基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法

唐卫斌

(商洛学院 电子信息与电气工程学院,陕西 商洛 726000)

0 引 言

三相逆变电路在电力电子系统和工业控制中被广泛应用,特别是在无交流电源等特定场合,它可以将太阳能电池、干电池和蓄电池的直流电源转化为交流电源,还可以为变频器、交流电机等持续供电[1-3]。现有技术制造的三相逆变电路中,使用最多的是桥式电路转换结构,这种结构能够提高电流转换时的效率[4-5]。根据直流电源特性,经三相逆变电路转换后的交流电压输出波形为矩形波[6-7],电流的负载阻抗角度不会对电压的大小产生影响,在交流电压工作时也不会出现负载阻抗过低的现象。在整流电路条件下电流的输出方向不能改变,因此采用三相逆变电路进行转换,转换后电压平均值的极性恒大于零,电流沿反方向返回电网系统[8],这时释放出的电荷不易形成浪涌,但易导致三相电路系统短路。由于三相逆变电路的优良特性,主要被应用于不停电供应的恒压电源和笼式交流步进式变频调速系统中[9],用以保证电路系统在无交流电源的条件下稳态运行。

随着三相逆变电路的应用与发展,三相逆变电路系统中存在个别区域点电压不平衡的情况,这种电压的不平衡会影响电压和电流的波形输出,极端情况下会导致三相逆变电路系统退化为二电平结构,致使电容损坏[10]。为此相关专家和学者对三相逆变电路平衡控制方法进行了研究,得到一些成果。基于混合逻辑动态模型的三相逆变电路有限控制集模型预测控制策略中提出[11],要充分考虑逆变电路的条件变迁和离散特性,构建电路的混合逻辑控制模型,并将此模型作为预测模型,结合电路开关控制信号,控制三相逆变电路电压的输出。该方法能够确保电路的安全性,但稳定性较差。三相逆变电路的离线模型预测控制研究中提出[12],将电路可行解代替最优解,采用混合逻辑控制模型减少控制序列总数,并对开关频率进行降低,由此实现电路的平衡控制。该方法虽有较好的稳定性,但无法满足相位变化和波形输出的一致性。基于Buck-Boost的电路平衡方法,以电流矢量调节与波形输出为研究重点,实现电路的平衡控制,但仍无法满足系统安全性和稳定性的要求。

为解决上述问题,从模糊控制的视角出发,提出了一种基于混合逻辑的三相逆变电路平衡控制方法,利用计算机电路的逻辑语言,对三相逆变电路进行平衡控制。

1 混合逻辑模型建立

与传统控制电路中二电平或多电平的电路拓扑结构相比,三电平逆变电路更适合大功率的工作场合,在交流电源供电的稳定性方面也更有优势。三相逆变电路的直流侧通常只附带一个电容,总体电路中包含6个桥臂,上下的两个对向桥臂交替导电,三电平逆变电路的电路结构与工作原理,如图1所示,VD1～VD6为续流二极管。

图 1 三相逆变电路基本结构图Fig.1 Basic structure diagram of three-phase inverters

混合逻辑模型综合考虑了三相逆变电路中电压、电流、电容等物理变量间的逻辑规则及切换规则,可以描述出三相逆变电路中各个离散变量之间的线性变化关系[13],促使三相逆变电路中电压和电流的变化趋于平衡,并以稳定的波形输出。

假设逻辑变量为ξi,当三相逆变电路中的电压变化状态Zi为T时，逻辑变量ξi的值为1;当Zi为F时，逻辑变量ξi的值为0,其中i=1或i=2。可以将三相逆变电路平衡控制的过程视为一个复核命题,如式(1)所示。

(1)

式中:⟺表示该符号的左右两侧能够互相推导。混合逻辑模型首先将三相逆变电路中的电压变化逻辑规则转化为复杂的逻辑命题,然后将命题转换为变量间的不等式,用于三相逆变电路控制的混合逻辑模型的建立步骤,如下所示:

(1) 建立以三相逆变电路的电容电压和电感电流为状态变量的连续、动态空间模型,并将混合逻辑规则应用到动态模型当中。

(2) 将逻辑规则应用到三相逆变电路之中,逻辑变量ξi的取值范围为[0,1]。将基本逻辑规则组合成复杂逻辑命题,用简单的逻辑规则代表复杂的逻辑命题,并利用辅助变量描述逻辑变量与混合线性复杂变量之间的关系。如电压的大小可以决定电路的结构,而电路结构可以决定电流的浮动范围及电流大小变化的规律。

(3) 为了能够准确衡量出三相逆变电路中电流方向的变化及电压均衡点的变化,还需要利用混合逻辑规则将逻辑变量、辅助变量及其他复杂的不等式关系统一到一个模型之下。逻辑替代中不等式的变换方法有3种,主要包括软件建模法、数值替代法和真伪值列表法等。

混合逻辑模型将原有简单的启发式规则,和不等式运输转换成带有约束性的动态逻辑方程,混合逻辑模型的一般形式,可以表示为

(2)

式中：f(t)为状态变量；x(t)和y(t)分别为输入变量和输出变量；A、B、C、D、E分别为不同横列数和纵列数的逻辑电路系统矩阵。基于混合逻辑模型三相逆变电路直流电源转变为交流电源过程中,容易造成负载不均衡的情况,并对三相逆变电路中不平衡的电压进行补偿,保持转换后交流电源供电的稳定性。

2 不均衡负载结构分析与电路补偿

在混合逆变电路中,主要利用控制器采集直流侧电压和电路两端的电流值,以控制整流器开合的方式改变电路中IGBT的离散状态[14-15]。三相逆变电路的主要作用是将直流电改变为交流电,而IGBT的通断将会影响到直流电输入电压的频率幅值和相位变化,进而改变网侧电流与直流电压的状态值。对三相逆变电路的控制策略主要采取间接控制的方式,多用调整直接电流大小的方式进行PWM调波。三相逆变电路中内置了整流器,主要在改变电源输电方式的同时,进一步调制脉冲电压与电波的幅值。三相逆变电路由继电器控制所有开关器材的通断,其中每一个开关的组合工作状态都是一种偶然的离散逻辑事件,由于离散变量和逻辑变量在三相电路中的存在,使整个电路系统变得十分复杂,电路两端的电压和电流也难以实现均衡[16]。为缓解电路中电压的不均衡性,需要经离散的逻辑事件分别嵌入系统电路的逻辑结构中,并通过改变逻辑信息和控制信息,促进电源供电方式改变时所导致的供电不平衡现象[17-18]。逻辑条件信息的改变通过触发IGBT模块的方式实现,而控制变量信息的改变则需要改变三相电路中的电阻值和整体电路的负载结构。

当三相逆变电路中出现电压控制不平衡的情况时,电路中逻辑信息和控制信息的控制方式都会出现异常,部分复杂的逻辑命令和逻辑规则将会无法执行,而通过判断是具体哪种因素导致的不均衡,则需要利用混合逻辑模型核查三相逆变电路中的哪个电器元件出现了故障。具体不平衡点的定位检测通过判断电路系统发生的变迁是意外事件还是正常事件,如果复杂的逻辑规则显示为意外变迁,就能以此定位出电路故障的具体位置。三相逆变电路中的单向双电瓶整流器出现故障也会导致电路系统两端电压不平衡事件的发生,因为三相逆变电路中有三组并联的二极管,这种结构会在直流电源转换为交流电源时发挥一定的作用,甚至会改变电路网侧电流的流动方向,因此在利用混合逻辑模型识别电路中电压的不平衡点时,也可以通过检查二极管的工作状态来实现。在三相逆变电路结构中,电流三相负荷结构不均衡和不对称的现象较为常见,这种现象会导致电路支撑电压出现三组不平衡的现象,不仅给系统的稳定性带来不利影响,还会提高电路系统的能耗水平,行业内标准将电路两端电压的不均衡性的上限设定为1%,如果超过了这个临界值必须要采取措施控制住这种不均衡的状态。仅通过向三相逆变电路中加入负序电压的方式无法完全实现对三相逆变电路的电压补偿,也无法彻底地解决在电源转换时所出现的不平衡现象,而文中基于混合逻辑的控制方法,从规则和电路逻辑构建的角度对电压的不平衡进行补偿,能够从根本上解决电路系统负载不均衡和电压供应不均衡的情况。

三相逆变电路系统中的分布式电源结构通过电流接口网络连接,调节DG幅值变化和相位变化进而改变电路两端电压,再对电路功率进行下垂控制的基础上增加负序参考电导,并在电压端产生一个负序的电流,实现对三项逆变电路系统中不平衡的电压补偿。本文在混合逻辑模型的基础上,采用对称分量法补偿三相逆变电路中的电量[19]。对称分量法将逆变电路中原本对称的分量拆分为零序分量、正序分量和负序分量,由于在三相逆变电路中没有零序分量通过线路通道,也不会对三相逆变电路系统产生过多的不利影响,因此可以假定电路系统的三相对称分量仅为正序分量和负序分量[20-21]。正序分量和负序分量在检测三相逆变电路时还具有特定的滤波功能,当输入电路系统中的电流谐波分量的次数越高,会导致电路中电压信号衰减越严重,而采用基于混合逻辑的正序分量和负序分量控制模式,可以保证分量的检测精度,从而更准确地对三相逆变电路进行补偿,基于基波正负分量的电压平衡原理,如图2所示。

图 2 基波正负分量电压不均衡检测原理图Fig.2 Principle diagram for detecting unbalancedvoltage between positive and negative components of fundamental wave

由于三相逆变电路系统有时会出现瞬间的无功率现象,这种现象主要是由于三相逆变电路中电压不平衡情况所致,为此在区分正序分量u+和负序分量u-的基础上,还要进一步区分逆变电路中瞬时无功率和有功率两种情况,进而判断出基波征服分量两端的电压是否均衡。三相逆变电路中的直流分量即为有功功率的基波分量,此时证明电路系统的电压均衡稳定,进而有针对性对低电压不均衡的区域进行补偿。

3 电压平衡控制的实现

电压补偿后三相逆变电路系统两端电压的平衡性能够得到明显改善,但三相逆变电路中固有的线路阻抗和电流输出阻抗,会影响到系统下垂控制器功率的输出,不利于电路系统电压与电流的平衡。因此在基于混合逻辑规则完成电路系统不均衡负载分析和电压补偿之后,还需要降低电路系统阻抗对电压不平衡造成的影响。本文在基于混合逻辑规则引入了虚拟电路阻抗变量,并建立了一种用于平衡三相逆变电流和电压的传递函数,修正输出阻抗和线路阻抗所带来的相位与赋值上的偏差。引入虚拟阻抗的意义还在于衰减了三相电路系统的震荡,减小电路中电阻器带来的过大功率损耗,进而提高三相逆变电路系统的稳定性,基于混合逻辑和虚拟阻抗设计的三相逆变电路平衡控制方法,如图3所示。

图 3 基于混合逻辑的电路平衡控制框图Fig.3 Circuit balance control block diagram based on mixed logic

分别将有功率条件和无功率条件的下垂控制器设置到工作状态,并开始运行程序得到一组平衡三相逆变电路正序电压参考变量,这时将得到的变量与虚拟阻抗值比较，分析系统的电压信号是否存在偏差,如果存在偏差再用比例谐振控制器分别对系统的电压和电流进行调整。比例谐振控制器在三相电路系统中能够实现固定频率状态下的增益和谐振,进而实现对电压指令信号的无误差跟踪,最终能够实现对三相逆变电路电压平衡点的精准控制,并使三相逆变电路的电压和电流分布更加均衡。

4 实 验

为了验证基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法的有效性和可行性,采用多种不同方法对比的形式,进行了一次仿真实验。

4.1 参数设置

三相逆变电压型电路的基本结构由RLC负载电路、IGBT电路通断控制器、二极管和直流电源组成,建立三相电压不平衡系统补偿模型,并基于Matlab对模型进行仿真研究。三相电路系统中的直流电压正序分析有效值的浮动范围为[100,220],负序分量的有效值浮动范围为[20,50],设置2个电源电压分别为DC1和DC2,三相逆变电路系统中的参数设置如下:输入直流电压400 V,输出直流电压300 V,开关频率(1～100) kHz,脉冲周期0.05 s,脉冲宽度50%,脉冲延时0.02 s,电路电容20 μF,电路电感0.8 mH。

4.2 电压平衡效果对比

正常条件下三相逆变电路的电压输出波形为方波,但由于电路负载的不均衡性也会导致电压输出波形的异变,分别采用本文基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法和传统三相逆变电路的离线模型预测控制研究方法对电路系统的电压进行平衡控制,分析电压输出波形的改善情况,如图4所示。

图 4 2种不同方法下的电压波形输出效果Fig.4 Output effect of voltage waveform under two different methods

从图4可知,基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法的原始电压输出波形,由于三相逆变电路两端电压的不均衡而导致电压的输出值出现明显的波形情况,而经过基于混合逻辑控制方法平衡后,能够使整个电路系统的电压分布更为均衡,电压波动的情况从根本上得到了平衡,其波形与理想波形较拟合。

而传统三相逆变电路的离线模型预测控制研究方法，0.5 s周期内仍旧出现了3次非正常波动,分别在0.15 s,0.40 s,0.45 s,电压输出波形非均衡的状况没有得到根本的纠正,在电压控制效果上明显弱于文中提出的基于混合逻辑的平衡控制算法。

对比本文基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法和传统三相逆变电路的离线模型预测控制研究方法的实验结果可以得出,传统三相逆变电路的离线模型预测控制研究方法在0.5s周期内出现了3次非正常波动,而基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法在0.5s周期内,始终保持均衡平稳波动,可知，本文基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法的控制效果更加理想,电压的控制效果更好。

5 结 语

三相逆变电路实现了电路系统由直流电源到交流电源的转换,但在转化的过程中容易导致电路系统电压不平衡现象的发生。为改善这种现象提出一种基于混合逻辑算法的三相逆变电路平衡控制方法。随着三相逆变电路系统复杂程度的提高,将会对平衡算法的运算速度和可靠性提出更高的要求,因此对于全数字化混合逻辑控制的方法而言,还需要进行更深入化的研究,以更好地解决三相逆变电路中IGBT模块串并联过程中电压与电流的平衡问题。