电网电压不平衡时基于模糊反步法的PWM变换器控制策略研究

The great harmonic pollution will be produced under the unbalanced grid voltage condition when the three-phase voltage source reversible pulse width modulation (PWM) converter adopts the strategy based on the balanced condition. This increases the system loss and lowers the system performance. Therefore, a backstepping-fuzzy based control is proposed for the PWM converter in this project. The main contents are presented as follows. 1) The sector position of the voltage vector is determined according to the positive sequence or the negative sequence voltage under the unbalanced grid voltage condition. This can leave out the phase locked loop which is employed to obtain the specific angle. 2) The recursion theory of the backstepping is developed to complete the system control. The intermediate control law is firstly derived by constructing the Lyapunov function to guarantee the stability of the outer voltage loop. Its optimized parameters are discussed according to the system characteristics in theory and simulation. Then, the voltage controller is built to eliminate the poor disturbance rejection ability of the classical proportional-integral regulator. 3) In order to ensure the Lyapunov stability of the converter and simplify the control law obtained by the backstepping theory, a fuzzy based switching state controller is put forward in the inner power loop. This can realize the real-time control of the optimum switching states. The simulation and experiment are carried out to verify the theoretical study. Meanwhile, the related parameters are studied to search for a self-optimizing method in the proposed control. This research has an important significance for improving the theoretical system of the power electronic technology.

在电网电压不平衡时，采用基于平衡控制策略的三相电压型可逆PWM变换器（VSC）系统将给电网带来大量的谐波污染，致使系统损耗加剧，性能降低。针对该问题，本申请提出一种基于模糊反步法的PWM变换器控制策略，主要内容包括：1）在电网电压不平衡条件下，利用正负序电压信息直接获取其矢量的扇区位置，省去为获得具体角度信息而施加的锁相环节；2）提出利用反步法的递归思想开展VSC控制系统设计，通过构造李雅普诺夫方程获得保持电压外环稳定性的中间控制率，分析其参数对系统性能的影响，完成最优参数和电压控制器设计，克服传统比例积分调节器抗扰动性能差等问题；3）为了保证系统李雅普诺夫稳定性，简化利用反步法所获得的控制率，在功率内环设计一种基于模糊方法的开关状态控制器，实现最佳开关状态的实时在线控制。对理论分析进行仿真和实验验证，开展基于模糊反步法的参数自寻优设计，完善电网电压不平衡条件下电力电子技术发展的理论体系。

如果能够根据变换器的自身特点，结合非线性控制、智能控制等理论思想获得一种有效的控制策略，使其易于工程实现，具有较强的抗扰动能力，且能够满足电网电压不平衡时的控制要求，这将大大提高电力电子系统运行的稳定性，避免其给电力系统带来的谐波污染等问题。基于此，本项目提出了电网电压不平衡时基于模糊反步法的变换器非线性控制策略。主要研究成果如下：.（1）提出了适用于平衡和不平衡系统的电源电压矢量判断方法。将检测到的电压信息转换为逻辑表达式，直接获取扇区位置信息，该方法易于并行处理，极大地缩减了扇区判断时间。.（2）提出了开关矢量作用强度的判别方法。基于瞬时功率理论，分析不同开关矢量对瞬时功率的调节强度，充分考虑运行工况的影响，完成了开关矢量选取方法的分析，解决了传统控制中单一的开关矢量选择方法未兼顾系统不同运行阶段的需求，致使系统的性能很难进一步优化的问题；为电力电子系统的优化提供参考。.（3）提出了基于稳定性约束的最优开关状态选择方法。首先建立了系统在不平衡系统下的数学模型；之后，结合反步控制的逆推思想完成了电压外环控制器设计，并推导获得系统的稳定性约束条件；最后，利用模糊控制思想，充分考虑不同工况下的最优开关选取方法，在满足系统稳定性约束条件的前提下，从离线设计的开关组合优先级序列中选择最优状态；该方法不仅大大减少了控制器的在线运算时间，且能满足不同工况下的控制需求。.（4）搭建了三相变换器实验平台，对所设计非线性控制器在平衡及不平衡系统下的暂态及稳态特性进行了验证，实验结果证明了所研究非线性控制策略的有效性。此外，将所设计非线性控制器拓展应用于模块化多电平换流器和交直流混合微电网中，进一步验证了本项目所设计非线性控制器的正确性。.项目成果为电力电子技术的智能化提供了新的研究思路，对于建立全智能化电力网络具有重要意义。