三相pwm電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置及控制方法，屬于逆變器控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明將分?jǐn)?shù)階PI和預(yù)測函數(shù)控制相結(jié)合，得到新型的FOPI-PFC算法，替代傳統(tǒng)的PI控制，將該方法引入到逆變器電壓和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中來替代傳統(tǒng)的電壓外環(huán)所使用的預(yù)測控制器或PI控制器，以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)與抗擾動能力，在這基礎(chǔ)上，引入新的分?jǐn)?shù)階參數(shù)，使控制更加靈活；進(jìn)一步地，采用離散滑模電流控制器作為內(nèi)環(huán)的電流控制器，以獲得良好的動態(tài)響應(yīng)能力與穩(wěn)定的輸出電壓。
【專利說明】三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種逆變器的控制裝置，尤其涉及一種三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置及控制方法，屬于逆變器控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在實際的電源系統(tǒng)中，有時需要把直流電轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用，這種把直流電變成交流電的過程，稱為逆變。逆變器廣泛應(yīng)用于以直流發(fā)電機(jī)、蓄電池、太陽能電池和燃料電池為主直流電源的逆變場合。隨著石油、煤和天然氣等主要能源的日益緊張，新能源的開發(fā)和利用越來越得到人們的重視。逆變器在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。
[0003]一般認(rèn)為，逆變技術(shù)的發(fā)展可以分成如下三個階段:
[0004]1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，輸出電壓波形改善以多重疊加法為主，體積重量較大，逆變效率較低，正弦波逆變技術(shù)開始出現(xiàn)。
[0005]1981-2000年為高頻化新技術(shù)階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較高，波形改善以PWM為主，體積重量小，逆變效率高，正弦波逆變技術(shù)的發(fā)展日趨完善。
[0006]2000年至今為高效低污染階段，這個階段的特點是以逆變器的綜合性能為主，低速與高速開關(guān)器件并用，多重疊加法與PWM法并用，不再偏向追求高速開關(guān)器件與高開關(guān)頻率，高效環(huán)保的逆變技術(shù)開始出現(xiàn)。
[0007]近幾年來高性能PWM逆變器的研究越來越受到關(guān)注，出現(xiàn)和發(fā)展了多種多樣的逆變器控制技術(shù)。比如米用 PID 控制[Dixon J, Tepper S，Moran L.Practical evaluat1nof different modulat1n techniques for current-controlled voltage inverters.1EEE Proceedings Electric Power Applicat1ns, 1996，143 (4): 301 ?306.],有較快的動態(tài)響應(yīng)和較強(qiáng)的魯棒性，但是數(shù)字化之后，由于電路的非線性，其穩(wěn)態(tài)輸出特性差。重復(fù)控制[滕國飛，肖國春，張志波，齊元瑞，盧勇.采用重復(fù)控制的LCL型并網(wǎng)逆變器單閉環(huán)電流控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013,24:13-21.]是在重復(fù)信號發(fā)生器作用下，控制器實際上進(jìn)行著一種逐周期的積分控制，通過對波形誤差的逐周期補(bǔ)償，穩(wěn)態(tài)時可以實現(xiàn)無靜差控制效果。重復(fù)控制的方法對于周期性出現(xiàn)的電壓畸變有很好的改善，THD—般都能控制在3%以下，但是重復(fù)控制的最大缺點在于它的控制響應(yīng)時間比較慢。滯環(huán)控制[朱思國，歐陽紅林，劉鼎，晏建玲.基于電流滯環(huán)控制的H橋級聯(lián)型逆變器新型調(diào)制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013,02:212-218.]將指令值與實際值的差值輸入到遲滯比較器中，使得實際值與指令值的誤差始終處于滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)。優(yōu)點是穩(wěn)定性好，不需建立精確的主電路模型，但開關(guān)頻率不固定，運行不規(guī)則，給濾波器的設(shè)計帶來困難。引入電網(wǎng)電壓前饋控制的雙環(huán)控制策略[Zargari N, Joos G.Performance investigat1n of currentcontrolled voltage regulated PWM rectifier in rotating and stat1nary frame[C].Nineteenth Annual Internat1nal Conference on Industrial Electronics, MauiHawaii, USA, 1993.]有利于減小輸出電流穩(wěn)定誤差，但無法有效地抑制諧振峰。無差拍控制[黃天富，石新春，魏德冰，孫玉巍，王丹.基于電流無差拍控制的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，11:36-41.]根據(jù)正弦參考指令和測量的狀態(tài)反饋變量，計算下一個開關(guān)周期的脈沖寬度，以使下一個采樣時刻的輸出電壓準(zhǔn)確等于正弦參考指令，有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)特性，但由于非線性、負(fù)載變化和參數(shù)波動等因素的影響，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有較大的不確定性魯棒性不強(qiáng)，容易造成輸出性能惡化甚至不穩(wěn)定。分?jǐn)?shù)階PI逆變器雙環(huán)控制策略[郭偉，徐金成，溫路成，程遠(yuǎn).基于分?jǐn)?shù)階PI的逆變器雙環(huán)控制研究[J].計算機(jī)仿真，2013，08:127-130.]引入新的分?jǐn)?shù)階積分參數(shù)λ，使控制器的參數(shù)設(shè)計更加靈活，但其現(xiàn)有的研究僅限于單變量的情況，且抗干擾能力較為不足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有逆變器雙閉環(huán)控制技術(shù)的不足，提供一種三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置及控制方法，不僅能夠在逆變器穩(wěn)態(tài)運行中提高系統(tǒng)運行效率，也可以在進(jìn)行效率優(yōu)化的同時提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使得逆變器系統(tǒng)在整個運行過程中都能兼顧效率與響應(yīng)性能。
[0009]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:
[0010]一種三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置，包括外環(huán)的電壓控制器和內(nèi)環(huán)的電流控制器，所述電壓控制器為多變量分?jǐn)?shù)階PI預(yù)測函數(shù)控制器，其控制模型具體如下:
[0011]U(k) = (La+Lb+Lc)Fn(0)T
[0012]其中:
[

【權(quán)利要求】
1.一種三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置，包括外環(huán)的電壓控制器和內(nèi)環(huán)的電流控制器，其特征在于，所述電壓控制器為多變量分?jǐn)?shù)階PI預(yù)測函數(shù)控制器，其控制模型具體如下:
im是電壓外環(huán)控制回路第A個時刻的控制量輸出向量；^為比例系數(shù)矩陣，昊= ￡7/,其中辱為積分系數(shù)矩陣I:為采樣時間力分?jǐn)?shù)階積分參數(shù)；/#)為基函數(shù)在? =時的值，T5為采樣周期，F(xiàn)a為基函數(shù)的值構(gòu)成的向量，下標(biāo)j表示基函數(shù)的階數(shù)，J為基函數(shù)個數(shù)的索引，從I到/之間整數(shù)；G和分別表示誤差加權(quán)矩陣和控制加權(quán)矩陣4_1和廠2為延時算子;'(七)為當(dāng)前時刻逆變器輸出的內(nèi)環(huán)逆變器參考電流直軸分量和內(nèi)環(huán)逆變器參考電流交軸分量組成的向量'Φ:) %k時刻PWM參考電壓直軸分量和PWM參考電壓交軸分量的參考值組成的向量；X*沐)為電壓控制器的模型狀態(tài)向量；I；是參考軌跡的期望響應(yīng)時間、力第i時刻第μ個輸出的參考軌跡衰減因子，CEi為由4組成的第！時刻參考軌跡衰減因子矩陣；P為預(yù)測步長!力第步預(yù)測時刻；F為輸出變量的個數(shù)；4?、1、G為電壓控制器狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣。
2.如權(quán)利要求1所述三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置，其特征在于，所述電流控制器為離散滑模電流控制器，其控制模型具體如下:
其中，Ueq(k) = -{CsB；r\CsA:Xm-^^ ，(6^(?)是電流內(nèi)環(huán)控制回路第 < 個時刻的控制量輸出向量，即PWM參考電壓；4Λ K*是經(jīng)離散化后的狀態(tài)空間系數(shù)矩陣，Λ* = ^(4-Tj) , Β；=ζα^.-^?τ , ￡;是經(jīng)離散化后的狀態(tài)空間的誤差系數(shù)矩陣，, Ti為采樣周期,參考輸入為IV(fc) , χκ(λ)為電流控制器的模型狀態(tài)向量，4、馬、C；為電流控制器狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣，盡為電流控制器狀態(tài)空間方程的干擾系數(shù)矩陣，1?為預(yù)設(shè)的逆變器電流幅值上限，Uis(k)為電流控制器的經(jīng)限幅后的實際輸出向量。
3.如權(quán)利要求1或2所述三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置，其特征在于，所述基函數(shù)//3)為單位階躍函數(shù)，其階數(shù)j.的取值為I。
4.如權(quán)利要求1或2所述三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制裝置，其特征在于，所述預(yù)測步長”的取值為5。
5.一種三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制方法，其控制回路包括兩個閉環(huán):外層的電壓環(huán)和內(nèi)層的電流環(huán)，其特征在于，該控制方法包括以下步驟: 步驟1、初始化逆變器控制參數(shù)；將電壓外環(huán)控制回路的雙輸入、雙輸出的二階系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程，得出系數(shù)矩陣為1、圪、Cm ;將電流內(nèi)環(huán)控制回路的雙輸入、雙輸出的二階系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程，得出系數(shù)矩陣4、式、C；和干擾系數(shù)矩陣盡; 步驟2、對于外層的電壓環(huán)，按照下式計算控制量:
其中，
im是電壓外環(huán)控制回路第t個時刻的控制量輸出向量；^為比例系數(shù)矩陣，Ia =Jqr/，其中[為積分系數(shù)矩陣，Ts為采樣時間，Λ為分?jǐn)?shù)階積分參數(shù)；//(i)為基函數(shù)在? =時的值，7；為采樣周期，F(xiàn)a為基函數(shù)的值構(gòu)成的向量，下標(biāo)J表示基函數(shù)的階數(shù)，J為基函數(shù)個數(shù)的索引，從I到/之間整數(shù)；G和分別表示誤差加權(quán)矩陣和控制加權(quán)矩陣4_1和g_2為延時算子;'(七)為當(dāng)前時刻逆變器輸出的內(nèi)環(huán)逆變器參考電流直軸分量和內(nèi)環(huán)逆變器參考電流交軸分量組成的向量；Φ)為k時刻PWM參考電壓直軸分量和PWM參考電壓交軸分量的參考值組成的向量；#*沐)為電壓控制器的模型狀態(tài)向量中是參考軌跡的期望響應(yīng)時間；成為第?時刻第M個輸出的參考軌跡衰減因子，d為由4組成的第時刻參考軌跡衰減因子矩陣；P為預(yù)測步長-J為第I步預(yù)測時刻；N為輸出變量的個數(shù)；4?、1、G為電壓控制器狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣； 步驟3、對于內(nèi)層的電流環(huán)，按照下式計算控制量:
W是電流內(nèi)環(huán)控制回路第先個時刻的控制量輸出向量，即PWM參考電壓；4Λ K是經(jīng)離散化后的狀態(tài)空間系數(shù)矩陣，A: = ^(A71-Ts) ,,五:是經(jīng)離散化后的狀態(tài)空間的誤差系數(shù)矩陣，< =, τ:'為采樣周期,參考輸入為iv(fc), JTsCfc)為電流控制器的模型狀態(tài)向量，H Cm為電流控制器狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣，Ms為電流控制器狀態(tài)空間方程的干擾系數(shù)矩陣，Wn為預(yù)設(shè)的逆變器電流幅值上限，UiJk)為電流控制器的經(jīng)限幅后的實際輸出向量； 步驟4、根據(jù)步驟3得到的控制量t/is(A)，控制逆變器的負(fù)荷電壓與逆變電流跟隨其參考值變化。
6.如權(quán)利要求5所述三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制方法，其特征在于，所述基函數(shù)//O為單位階躍函數(shù)，其階數(shù)/的取值為I。
7.如權(quán)利要求5所述三相PWM電壓型逆變器的雙閉環(huán)控制方法，其特征在于，所述預(yù)測步長P的取值為5。
【文檔編號】H02M7/5395GK104184355SQ201410385668
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】郭偉, 王漢杰, 夏友亮, 邱曉惠, 李濤 申請人:南京信息工程大學(xué)