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HVDC紧急功率支援自适应模糊控制器设计
HVDC EMERGENCY POWER SUPPORT CONTROL BASED ON A ADAPTIVE FUZZY CONTROLLER
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> 模糊控制在直接转矩控制体系概述与应用
模糊控制在直接转矩控制体系概述与应用
本文是控制工程论文，本文系统地介绍了直接转矩控制的方法，详细地介绍了模糊控制的基本原理。为了改善直接转矩控制系统的性能，把模糊控制应用于直接转矩控制系统。
第一章绪论
1.1交流调速技术的发展及现状
本论文研究的对象为交流电动机变频调速系统。在20世纪30年代，变频调速就己经被认为是交流异步电动机的一种较好的调速方法，但由于当时硬件设备条件的限制，变频调速技术没有得到大规模的应用。60年代，随着控制技术和电力电子技术的飞速发展，变频调速装置研制成功，交流调速技术重新受到人们的重视，成为电动机调速的发展方向。90年代以来，随着新型电力电子器件的产生、微电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论和智能控制理论在电机控制技术中的应用，交流调速技术取得了突飞猛进的发展，其调速性能可以和直流调速技术性能相媳美，并且已经逐步取代直流调速技术。交流电动机的调速技术从诞生至今先后出现了以下四种主要的调速控制系统。V/F=C(常数）控制。V/F=C(常数）控制属于开环控制，是最简单的交流变频调速控制策略，是一种标量控制，通过在控制过程中保持V/F为常数来保持定子磁链的恒定。其缺点是：该控制方式不能调节转矩，只是控制了电机的气隙磁通，动态性能指标与直流双闭环调速控制系统相比差距很大[4]。(2)转差频率控制。转差频率控制引入了转速闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或下降，与V/F=C(常数）控制相比，加减速比较平滑，更使系统稳定。因此，转差频率控制的变频调速系统基本达到了直流调速双闭环控制系统的调速性能。但是，它是从电机的稳态方程得到的，并不能真正控制动态过程的电磁转矩，在动态性能方面仍然存在缺陷[4]。(3)矢量控制。也称为磁场定向控制。
1.2直接转矩控制综述
1.2.1直接转矩控制的提出
1977年A.B. Piunkett在IEEE杂志上提出了直接转矩控制思想。但当时对瞬时定子磁链的检测没有一个很好的解决方法，使其实现起来颇为困难而未曾引起广泛的注意。1985年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授通过对瞬时空间理论的研究，首次提出了直接转矩控制的理论DSC (Direct Self-Control),接着1987年把它应用到弱磁调速范围。这种控制方法是使定子磁链按照正六边形轨迹运动，由于六个非零电压空间矢量与正六边形的六条边分别相对应，因此可以通过三个施密特触发器来切换逆变器的六个工作状态，直接利用六个非零电压空间矢量实现磁链轨迹控制。同矢量控制技术相比，直接转矩控制技术抛弃了解稱的思想，省去了复杂的坐标变换，克服对电动机参数依赖性强的缺点。直接转矩控制不通过电流、磁链等间接控制转矩而是对转矩进行直接控制。系统结构简单明了，控制思想新颖，性能优良，受到了人们的极大关注。这种技术在大功率的交流电气传动机车-成功地得到应用乐此胜.控制方式中&定子磁链的运动轨迹是正六边形，故转矩脉动较大，电流、电压波形畸变也较严重，低速时转矩脉动更大大，在一定程度上限制了直接转矩控制性能应用场合。随后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。它被认为是DSC的改进。这种方法通过实时观测电机转矩和磁链的误差，结合电机定子磁链的位置来选择相应的电压幵关矢量在原理上几乎完全与DSC相同，然而，它的定子磁链轨迹却是接近于圆形，而不是像DSC中为6边形。由于磁链运动轨迹近似为圆形，电流、电压中的波形要远好于DSC，但控制系统比DSC复杂一些，因而在中小功率场合获得广泛应用。
第二章交流异步电机数学模型与DTC系统基本原理
2.1交流异步电机的数学模型和坐标变换
交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的数学模型时，常作如下的假设：(1)忽略空间谐波；(2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；(3)忽略铁芯损耗；(4)不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。无论电机转子是鼠笼式还是绕线式的，都把它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相阻数都相等。实际电机绕组被等效为如图2. 1所示的三相感应电机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度0为空间角位移变量。当定子绕组通入三相交流电时将产生定子旋转磁场，定子旋转磁场在转子上感应出电流，感应的电流产生一个转子磁场，于是转子磁场跟着定子磁场一起旋转，也就是转子跟着定子磁场旋转。这就是异步电机旋转的基本原理。交流异步电机的三相动态数学模型非常复杂，求解这组非线性方程十分困难。通过数学推导可知三相变量只有两相是独立的，由此可知，三相数学模型并不是交流异步电机最简洁的数学描述，所以为了计算和分析的方便，通过坐标变换的方式用两相绕组模型等效代替三相绕组模型。
2.2电压空间矢量和逆变器
就逆变器电路而言，一个电压空间矢量代表的是逆变器的一种开关状态组合，总计共有八种不同方式的开关状态组合。从交流异步电动机定子磁场的角度来说，一个电压空间矢量代表的是某一个方向的定子磁场，共有七种不同位置、方向的定子磁场。若从数学的角度来看，一个电压空间矢量所代表的就是一个具有大小、方向的数学向量，便于用来进行分析、推理。以往的交流异步电机控制大多是使用脉冲宽度改变的方式。研究的是如何调整驱动电源脉冲的宽度，来控制电压有效值与频率之间的关系，提供实际需要的交流驱动电源。近来的交流异步电机控制己经走向空间向量调制的方式，所研究的是如何设计一套独创的高效能空间向量的应用方式。根据八个空间向量组合原理，在逆变器六个开关随时间连续切换的过程中，建立定子三相旋转磁场，并经过特定的分析与控制，来控制磁通状态和转矩大小，以达到更稳定快速的交流异步电动机闭环转速控制。
第三章基于模糊控制的直接转矩控制系统...........&21
3.1模糊控制的基本原理...........&&21
3.1.1模糊控制的简介...........&21
3.1.2输入量的模糊化...........&&23
3.1.3模糊控制规则的建立...........&&24
3.1.4模糊推理&...........&25
3.1.5模糊量的清晰化...........&&26
3.2模糊直接转矩控制系统...........&27
3.2.1模糊控制器设计...........&&28
3.3本章小结&...........&31
第四章Matlab仿真与结果分析...........&&33
4.1 Matlab 简介...........&&33
4.2模糊直接转矩控制系统的仿真建模搭建...........&&33
4.3仿真结果与分析...........&&39
4.4本章小结&...........&43
STM32的模糊DTC系统软、硬件实现...........&&45
5.1系统硬件设计&...........&45
5.2系统软件设计...........&&50
5.3本章小结...........&52
第五章基于STM32的模糊DTC系统软、硬件实现
5.1系统硬件设计
硬件是软件实现的载体，硬件设计的好坏往往和系统的可靠性、稳定性、系统的精度密等切相关。一个元器件选择的不同就有可能对系统的精度产生重大影响。所以硬件设计在整个控制系统的实现中占有重要地位。本文所研究的模糊直接转矩控制系统的硬件实现主要包括主回路和控制回路两大部分。主回路有整流模块、滤波电路、智能功率模块IPM和异步交流电机组成。控制回路包括作为系统硬件实现核心的主控芯片STM32 MCU、定子电流检测电路、直流侧母线电压检测电路、转速检测电路和显示电路等。主回路实现交流一直流一交流的过程，其主要器件包括整流模块、滤波电容、智能功率模块IPM和三相异步电动机。智能功率模块IPM实现的是逆变器的功能，本系统中选用三菱公司的PM30CTJ060,最高耐压600V，最高允许通过电流30A，最高工作频率6KHz，适用于3KW以下的电机控制。
随着工、农业生产的发展，对电气传动的调速性能要求越来越高。目前使用最广泛的就是交流异步电动机，使用先进的控制技术可以显著提高交流电机的调速性能。过去几十年中，交流电机控制技术有了很大发展，直接转矩控制技术是最引人瞩目的电气传动技术之一。&本文完成的王要工作包：
1从交流异步电机的数学模型入手，深入分析和研究了直接转矩控制技术的基本原理和系统结构。
2在传统直接转矩控制的基础上引入模糊逻辑，将转矩误差、定子磁链误差和磁链角进行模糊分级，根据误差大小合理地选择空间电压矢量。进行了模糊控制器的设计，并用模糊控制器替换传统直接转矩控制系统中的滞环比较器和开关矢量表。
3在MATLAB/simulink环境中搭建了直接转矩控制系统和基于模糊控制的直接转矩控制系统的仿真模型，完成了两种系统的仿真实验，对仿真结果进行了对比分析。验证了引用模糊控制后的直接转矩控制系统改进了传统直接转矩控制系统的动、静态性能。
参考文献（略）
(责任编辑：gufeng)
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本文是控制工程论文，在无信号交叉口控制方面，国外专家已着...& & 目前，国内外学者对LCL型提出了很多种控制策略，主要可以分为三种类型：基于的控制策略、基于虚拟同步电机控制策略和基于直接功率控制策略(DPC)。本文主要通过在对基于直接功率控制策略(DPC)原理研究分析的基础上，优化控制策略，提出改进的准DPC控制策略，既保留了LCL型器在高频波段内使谐波能快速削减的能力的优点，又能从根本上解决谐振问题。
& & 2 直接功率控制策略
& & 相对基于电流和虚拟同步电机控制策略，直接功率控制具有更高的，更低的THD(总谐波畸变率)，以及优良的动态性能和结构简单等众多优点，从1991年Tokuo Onhishi提出将直接功率控制应用于对变流器的控制以来，逆变器的直接功率控制受到了国内外的学者的广泛关注。
& & 直接功率控制一般采用都是开关矢量表查询法(L-DPC)，开关矢量表是系统控制的核心，所以研究开关矢量表是研究直接功率控制的一个重要的方向。有些学者对此也提出了不同空间划分和优化开关表设计方法，这种对开关表的改进大大提高了直接功率控制的系统动态性能。然而，L-DPC开关不固定，不利于输出滤波器的设计。
& & 为解决前面说的问题，人们提出了恒频直接功率控制，基于恒频直接功率控制的几种方法，不但兼顾了功率调节的动态性，又固定了开关频率，不过这样无法实现对并网电流的直接控制。后来又有人提出了基于虚拟磁链和有源阻尼控制的直接功率控制方法，但是两种控制算法比较难以实现，控制起来比较复杂。
& & 3 基于准DPC光伏并网逆变器的控制策略
& & 为此本文提出了一种基于准直接功率控制(DPC)的光伏并网逆变器的控制策略，内环用电流环进行控制，对并网的电流进行直接的控制，功率环作为外环，直接控制并网逆变器的输出功率，这样系统的控制性能既有了基于电流控制的优点，又有了基于直接功率控制的优良性能。控制系统包括对直流母线的控制环节、有源功率阻尼环节、对功率进行控制的环节以及电流的控制环节等。
& & 其系统的结构如图1所示。
& & 根据瞬时功率的理论计算逆变器并网侧瞬时和，光伏并网逆变器网侧复功率可定义为：
& & 上式中us和is分别是电网和并网电流的空间矢量，us&﹑us&﹑is& ﹑is&分别为坐标系下的电网电压和电流的分量。
& & 将上面的瞬时有功功率p 和q 无功功率，和设定的功率的参考值 p*和q*进行比较，并且减去有源阻尼功 pd 和qd ,从而得到功率的误差，然后将误差信号送给模糊功率控制器进行分析调节，然后得到并网电流的参考信号，同时和实际检测的并网电流信号比较，经过重复PR电流控制器的调节和变换，利用S 技术，控制逆变器的功率开关管的开断。其中系统的有功功率参考值p*,是由直流侧的电压经过PI 调节的控制的输出和直流母线的电压相乘得到的，为了实现并网侧单位功率因数的运行，所以设置无功功率参考值q*为0.
& & 3.1 功率的控制器设计
& & 因为光伏发电系统输出的功率随光照、温度等条件不断变化，所以功率控制器采用常规的控制很难达到理想的控制效果，就提出一种基于模糊的功率环控制策略。模糊控制器是运用模糊推理机制在线对控制器参数进行整定和优化﹑控制。
& & 3.2 电流的控制器设计
& & 电流的控制器的外环是用重复PR控制进行，重复控制来控制并网系统的电流，而PR控制的作用是增强在第一个内对并网的电流的控制能力，提高系统重复控制的稳定性和动态性能。
& & 重复PR控制对于系统谐波抑制特性的改善效果基本不受参数的影响，只要把重复控制的补偿函数设计得合理，便可以获得比较好的谐波抑制特性。
& & 4 准D P C控制策略系统的M a t l a b \Simulink仿真验证分析
& & 仿真的结果以及分析如图2、图3所示：
& & 由上面的仿真结果可以看出，系统具有较快的动态响应，并网的电流在第一个周期内就可以得到稳定的控制，当系统稳定之后，并网的各相相电流的正弦波形很良好，而且并网电流的总谐波的畸变率也满足并网要求，电流的频谱分布也比较的集中。
& & A相并网电流和电压的关系如图4所示：
& & 由图4可以看出，并网电流与相应的电网电压同频、同，实现了光伏逆变器单位功率因数并网运行。
& & 5 结语
& & 本文在分析基于直接功率控制策略的原理的基础上，提出了一种基于LCL型滤波器的光伏并网逆变器的设计方案，该方案中所设计的控制系统外环功率环采用模糊控制策略，内环电流环釆用重复控制策略，该控制方法可以兼顾电流控制和直接功率控制的优点，既保证了并网电流波形的正弦度又提高了系统的动态性能。通过仿真测试表明该逆变器对LCL型滤波器的谐振问题进行有效抑制并且提高对光伏并网电压电流的控制能力。
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