结构[4]，由于传统的单相整流控制策略存在输出电压不稳定的问题，使得能源路由器的输出电流波形畸变率过大，给大电网带来污染。目前，对小型能源路由器整流电路的研究多集中在对电流内环的控制[5-10]，如文献[5]针对单相PWM整流器，提出无差拍电流预测控制方法，有效减少了网侧电流的总谐波失真。文献[6]将调制函数引入预测直接功率控制，从而提高了整流器的动态性能。文献[7]针对UPS电源中单相PWM整流器，在电压外环采用传统PI控制的基础上，对电流环分别采用PI控制和PR控制，论证了PR控制在电压响应时间方面的优越性。

受文献[7]的启发，本文在电压外环引入模糊控制的思想，将模糊控制与传统PI控制相结合，提出一种基于电压外环模糊自适应控制的单相PWM整流策略，该策略不仅加快了整流器的响应速度，而且提高了整流器的稳态性能，使其在单位功率因数条件下，能够实现整流和逆变，满足小型能源路由器能量双向传输的要求。最后，通过Matlab仿真验证了所提方法在电压响应时间和稳态性方面的优越性。

1 输入级整流电路的拓扑结构

能源路由器的核心器件是固态变压器（SST），SST的原理结构图如图1所示[11-12]。其中，输入级为AC-DC电路，隔离级为带隔离的双向DC-DC变换电路，输出级为DC-AC逆变电路。SST具有良好的可控性，能够实现能量的双向传输。

本文针对SST的输入级进行研究，AC-DC电路采用单相全桥PWM整流器，该电路可以使输入电流正弦化，网侧电流电压同相位，以确保整流模块在单位功率因数下正常运行[13]，实现交流-直流整流。其电路拓扑如图2所示。

图2中，Us为电网电压;is为交流侧电流;L为交流侧电感;R0为线路的等效电阻，通常忽略不计;C为直流侧电容，其主要作用是稳定输出电压，减少输出电压的脉动;Ud为整流电路的输出电压;R为直流侧负载;Q1—Q4为电力电子器件，通常为IGBT或MOSFET，本文仿真时选择IGBT;D1—D4为续流二极管。

2 输入级整流电路的控制策略

对于单相全桥PWM整流器，本文将模糊控制的思想引入电压外环控制中，在电压外环采用模糊自适应控制、电流内环采用比例谐振控制的基础上，提出一种新的复合控制策略。基于单相全桥PWM整流电路（见图2），电路基本的控制结构如图3所示。

图3中：Uref为参考电压;Ud为直流侧实时电压;Us为实时交流电压;Is为实时交流电流;I*为模糊自适应环节输出电流的给定幅值。

2.1 电压外环模糊自适应控制

由于SST输入级的作用是输出稳定的直流电压，因此，电压外环设计至关重要，直接影响电流环的输出，涉及到SST的稳定性能。文献[7]的电压外环采用传统的PI控制器，但是当负载变化过大或者扰动较大时，采用传统的PI控制会使SST的系统稳定性变差。本文将模糊控制的思想引入电压外环控制中，与传统的PI控制相结合，提出模糊自适应控制策略，使系统能够自适应调节PI控制参数，提高系统的稳态性能，当负载发生变化时，减少系统的响应时间以及电压波动，使其在单位功率因数下工作。为了使控制器易于实现，且减少硬件的计算量，本文采用二维模糊控制器。电压外环控制结构原理如图4所示。

图4中，ec=de/dt，为直流侧实时电压Ud与参考值差的变化率，ΔKP和ΔKI为整个模糊系统的输出变量。输入输出变量eu，ec，ΔKP， ΔKI的模糊论域均为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，模糊集为{NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL}。

模糊规则的建立主要考虑PI控制中PI参数对电压外环的影响程度。其中，比例系数大小与系统的响应速度有关，当系统响应时间过长时，就要增大比例系数的值，减少调节时间。积分系数大小与系统的稳态误差有关。当系统稳态误差增大或者消除误差时间增长时，要增大积分系数的值，以快速消除系统稳态误差[16]。基于此，模糊规则表如表1所示。

由于本文输出电压为450 V，所以变量eu的模糊论域选择[-450，450]。根据文献[7]，传统控制仿真可得变量ec的最大值为6×1013，故ec的模糊论域为[-6×1013，6×1013]。由模糊控制系统初始的参数值可得，ΔKP，ΔKI的模糊论域分别为[-3，3]和[-15，15]。模糊控制器详细参数如表2所示。

2.2 电流内环比例谐振控制

电流内环控制结构如图5所示。Ts为电流采样周期，也是电力电子器件开关周期，KPWM为整流桥的等效增益。为了方便分析，忽略干扰量Us，将0.5Ts和Ts合并，可以得到简化的电流内环控制结构图[15]，如图6所示。

电流内环主要采用比例谐振控制。因为在实际应用中，一旦电网频率发生偏移，传统的PI控制不能有效地抑制电网谐波[17-18]，而PR控制器则能对特定频率信号实现无静差跟踪[19]。

因此，本文在电流内环环节采用在硬件上易于实现的准PR调节器，其传递函数为[20]GPR（s）=KP+2KRωcss2+2ωcs+ω20，（6）式中：KP，KR为比例谐振系数;ω0为谐振角频率，电网频率为50 Hz，即ω0=100π;ωc为截止频率。参考文献[21]可知，截止频率ωc越小，选频特性越好，但波动较大影响稳定性，通常ωc取5～10 rad/s。本文取值为5 rad/s。

3 系统仿真

本文基于文献[7]的参数以及图2所示的基本电路搭建Simulink仿真模型，主要参数如表3所示。仿真时间为1 s。为了验证系统的动态特性，负载电阻初始值为20 Ω，在0.5 s时并入一个20 Ω电阻，即负载在0.5 s时由20 Ω突变为10 Ω。

在此基础上，给出采用传统控制策略[7]与本文所提出的模糊自适应控制策略的输出直流电压波形仿真图（见图7），启动时输出电压波形放大图（见图8），负载波动时输出电压波形放大图（见图9）。

由图7、图8可知，与传统控制策略相比，模糊自适应控制系统响应更快，超调量更小。特别是当负载发生变化时，传统控制策略下电压最大跌落可到420 V，系统稳定耗时约0.25 s。本策略下的電压最大跌落为430 V，比传统策略减少了约10 V的波动，系统稳定耗时约为0.15 s，比传统控制策略节约了0.10 s（见图9）。

为了验证单相PWM整流器逆变时的工作特性。在0.5 s时刻改变给定电压的值，从450 V变为380 V，此时，系统工作于逆变状态，其直流侧电压波形如图10所示。

由图10可知，逆变运行时，传统控制策略的超调量依然很大，直流侧电压跌落到365 V，而且电压稳定用时约为0.4 s。模糊自适应控制最大跌落电压仅为372 V，0.2 s后电压基本稳定，即本文所提控制策略要优于传统控制策略。

整流器由整流状态变为逆变状态，其网侧电压电流波形如图11所示。前0.5 s工作于整流状态，网侧电压电流基本同相位，即功率因数近似为1。0.5 s时，给定电压突变，整流器工作于逆变状态，网侧电压电流反相，即功率因数约为-1。

4 结 语

通过将模糊控制方法与传统PI控制策略相结合，提出了一种基于电压外环模糊自适应控制的单相PWM整流策略。其可以在一定程度上加快单相PWM整流器的电压响应速度，减少负载波动时输出电压的波动。Matlab仿真验证了该策略具有良好的动态特性，可以使整流器逆变时都工作于单位功率因数下，符合小型能源路由器能量的双向传输要求。

本文控制策略没有考虑网侧输入电流的THD要求，模糊规则的优化方面也还有很大的提升空间。

参考文献/References：

[1] 里夫金. 第三次工业革命[M].北京：中信出版社， 2012.

[2] 王优，郑泽东，李永东.中高压电力电子变压器拓扑与控制应用综述[J].电工电能新技术，2017，36（5）：1-10.

WANG You， ZHENG Zedong， LI Yongdong. Review of topology and control application of medium and high voltage power electronic transformer[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy， 2017，36（5）：1-10.

[3] 陈少霞，姚钢，周荔丹，等.能源互联网中H桥直流能源路由器的研究[J].电测与仪表，2017，54（7）：41-46.

CHEN Shaoxia， YAO Gang， ZHOU Lidan， et al. Research on H-bridge DC energy router in the energy internet[J]. Electrical Measurement & Instrumentation， 2017，54（7）：41-46.

[4] 周力. 小型能源路由器的电路拓扑与控制策略研究[D].成都：电子科技大学，2017.

ZHOU Li. Research on Circuit Topology and Control Strategy of Small Energy Router[D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2017.

[5] 杨立永，杨烁，张卫平，等.单相PWM整流器改进无差拍电流预测控制方法[J].中国电机工程学报，2015，35（22）：5842-5850.

YANG Liyong， YANG Shuo， ZHANG Weiping， et al. The improved deadbeat predictive current control method for single-phase PWM rectifiers[J].Proceedings of the CSEE，2015，35（22）：5842-5850.

[6] 郑征，张娟娟，陶慧.基于调制函数模型预测直接功率控制的单相PWM整流器[J/OL].电源学报，2018：1-13[2019-06-04]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.20180826.1822.002.html.

ZHENG Zheng， ZHANG Juanjuan， TAO Hui. Modulation-function-based model predictive direct power control of single-phase PWM converters[J/OL].Journal of Power Supply，2018：1-13[2019-06-04].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.20180826.1822.002.html.

[7] 薛家祥，陈永煌，沙幸威.UPS电源中单相PWM整流器双闭环控制策略[J].自动化与仪表，2017，32（7）：72-76.

XUE Jiaxiang， CHEN Yonghuang， SHA Xingwei. Double closed loop control strategy of single-phase PWM rectifier in UPS[J].Automation & Instrumentation，2017，32（7）：72-76.

[8] 周诗林，胡汉春，吴昊.单相PWM整流器直接电流控制策略的仿真研究[J].变频器世界，2014（11）：57-60.

ZHOU Shilin， HU Hanchun， WU Hao. The direct current control strategies of single phase PWM rectifiers[J]. The World of Inverters，2014（11）：57-60.

[9] 宋蕓，冯乃光.单相全桥PWM整流器输入电流内环式控制方法的分析与仿真比较[J].现代电子技术，2013，36（4）：111-114.

SONG Yun， FENG Naiguang. Aanalysis and simulation of input current inner ring control method for single-phase full-bridge PWM rectifier[J]. Modern Electronics Technique，2013，36（4）：111-114.

[10] 邓知先，宋文胜，曹梦华.单相PWM整流器模型预测电流控制算法[J].中国电机工程学报，2016，36（11）：2996-3004.

DENG Zhixian， SONG Wensheng， CAO Menghua. Model predictive current control scheme for single-phase PWM rectifiers[J]. Proceedings of the CSEE，2016，36（11）：2996-3004.

[11] 薛伟. 固态变压器DC-DC变换器的设计与实现[D].太原：太原理工大学，2015.

XUE Wei. Design and Implementation of DC-DC Converter in Solid State Transformer[D].Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2015.

[12] 王雨婷. 面向能源互联网的多端口双向能量路由器研究[D].北京：北京交通大学，2016.

WANG Yuting. Study on Multi-Port Bi-directional Energy Router in Energy Internet[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University，2016.

[13] 王兆安，刘进军. 电力电子技术 [M]. 第5版. 北京：机械工业出版社， 2009.

[14] 高吉磊. 单相PWM整流器谐波电流抑制算法研究[D].北京：北京交通大学，2012.

GAO Jilei. Research on Harmonic Current Elimination Method of Single-Phase PWM Rectifiers[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University，2012.

[15] 贺博. 单相PWM整流器的研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

HE Bo. Research on Single-Phase PWM Rectifier[D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology，2012.

[16] 张杰. 基于变论域模糊PI控制的气体温度控制算法研究[D].武汉：华中科技大学，2018.

ZHANG Jie. Research on Gas Temperature Control Algorithms Based on Variable Universe Fuzzy PI Control[D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology，2018.

[17] 王良凯，马辉，危伟，等.基于滑模变结构PR控制的PWM整流器研究[J].电气应用，2018，37（15）：92-96.

WANG Liangkai， MA Hui， WEI Wei， et al. Research on PWM rectifier based on sliding mode variable structure PR control[J].Electrotechnical Application，2018，37（15）：92-96.

[18] 渠学景，程铁汉，高树同，等.改进型PR控制器在岸电中的研究与工程示范[J].电力电子技术，2017，51（3）：96-100.

QU Xuejing， CHENG Tiehan， GAO Shutong， et al. Research and engineering application of improved proportional resonant controller at shore power supply[J].Power Electronics，2017，51（3）：96-100.

[19] 徐海亮，廖自力，贺益康.比例-谐振控制器在PWM变换器应用中的几个要点[J].电力系统自动化，2015，39（18）：151-159.

XU Hailiang， LIAO Zili， HE Yikang. Key points of proportional-resonant controller applied for PWM converters[J].Automation of Electric Power Systems，2015，39（18）：151-159.

[20] YE Tao， DAI Ningyi， ZHU Miao.Optimize the series LC design of a quasi proportional-resonant controlled hybrid active power filter for harmonic compensation[C]//2016 IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications （ICIEA）.Hefei：IEEE， 2016：624-629.

[21] 周錦荣，骆婉红，周慰君，等.基于PR调节器的双闭环控制单相逆变器[J].现代电子技术，2019，42（4）：125-128.

ZHOU Jinrong， LUO Wanhong， ZHOU Weijun， et al. Double closed-loop controlled single phase inverter based on PR regulator[J]. Modern Electronics Technique，2019，42（4）：125-128.