一种pwm整流器中参数自整定模糊pi的参数设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，涉及PWM整流器中一种模糊控制器的PI参数设计 方法。
【背景技术】
[0002] 随着绿色能源技术的快速发展，PWM整流器技术已成为电力电子技术研宄的热点。 PWM整流器可实现电压可调、单位功率因素，甚至可实现能量双向流动，相对传统不可控整 流器，对电网的无功和谐波"污染"大大减小，因而得到了广泛的应用。常规的基于dq坐标 系的电压型PWM整流器一般采用双闭环控制方式，即电压外环和电流内环。控制系统的设 计对整流器性能极为重要，而控制系统设计中PI参数的设计与系统的动态性能密切相关。
[0003] 工程上PI参数一般按经验调整，这样具有极大的盲目性，很难选择到合适的PI参 数。在PWM相关文章中，有通过建立电流内环与电压外环的结构图，并按照典型I型或典型 II型系统设计其各自调节器。考虑电流内环需获得较快的电流跟随性能时，常按典型I型 系统设计电流调节器并得到其传递函数。电压外环主要作用是稳定直流电压，设计时着重 考虑其抗干扰性能，按典型II型系统设计电压调节器并得到其传递函数。根据获得的传递 函数及工程需求，可以分别获得一组电压外环和一组电流内环PI的参数值。而由于系统实 际运行情况和理论设计时所采用的线性对象具有很大差别，使得根据理论推导得出的数值 与实际需要的数值还有一定差距，计算得到的PI参数不能使系统达到最优工作状态。
[0004] 近年来，随着模糊控制算法的不断发展，已经有较多研宄将模糊算法与PI控制器 结合起来得到参数自整定模糊PI控制器，实现PI参数的实时调整。由于电压外环决定系 统性能，它能够抑制或弥补噪声等因素给内环带来的扰动，因此只将外环PI控制器替换为 参数自整定模糊PI控制器。在系统工况变化时，参数自整定模糊PI控制器通过PI参数在 工况变化时的实时调整，使直流侧输出在抗干扰性能和跟随性能上都能达到一个比较满意 的效果。在实际操作中，参数自整定PI控制器的基准值和变化范围多根据工程经验设置， 参数设计具有一定的盲目性，难以显示模糊PI控制器优越性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是确定参数自整定模糊PI中各个参数的设计方法，使系统具有 最优的动态性能，该方法的使用使参数自整定模糊PI控制器中各个参数的设计有据可循， 避免了参数设计的盲目性，以保证输出能达到较优效果。
[0006] 本发明提出的解决方案：
[0007] 一种PWM整流器中模糊PI控制器参数设计方法，用于在电压、电流双闭环控制策 略中对PWM整流器中模糊PI控制器参数进行设计，避免参数设计的盲目性，使输出能达到 较优效果，具体步骤包括：
[0008] a、按照常规方法建立三相PWM整流器在dq坐标系下的数学模型，以此得到电压外 环控制结构图，并按典型II型系统设计电压调节器，获得电压外环开环传递函数，计算得到 电压外环PI调节器控制参数KUP、Kul;
[0009] b、以步骤（a)获得的电压外环参数KUP、Kul为中心，按等差序列选取多组同数量 级PI参数，将选定的多组PI参数代入系统进行仿真，记录系统在各组参数下仿真的动态性 能，即记录调节时间和超调量，并绘制调节时间与PI参数的关系曲线，超调量与PI参数的 关系曲线；根据调整时间、超调量与PI参数曲线特征，选取PI调节器K p参数变化最大值Kp _及K #数变化最大值Ki max;
[0010] C、采用两输入两输出模糊控制器，以实时检测的电压误差量e及电压误差量变化 率ec乘以合适的比例系数后作为模糊控制输入量，在有效变化范围[-K p max/2, Kp max/2]、 [_Ki max/2，Ki max/2]内经过模糊控制算法获得PI参数的实时修正量ΛΚρ、AKi;
[0011] d、以步骤（b)获得的系统临界参数Kp max、Ki max-半，即K ρ max/2和Ki max/2作为模 糊PI控制器的基准值Kptl和K i(l，叠加上步骤（c)获得的PI参数的修正量Λ Κρ、Λ Ki，得到 模糊PI控制器实际值Kp= K Ρ(ι+ Λ Kp，Ki= K i(l+ Λ Ki，实现PI参数的实时调节。
[0012] 这样，在PWM整流器电压外环模糊控制器参数设计时，首先按常规PI控制器设计 方法计算得到电压外环PI参数。以此为基础按等差序列选取同数量级多组PI参数，将选取 的多组参数代入系统进行仿真，记录在各组PI参数下系统动态性能仿真结果。由仿真结果 曲线特征确定出PI调节器K p参数变化最大值K P _及K i参数变化最大值K imax。设置模糊PI 控制器中基准值KpQ、Kitl为K P max/2、Ki max/2,并基于有效变化范围：[_KP max/2, KP max/2]、[-Ki+ max/2, Ki max/2]求得PI参数修正量Λ Κρ、Λ Ki，从而得到模糊PI控制器参数：Kp= K Ρ(ι+ Λ Kp、 Ki= K i(l+ Λ Ki，实现PI参数实时调节。这样，实际KpKi参数按照模糊控制原理实时根据系 统偏差e和偏差变化率ec调整，且PI参数由系统动态性能仿真曲线特征获得，避免了参数 的盲目选择，可以使系统获得更快的响应速度和更小的超调。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0014] 本发明提供了一种针对PWM整流器的模糊PI参数确定方法。相对于以往通过经 验估测设定模糊PI参数，在采用了本文提出的方法后，参数自整定模糊PI的各个参数是在 计算值的基础上进行了多组参数系统仿真优化，并给出了模糊参数变化可行范围，避免了 参数设计的盲目性。
[0015] 此方法设计的模糊PI控制器中实际PI参数随系统运行工况自动调节，且参数范 围限定在系统稳定区间内，在系统输出电压参考值改变或者负载大小变化时，能在保证系 统稳定工作的前提下，使系统调节时间短，超调量较小。
【附图说明】
[0016] 图1三相PWM整流器电路拓扑图
[0017] 图2三相PWM整流器控制框图
[0018] 图3电压外环简化结构图
[0019] 图4模糊PI下直流侧输出电压波形
[0020] 图5调节时间随PI参数变化趋势：（a)参考电压80V变为120V(b)负载由100Ω 变为50Ω
[0021] 图6电压超调量随PI参数变化趋势：（a)参考电压80V变为120V(b)负载由100Ω 变为50Ω
[0022] 图7电压外环模糊控制原理框图
【具体实施方式】
[0023] 本发明针对以往研宄的电压外环的参数自整定模糊PI控制器，提出一种模糊控 制器参数设计方法，以达到优化PWM整流器直流侧输出动态性能的目的。由PWM整流器的 控制结构入手，本方法的具体的步骤如下：
[0024] a、三相PWM整流器拓扑如图1所示，由其图2所示dq解耦控制框图，得图3所示电 压外环简化控制框图。并按典II型系统设计电压调节器，得到校正后的开环传递函数为：
[0025]
【主权项】
1. 一种PWM整流器中模糊PI控制器参数设计方法，用于在电压、电流双闭环控制策略 中对PWM整流器中模糊PI控制器参数进行设计，避免参数设计的盲目性，使输出能达到较 优效果，具体步骤包括： a、 按照常规方法建立三相PWM整流器在dq坐标系下的数学模型，以此得到电压外环控 制结构图，并按典型II型系统设计电压调节器，获得电压外环开环传递函数，计算得到电压 外环PI调节器控制参数KUP、Kul; b、 以步骤（a)获得的电压外环参数KUP、KUI为中心，按等差序列选取多组同数量级PI参 数，将选定的多组PI参数代入系统进行仿真，记录系统在各组参数下仿真的动态性能，即 记录调节时间和超调量，并绘制调节时间与PI参数的关系曲线，超调量与PI参数的关系曲 线；根据调整时间、超调量与PI参数曲线特征，选取PI调节器Kp参数变化最大值Kp_及 1参数变化最大值Kimax; c、 采用两输入两输出模糊控制器，以实时检测的电压误差量e及电压误差量变化率 ec乘以合适的比例系数后作为模糊控制输入量，在有效变化范围[-Kpmax/2,Kpmax/2]、[-Ki max/2，Kimax/2]内经过模糊控制算法获得PI参数的实时修正量AKp、AKi; d、 以步骤（b)获得的系统临界参数Kpmax、Kimax-半，即Kpmax/2和Kimax/2作为模糊PI控制器的基准值Kptl和Ki(l，叠加上步骤（c)获得的PI参数的修正量AKp、AKi,得到模糊PI 控制器实际值Kp=Kpc^AKpKi=K^AKi,实现PI参数的实时调节。
【专利摘要】本发明公开了一种PWM整流器模糊PI控制器参数设计方法。在PWM整流器电压外环模糊控制器参数设计时，首先按常规PI控制器设计方法计算得到电压外环PI参数。以此为基础按等差序列选取同数量级多组PI参数，将选取的多组参数代入系统进行仿真，记录在各组PI参数下系统动态性能仿真结果。由仿真结果曲线特征确定出PI调节器KP参数变化最大值KP_max及KI参数变化最大值Ki_max。实际Kp、Ki参数按照模糊控制原理实时根据系统偏差e和偏差变化率ec调整，且PI参数由系统动态性能仿真曲线特征获得，避免了参数的盲目选择，在系统稳定工作前提下，使系统调节时间短，超调量较小。
【IPC分类】H02M7-219
【公开号】CN104796020
【申请号】CN201510181003
【发明人】何晓琼, 李乾勇, 陈亚军, 柳明, 舒泽亮
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月17日