PWM转换器连接到电网的模糊直接功率控制

PWM转换器连接到电网的模糊直接功率控制B.Bouaziz,F.Bacha,R.WamkeueandM.Gasmi自动化和计算机工程研究中心、国家应用科学和技术研究所,迦太基大学,北方城市中心,1080TunisCedex,[e-mail],[e-mail],[e-mail],[e-mail]摘要本文提出了模糊直接功率控制（F-DPC），一个适用于三相PWM转换新的控制方法器。F-DPC控制器调节电网连接转换器的直流母线电压和有功功率和无功功率流。这种控制的原则是基于模糊控制。DPC和F-DPC稳态和动态的反应，解释说明了所提出的性能系统的运行和性能。改进的直接功率的仿真结果控制（F-DPC）与标准的直接功率控制（DPC）策略相比较，由于其高水平的电能质量，在并网连接技术上F-DPC可能成为一个标准的DPC转换器有趣的替代品。关键词：模糊直接功率控制，PWM，转换器连接到电网1.引言在过去的十年中，中低电压电网已与大量的新的活跃的系统相连接，例如风力涡轮机，光伏系统，水力发电机，生物质能和地热发电机，燃料电池等等[2]。这些新设备几乎都是通过一个PWM变换器装置和一个过滤器互连到电网[6]。通常，这些设备必须提供积极的目标和/或无功功率水平的线，所以适当电源控制系统是必需的。在最近的研究中对这种类型的转换器各种控制策略已经提出了[3]，一个众所周知的方法，有功和无功功率控制是基于目前的相对于线电压矢量的矢量方向称为电压定向控制（VOC）[8]VOC保证高动态和静态通过内部电流控制回路的性能。控制有功和无功功率则是通过采用电流控制器控制的解耦器。这样的系统的一个主要缺点是其性能高度依赖于施加的电流控制策略与所连接的交流电网条件[1]。另一种控制策略称为直接功率控制（DPC）是基于瞬时有功功率和无功率功控制[9]。在DPC中，没有内部电流控制回路和无PWM调制器模块，由于变换器的开关状态是基于控制命令和有功功率和无功功率的测量值之间的瞬时误差的查找表的适当选择[4,5]。本文提出了一种PWM变换器新的直接功率控制方法。在该方法中的滞环比较器和开关表通过模糊控制器取代。本文的聚焦点是并网逆变器的有功功率和无功功率流的控制。在一个电网、电容器和转换器模型的简短的描述后，我们回顾了直接功率控制（DPC）的原理。我们开发了一个新的控制方法：模糊的直接功率控制（F-DPC）。F-DPC和DPC策略下的变换器的仿真比较显示出了所提出的控制策略的主要优势。2.PWM变换器结构PWM变换器的结构示于图1。另一方面L和R分别表示线路滤波器的电感和电阻，该电容器的电流表示如下：dtdUCiiidcodcc（1）OIs是转换器的输入电流：3322110idididi（2）其结果是，电网，电容器和变换器的完整模型总结由以下表达式：31)3(jjdcjcdkkkdUdUeRidtdiL(3)31jkkjdcdcididtdUC(4)k：行的下标，取值（1，2，3）。j：开关的下标，取值（1;，2，3）。图1转换器结构3直接功率控制（DPC）的原理直接功率控制（DPC）已成为并网变流器有趣的控制策略，因为它提供了可用在系统中的最大的动态能力。这种非线性的控制策略定义为一种直接的控制技术，因为它选择无任何调制技术的最适合转换器的电压矢量。这中控制的主要思想示于图4，瞬时有功功率和无功功率的参考值（efrP和refQ）和估计值p和q之间的误差在两个磁滞调节器介绍。两个调节器输出表示（pd和qd）和向量值或者是供电电压和使用开关表（表1）中决定，以减少在控制和测量或估计功率在每个采样周期之间的误差，开关的开关状态，然后计算。还能实现更好的性能，他们提出来划分向量空间划分为12扇区，然后确定位置电压矢量的位置，如图2所示。图2DPC扇区的选择和电压矢量的位置瞬时有功功率和无功功率的时间导数控制变量的建立趋势，这是查找表建设的关键步骤。如在图3所示的，知道瞬时有功功率和无功功率的变化可以预测的功率的变化，它可以表示为等式（5和6）。有功功率参考值产生并从直流母线电压的闭环控制传递到电网。无功功率参考值能够被一个监督人员应用。))(1())(1(aondaondaaieVLeieVLedtdp（5）))(1())(1(ieVLeeVLiedtdqaondaondaa（6）3有功图功率的时间导数表1DPC查找表图4DPC的框图4.模糊直接功率控制的提出F-DPC）模糊逻辑，神经网络和遗传算法开始在各种工业领域，如高速电机控制，过程控制和故障检测。在静止变流器控制领域并网时，模糊逻辑似乎是一种选择。事实上，直接功率控制的原理（DPC）涉及一组用于功率控制的选择规则。这种类型的推理完全符合模糊逻辑的概念。在本文中，我们提出了建立一个基于模糊逻辑控制器直接功率控制的新方法（F-DPC）。4.1.（F-DPC）的原理在本文中，我们将有兴趣的通过基于模糊控制器（F-DPC）的直接功率控制有取代直接功率控制（DPC）。图5中表明了模糊直接功率控制技术控制块框图，在这新的控制策略中，功率，有功功率（p）和无功功率（q）还有电网电压的矢量角（）的偏差被用来选择合适的电压矢量施加到转换器。4.1.1。模糊化模糊控制器有三个变量到输入和一个输出变量。这些变量被分成隶属函数是通过反复试验和偏差来选择获得有最小的规则的最优的驱动性能。第一变量是有功功率p的偏差。这个变量的论域分为两隶属函数记为N（负误差）和P（正误差）。变量隶属程度在图6（a）以梯形分布给出。第二个变量是无功功率q的偏差，变量的论域分为两隶属函数记为N（负误差）和P（正误差）。变量隶属程度在图6（a）以梯形分布给出。第三变量是电网电压矢量的相位，我们把论域分割为12个隶属函数。这个函数的隶属度是在图6（b）中说明。唯一输出变量是控制变量（如开关），“n”表示施加的电压矢量大小。在我们的应用中，双极性逆变器有8矢量，其隶属函数的形式为图6（c）所示4.1.2。模糊推理我们将依托在一个表上的推理来实现这一操作。根据所研究的过程的定性分析推断这样的表的结构。在我们的例子中，谈到直接功率控制（DPC）时已经作出这种分析。我们使用DPC控制的开关表，通过输入变量和输出变量（控制变量）设置控制规则。每个控制规则可以配制如下：iRule：如果p是iF1，q是iF2，是iF3，n是iF4，（iF1，iF2，iF3，iF4）代表隶属函数，如表2所示。该规则的总数为48，表示出了施加到足够的电压矢量转换器用于电网电压矢量的相位。4.1.3。去模糊化去模糊化阶段是模糊逻辑控制器的最后一个部分。这种操作是把由模糊推理机制产生的信息转变为的值来确定要应用到过程控制的接口。在这项研究中使用了Mamdani型模糊推断。相对权重的表达规则是：))(),(),(min(321iFiFiFiqpa（7）利用模糊逻辑和基于Mamdani的方法，规则的程度来控制：))(,min()(44nniFiiF（8）输出的隶属度由下式给出：))(,(max)(44814nniFiiiF（9）由于输出变量的隶属函数是在单态的形式。在这项研究中使用了去模糊化的质心。要被选择的输出值代表由等式10给出的最大分布。))((max)(4484144nFFnFFS（10）然后，输出将被选择：（n=sF4).表2F-DPC的参照表图5。F-DPC原理框图图6隶属函数为：（a）有功和无功功率，（b）电网的电压矢量相位（C）输出变量5仿真结果在图8中，我们给出了直接功率控制（DPC）和模糊变换器直接功率控制（F-DPC）的仿真结果。可以看出该转换器的可逆性，我们考虑到的输入功率的波形由图7给出。图7变换器的输入功率图8：F-DPC的仿真结果：有功功率响应，无功功率的响应，线电压和线电流，直流母线电压图9DPC的仿真结果：有功功率响应，无功功率的响应，线电压和线电流DC母线电压。从图8和图9中可以看出，该新型模糊直接功率控制（F-DPC）可确保有功功率和无功功率的平滑控制。有功功率的传输方向的反转证实了所希望的功率转变。由于无功功率参考值保持零不变，在单位功率因数的运行显然是这种情况。相应的线电流响应到这一步的变化在这些图中可以看出并且表明了该转换器的两种操作模式。注意到，对于F-DPC，该直流母线电压遵循其参考值具有非常小的纹波。5.2电源质量和功率因数校正在图10中，我们作出了电流并到电网的两种方法（DPC和F-DPC）的波形。这些波形表明总谐波失真不超过IEEE规定的5％的519标准限制。应当注意的是，该F-DPC控制有着高水准的电能质量。图10线电流和线电流谐波波形为了无功功率除了有功功率生产测试我们的结构，图11显示了滞后和超前的功率因数的条件下的运行特性。在这些试验中，无功功率控制已更改为100千乏或-100千乏作为电网控制（GCR）的一般需要。图11有功功率和无功功率仿真结果：（A）滞后的功率因数运行特性cos（）=+0.95（B）超前的功率因数运行特性cos（）=—0.955.3。5.3电压跌落下的结构性能为了验证所提出控制算法的运行特性对电压跌落的DPC和F-DPC策略做了仿真比较。在图12中可以看到电网电压跌落的现象。此图显示了电网电压下降30%，在T=3S发生在t=3.6s消失。图12电网电压的跌落现象图13:F-DPC的仿真结果：直流母线电压响应，线电流响应，线电压响应，有功功率和无功功率的响应图14DPC的仿真结果：直流母线电压响应，线电流响应，线电压响应，有功功率和无功功率的响应在直流母线电压的基准值骤降情况下的瞬态响应（dcrefU=760V），而无功功率基准值保持在0，如图13的DPC和图14的F-DPC仿真结果所示。直流母线电压的响应对应于在这些图中出现故障操作，直流母线电压也受到影响，当DPC不超过763V，F-DPC不超过761V时。事实上直流母线电压的变化影响着有功功率和无功功率注入到电网。在图11中可以观察到在故障运行时电网的线电流增加的大小，DPC中约42.8%，而F-DPC中约40.8%。6。结论一种新型的模糊直接功率控制策略（F-DPC）被提出。这种新方法是基于一个模糊逻辑控制器（FLC）。由此方法获得的仿真结果的快速的动态响应与直接控制策略基本一样。在F-DPC呈现出比DPC策略低的谐波失真程度，功率损失减少并且获得了快速的瞬时动态响应。因此，提出的控制策略可以被用在两种情况中，即PWM转换器的可逆性和在电网电压在跌落期间的控制算法的动作。仿真结果验证了该控制策略的有效性。7参考文献[1]耿华，杨庚，《变速变桨距风力发电系统的输出功率控制》IEEE能源变换交易，vol.25,no.2,2010六月[2]GabrielCimuca,StefanBreban,MirceaM.Radulescu,ChristopheSaudemont,andBenoitRobyns,《一种基于电磁感应机飞轮与变速风力发电机相连接的能量存储系统设计和控制策略》IEEETransactionsonEnergyConversion，vol.25，no.2,2010六月[3]A.SikorskiandA.Kuma，《与电网连接的交直交转换器和感应鼠笼式发电机的合作》。波兰科学技术科学院的公告，vol.57,no.4,2009[4]ChaouiA,KrimF,GaubertJP,RambaultL“DPC控制三相有功滤波器的电能质量提高”，IntJElectricPowerEnergySyst2008;30(8):476–85.[5]AntoniewiczP,KazmierkowskiMP,AurtenecheaS,RodriguezMA.“三相交直流功率控制算法转换器的两预测比较研究”；IN;欧