三相變流器神經網絡滯環控制研究論文

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摘要：神經網絡技術在人工智能、自動控制以及模式識別等領域的研究與應用正方興未艾。而滯環電流控制是一種傳統常規的電流控制方式，在功率因數校正和無功補償等領域有著廣泛的應用。該文介紹了三相變流器的BP神經網絡滯環電流內環控制，該方案可實現神經網絡對快速變量的控制，提高滯環控制的性能，使系統對參數的變化有較強的不靈敏性和魯棒性。該文分析了三相電源不平衡、某一路電流反饋丟失的工況下，系統的控制特性。為了使系統在輕負載下得到良好的頻譜特性，采用實時變誤差增益的控制策略，并討論了容差帶下限。同時借助于矢量調制的思想，結合神經網絡滯環調節器，優化系統性能，減小系統EMI和開關損耗。

關鍵詞：神經網絡；滯環；變流器

1引言

如何提高工業用電的效率和減小諧波污染已倍受關注。在工業用電中，大部分電能是要經過變換才能用于生產的。由于快速功率開關性能的進一步提高，基于脈寬調制功率變換電路已經日益成為人們提高供電系統功率因數，降低諧波污染的有力工具，因而成為人們研究的熱點。其中三相全控型電壓源功率變換裝置，主電路如圖1所示。經過十余年的研究，已經開始實用化[1,2]。三相變流器的最流行的控制方式是采用雙環控制。外環用于調整輸出電壓，快速的電流內環調節器常用來調節交流輸入電流使其跟蹤期望的電流軌跡，得到單位功率因數和低諧波的電流。

為提高系統的性能，采用神經網絡滯環調節器[4~6]。神經網絡控制作為一種極有潛力的控制手段吸引了眾多的學者，因神經網絡具有并行處理能力、自學習能力、容錯能力，很適合于處理非線性系統的控制問題。在相對變化較慢的速度、溫度、位置等物理量控制中取得成功的應用。但在速度較快的物理量的控制中，應用較少。

在電力電子學領域，神經網絡多用于系統模型辨識，故障診斷等。隨著DSP的運算速度的不斷增加，使神經網絡在快速量控制中應用成為可能。在各種變流器直接電流控制方式中，滯環控制是一種有效、簡單的控制方式，兩者的結合可以發揮各自的優勢。滯環電流控制方式不需要系統更多的參數，運行容易，具有快速的電流響應和限幅能力[7]。但系統開關頻率不固定，在嚴重的非平衡條件下，系統穩定性變差，產生大量的電流諧波，同時影響開關頻率的變化。本文所用調節器，可以提高系統的魯棒性。為了減少PWM技術在變換器中的損耗并獲得優化的輸出電流，減小EMI，采用矢量控制的基本思想[9]，給出基于滯環空間矢量控制方式的電流控制器。若使系統數字化，開關頻率可由采樣時間控制。

2基于神經網絡的電流滯環控制器

電流滯環控制器運行時無需系統的儲能器件的具體參數信息。用BP神經網絡來替代傳統電流滯環調節器，在滯環控制的基本控制思路上訓練一個神經網絡控制器來實現滯環控制控制的功能，導師信號如表1所示?；谏窠浘W絡滯環控制的系統控制結構框圖如圖2。三相電流的誤差信號送入神經網絡中，參與計算，輸出開關信號S1，S3，S5，經過邏輯合成后加到主電路的驅動電路上。

圖2所示神經網絡調節器，該網絡有3層（3-5-3結構）。節點的作用函數采用Sigmoid函數

式中是第r步迭代時第k層第i個神經元節點對于第h個樣本輸入時輸出；為第r步時第k層第i個神經元節點對于第h個樣本輸入時所接收到的上1層（第k-1層）的輸入總和

點的閾值。

各點的權值Wij和閾值θij通過MATLAB軟件求出，通過DSP編程數字實現。Wij

圖3為系統在神經網絡滯環控制器作用下系統仿真與實驗波形。

圖3a為給出階越給定時三相電流的響應過程，表明該調節器具有較快的響應速度。

圖3b，c，d給出了正常工況時的開關波形，電流波形，系統的單位功率因數波形顯示。

圖3e繪出了三相電壓不平衡時的三相電流。電源參數為Ea=Eb=Ec/0.85。變流器基本保持了每相電壓電流的同相位。

通過波形可以看出神經網絡滯環控制器較好地實現了滯環控制器所有的基本功能。電流控制魯棒性好，電流響應快的優點，同時可以限制器件的最高開關頻率，提高了滯環系統抗不平衡能力。滿足系統單位功率因數和低諧波的要求，同時它還具有一個新的優點：當某個電流誤差信號丟失情況下仍然能正常工作。

3反饋丟失時的控制研究

反饋信號不正常是一種較為常見系統故障。常規數字滯環控制方案下，如果檢測環節有故障，某一相電流反饋信號丟失，那么系統不能正常工作，系統線電流響應仿真曲線如圖4a。但在神經網絡控制電路中，由于神經網絡的參與，調節器對單路反饋信號丟失具有一定的抑制作用?？刂破鳈z測電流反饋信號，如果連續3個周期檢測到電流反饋信號為0，那么可確認反饋信號丟失，此時將該通道電流誤差設為0，參與神經網絡滯環調節器的運算，輸出控制信號。系統實驗波形如圖4(b)~(d)，系統仍可以得到較好的輸入電流與輸出電壓波形，這主要歸功于神經網絡的數據并行處理能力。從圖4(b)~(d)中可以看出系統的電壓電流響應還是較好的，對于單輸入信號丟失的穩態電流波形顯示出了很強的魯棒性。而在同樣參數的常規滯環電流控制下，當Dia丟失時，系統不能穩定工作。

4電流誤差增益在線修正

從控制的效果來講，如果滯環控制的容差帶越小，那么系統輸入電流的諧波成分就越小，THD值越接近于零。然而控制中由于系統參數的約束，如果容差帶設計過小，系統難以實現，反而使得諧波成分增加?？梢跃皖~定負載下可以實現的容差帶進行分析，然后留取一定的裕量，作為額定容差帶，保證系統的條件能力。在控制中選擇1.2倍的額定負載時允許的容差帶作為導師信號中的δ值。

假設主電路3相參數對稱，輸入為理想三相正弦電壓源，任意時刻總有三個開關處于開狀態，另三個處于關狀態。上下橋臂不能同時導通。這樣，變流器的開關狀態便形成8個開關函數。開關函數定義為如下：

di=(i=1,3,5)=1,當Si(i=1,3,5)導通，Sj(j=2,4,6)關斷。di=0，當Si關斷，Sj導通。

在1個開關周期內，假設占空比為Di。di=1時，輸入端向負載端輸出能量，電感電流減??；di=0時，輸入電感存儲能量，電感電流增加，電流波形如圖5。

階段1：

具有固定滯環帶的電流控制方式有一些缺點。在滯環帶范圍內，由峰-峰電流的波動而產生的PWM頻率的變化受基波波動的控制，同時，電流誤差沒有嚴格的控制。滯環控制系統中，滯環容差帶是根據系統交流電流的額定工作點定的。這樣，系統在低電流工作時，電流噪聲成分相對增加，系統頻譜變差。因此，根據靜態工作點的改變，相應改變系統的滯環容差帶，可以保證系統電流頻譜不隨功率變化而變，這種思想較為適合負載變動頻繁的工作場合。系統的靜態工作點的分析可以通過檢測直流輸出來得到，但不是最佳的方案，因為時間工作過程中系統負載特性可能較為復雜，阻性、感性、容性是不可預測的，暫態過程中輸出電流與電壓的相位難以維持相同。對于高頻實時控制來講，可以通過FFT算法來分析系統的功率輸出獲負載特性，但應用該方案負載程度增加。本文提出一種較為簡單的控制方案。

將可逆變流器的三相靜態電壓量變換到兩相旋轉dq坐標系中，有

由于滯環控制可以控制系統功率因數為1，因此經過3/2變換后，輸入有功功率是與d軸電流id成正比的，iq應該為0。設為id的標幺值，取額定負載時id的標幺值為1，所以在圖2所示的基本控制器中，令，其中k在實現時要加下限幅。

則輸入到神經網絡中的電流為

nin=k△i(6)

5空間矢量調制神經網絡控制器

這里Vk是變流器的電壓矢量。

任意時刻變流器期望端電壓Vr的相角對應于了復平面上6個區域中的1個。Vr可由給定區域內的鄰近矢量來構成，從而降低電磁噪聲和開關次數[8]。

通過后面的仿真和實驗我們可以看到滯環神經網絡控制器結構簡單，由于系統屬于數字化實現，最高開關頻率是固定的，在這一點上使得系統參數易于設計。但滯環控制開關的狀態是難以確定的。因此變流器期望電壓矢量一般不是由相鄰的矢量構成Vr的，任意時刻開關的狀態不可預知。

在滯環控制過程中，結合空間矢量調制原理，根據系統滯環條件的需要及系統此時期望矢量的位置來修正開關波形，形成如表2所示導師信號。導師信號中z區確定如圖8a所示，經過這種修正后系統穩態時電流控制器所產生的開關隨時間而呈現空間矢量調制的特點，圖8b所示為空間矢量滯環調節穩態工作時開關波形，可以看出穩態時開關按照規律由同一區域的開關矢量來合成。

式中Vs是電壓源矢量；i*s參考電流矢量。

6仿真與實驗說明

系統中的參考電流可由下面的方程得到

I*=P*/E

這里E可由整流濾波取平均值的方式得到。

參考電壓Uref同輸出電壓Uo的差值經PI調節后，取其為電流峰值參考，再分別與三相的同步信號相乘，得到內環電流的參考信號I*，得到瞬時參考電流給定ijcom(j=a,b,c)，再與實際相電流ij相比較得到電流誤差信號△ij，與K相乘然后輸入神經網絡控制器，神經網絡的輸出即為開關信號算法由DSP（TiTMS320c240[9]）來實現。主要參數及檢測設備如下：

7結論

本文研究了三相變流器的神經網絡控制方案。①將神經網絡控制技術與電力電子電路滯環控制結合起來，實現了神經網絡在快速變化量控制中的應用，可以提高系統魯棒性與控制的容錯能力，在三相輸入電源不平衡和某一相負載電流反饋丟失時，系統依然保持較好的控制性能；②評估系統負載特性，并根據負載的變化而改變電流誤差增益，有助于提高系統電流控制性能，全程優化諧波，算法較為簡單；③容差帶與負載特性、開關頻率有機結合，才能保證系統的調節能力；④為了減小開關頻率和開關損失，采用了將空間矢量調制運用到滯環控制中的技術，由于采用數字神經網絡進行調節，易于實現。

參考文獻

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