运用多目标灰狼优化的航空有源AC/DC变换器研究

2018-11-14陈玉升肖玲斐丁润泽

重庆理工大学学报(自然科学) 2018年10期

陈玉升，肖玲斐，丁润泽

(南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016)

飞机上同时具有交、直流用电设备，当给直流用电设备供电时，需要AC/DC变换器将交流电转换成直流电[1]。目前，主流的航空多电发动机所使用的AC/DC变换器是多脉冲变压整流器(TRU)和多脉冲自耦变压整流器(ATRU)。由于传统AC/DC变换器通过增加体积、质量达到谐波治理，所以有必要研究新型的AC/DC变换器。网侧电流谐波含量是评价AC/DC变换器性能的一个重要指标。对于网侧电流谐波的治理，通常有无源和有源两种方案，无源方案主要是TRU和ATRU；有源方案主要是利用有源电力电子器件构造新的拓扑结构实现主动滤波。

在TRU和ATRU的发展过程中，后者采用自耦式变压器代替前者的隔离式变压器，从而有效减少变压器的等效容量，同时减小整流器的体积、质量，降低成本[2-4]。多脉冲整流具有减少交流侧输入电流中的谐波含量以及减小直流输出电压中的谐波幅值的作用，例如12脉冲整流网侧电流仅仅含有12k±1(k=1，2,3,…) 次谐波，输出电压仅含12k次谐波。作为一般的规律，脉冲数越多的ATRU谐波含量越少，同时也会导致ATRU的结构变得复杂以及增加质量[5-7]。而随着有源电力电子器件的发展，将有源方案应用于航空多电发动机AC/DC变换器的设计成为了可能。

有源电力滤波器(APF)作为一种有效的谐波抑制装置，可根据系统的非线性特性进行主动滤波，一直是学者们研究的热点[8-9]。按照APF接入电网方式分类，可以分为直流侧APF和交流侧APF[10-13]。与交流侧APF相比，直流侧APF在没有增加开关电压应力的情况下，减少了有源开关的数量，且具有电路结构简单、效率高等优点。针对航空领域，APF并联在整流桥和负载之间，相当于一个电流源，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而实现谐波治理的目的；并且，因为其并联在ATRU输出端，当故障发生时，不会对ATRU产生致命的影响，满足航空发动机要求高度可靠性的特点。

本文针对航空多电发动机传统AC/DC变换器在减小体积、质量与抑制谐波之间存在矛盾的问题，提出一种无源和有源相结合的自耦变压有源滤波整理器(ATPFRU)。该结构不仅可以解决多脉冲情况下装置复杂、质量大的缺点，还可以有效地减少直流侧电流谐波含量。本文采用分数阶PI控制器进行控制方案的设计，提出利用多目标优化的灰狼优化算法对分数阶PI控制器的参数进行优化，使得控制系统获得更优的动态性能。

1 ATPFRU拓扑结构设计和建模

本节考虑到航空多电发动机传统AC/DC变换器在减小体积、质量与抑制谐波之间存在矛盾的问题，提出ATPFRU，如图1所示。其由三相交流电源、多边形自耦变压器、三相不控整流桥、并联型APF、均衡电抗器和输出负载组成。该装置以12脉冲ATRU作为主结构，自耦变压器选择的是多边形结构，在整流桥输出直流侧并联三相APF实现单个整流桥的有源滤波，在三相APF后接电抗器稳定直流侧输出电压。

1.1 传统ATRU输入电流谐波分析

三相电源输出的电压经过多边形自耦变压器后会产生两组相位差为30°的三相电压，两组三相电压分别通过三相不控整流桥就会得到输出相位差为30°的6脉冲直流侧电压，通过电抗器平衡两个整流桥输出的瞬时电压差就得到了12脉冲的直流侧电压。通过对A相输入电流进行傅里叶分析有：

(1)

式中：ia为A相电流；Id为直流侧电流；Ns、Np分别为自耦变压器短绕组和长绕组的数量；ω为输入电压角速度[14]。由式(1)可见输入电流含有12k±1次谐波，通过仿真计算可以得到各阶次谐波含量、输入电流总畸变率，如表1所示。

图1 自耦变压有源滤波整流器(ATPFRU)

基波倍数11132325THD谐波含量/%9.297.474.523.7515.28

1.2 ATPFRU工作原理分析

为了更清晰地阐述本文所提拓扑结构，本节以单个三相整流桥为例进行介绍。图2所示为本文所提的基于APF的三相桥结构。

图2 直流侧并联型APF拓扑结构

图2中：Uabc为输入三相电压；Sabc为低频双向开关；Sp1、Sp2、Sn1、Sn2分别为高频双向开关；ip、in分别为直流侧上下桥臂电流；Uinp、Uinn为直流侧上下桥臂电压；iLp、iLn分别为滤波电感电流；Ucp、Ucn分别为滤波电容电压；Ud为直流侧电压；L和R为负载阻抗。图2中，2对高频开关互补工作。3个低频开关每次只导通1个，导通规则为电压值处于中间的那一相导通，相较于低频开关而言，高频开关的频率很高，因此可以针对某一相电压导通为例进行原理介绍。

当Sp1和Sn1闭合时，滤波电感直接与电源进行连接，此时电源对滤波电感充电，即电感电流增加，有：

(2)

(3)

当Sp2和Sn2闭合时，此时滤波电感两端电压可以表示为：

(4)

(5)

由式(4)(5)可知：电感两端电压减小，即电感电流减小。由上述分析可知：滤波电感两端的电压可正可负，也就是电感电流可以增加或者减少，电流可控。

由上文分析可知：直流侧输出电压是12个脉冲，若施加适当的控制使直流侧电流的波形能够跟直流侧电压保持一致，则在交流侧也存在相同的相位关系，即交流侧的电流电压波形也保持一致。此时，从交流侧看去，整流桥、直流侧并联型APF和负载共同等价于一个等效电阻，从而实现了对谐波的治理。因此，基于直流侧APF拓扑结构的控制目标是通过控制电感电流来补偿直流侧输出电流，使其在相位上与直流侧电压保持一致。

根据图2电路以及KVL回路定律，有：

(6)

(7)

式中：

Ukm=(1-dp)UCp

(8)

Umt=(1-dn)UCn

(9)

式中：dp、dn分别为Sp1和Sn1的开关占空比，将式(8)(9)代入式(6)(7)，有：

(10)

(11)

考虑直流侧储能电容，同样有：

(12)

(13)

2 ATPFRU控制系统设计

对于直流侧并联型APF，其控制目标主要有2个：1)补偿直流侧的谐波电流，使电网的输入电流与输入电压波形一致；2)稳定APF直流侧储能电容的电压，保证APF的稳定工作。针对上述2个目标，本文利用分数阶PI控制器设计了电压外环控制器；基于平均电流控制策略设计了电流内环控制器。同时，考虑到这2个目标需要协调，以便实现整体性能最优，因此本文提出利用多目标优化的灰狼算法对分数阶PI控制器的参数进行优化。

本文提出的控制系统原理图如图3所示。

图3 ATPFRU控制系统原理

由图3可见：该控制策略是典型的双环控制结构，其中电压外环以直流侧的2个电容电压之和作为控制量，直流侧电压与参考电压进行比较后输入分数阶PI控制器，参考电流峰值计算采用的是基于瞬时功率原理的参考电流提取方法，将该参考电流峰值与整流桥直流侧线电压相乘作为电感电流参考信号的一部分。同时，为了保持直流侧电压的稳定，将电压外环分数阶PI控制器的输出作为电感电流参考信号的一部分，两部分相加共同作为电流内环的输入。电流内环以上述的电感电流作为参考信号，与实际的电感电流进行比较后将误差信号输入PI控制器进行平均化处理，放大后的平均电流误差信号与三角载波比较后，产生开关管的控制信号。由于实际参与校正的是放大后的平均电流误差信号，因此电流跟踪误差信号可以非常小，从而实现接近于1的功率因数。

3 多目标灰狼优化算法设计

由于上节所述控制系统具有2个控制目标，因此单目标的优化算法已不能胜任此工作。考虑到航空多电发动机是一个对可靠性要求很高的非线性设备，其机载设备也应该具有响应速度快、鲁棒性强的特点。因此，本文提出采用具有优良收敛性能和全局搜索能力的多目标灰狼优化算法对所设计的分数阶PI控制器进行参数优化[15-16]。

对于本文控制系统来说，要控制的目标分别是稳定直流侧储能电容电压和补偿谐波电流。对于补偿谐波电流的评价，选用THD作为目标函数，其定义为：

(14)

式中：Ia1为基波电流的有效值；Ia为总输入电流有效值。

对于直流侧储能电容电压的评价，常用的误差性能指标有ISE、IAE、ITAE、ISTE等，这里选ITAE作为目标函数，其定义为：