基于二階滑模和擾動(dòng)觀測(cè)器的三相pwm逆變器控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于二階滑模和擾動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器控制方法，適用于三相交流逆變器的高性能控制，該方法首先用3/2坐標(biāo)變換將三相交流逆變器系統(tǒng)解耦為兩個(gè)單相的二階子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上分別對(duì)兩個(gè)二階子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)負(fù)載變換的情況下設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器來(lái)對(duì)匹配和不匹配擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，在獲得擾動(dòng)估計(jì)值的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的復(fù)合控制方法，可以提高系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)較少，可以有效地減小三相交流逆變器系統(tǒng)電壓輸出諧波，從而達(dá)到提高交流逆變器系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的目的，滿(mǎn)足高性能交流逆變器系統(tǒng)電壓輸出領(lǐng)域應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于二階滑模和擾動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三相電力電子逆變器控制技術(shù)，特別涉及一種基于二階滑?？刂?和擾動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯與化石能源的逐漸枯竭，新能源發(fā)電受到越來(lái)越多的關(guān) 注。逆變器作為其中的主要接口裝置，帶來(lái)的最主要的電能質(zhì)量問(wèn)題是諧波污染。低性能 逆變器會(huì)威脅負(fù)載設(shè)備安全和影響用戶(hù)側(cè)電能的使用。通過(guò)先進(jìn)控制算法控制逆變器降低 諧波污染問(wèn)題，對(duì)改善電能質(zhì)量和維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定起著重要作用。
[0003] 為此，人們提出了多種控制方法：PID控制、線(xiàn)性反饋控制、重復(fù)控制、諧振控制 等。文獻(xiàn)（彭力，張宇，康勇，等.高性能逆變器模擬控制器設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)電機(jī)工程 學(xué)報(bào)，2006, 26(6) :89-94.)提出一種基于極點(diǎn)配置的PID參數(shù)設(shè)計(jì)方法，適用于輸出電壓 單閉環(huán)控制。傳統(tǒng)PID控制具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、標(biāo)稱(chēng)線(xiàn)性負(fù)載下輸出電壓總諧波畸變率（THD) 較低等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)正弦形式的信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差調(diào)節(jié)?；诹銟O點(diǎn)配置的線(xiàn)性反饋 控制如無(wú)差拍控制、狀態(tài)反饋控制等方法能顯著改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，但是對(duì)精 確數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)性高，在非線(xiàn)性負(fù)載、系統(tǒng)參數(shù)變化等情況下不能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差調(diào)節(jié)，甚 至?xí)瓜到y(tǒng)性能惡化?；趦?nèi)模原理的重復(fù)控制對(duì)周期性信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差跟蹤控制 或者擾動(dòng)消除，近年來(lái)獲得廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)（劉飛，鄒云屏，李輝.基于重復(fù)控制的電壓源 型逆變器輸出電流波形控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006, 25 (19) : 58-63.)將重復(fù)控 制和狀態(tài)反饋共同用到逆變器控制中，不僅保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且提高了控制精度。但 受信號(hào)內(nèi)模中延遲環(huán)節(jié)的限制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。諧振控制對(duì)正弦信號(hào)的無(wú)差控制誤差收斂 速度和系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，但一個(gè)諧振環(huán)節(jié)只針對(duì)單一頻率的正弦信號(hào)，所以當(dāng)對(duì)多個(gè)頻 率的正弦信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)無(wú)差控制時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)變得復(fù)雜。文獻(xiàn)（Yang Y，Zhou K，Cheng M，et al. Phase compensation multiresonant control of CVCF PWM converters[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2013, 28(8) :3923-3930.)提出多諧振控制和重復(fù)控 制結(jié)合對(duì)逆變器進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，提高了跟蹤精度和誤差收斂速度。
[0004] 擾動(dòng)觀測(cè)器（DO)具有良好的處理系統(tǒng)外界干擾和內(nèi)部不確定的能力，已經(jīng)成 為近年來(lái)先進(jìn)控制方法研究的熱點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于：可將系統(tǒng)的外部干擾和內(nèi)部不確定 性及建模誤差等統(tǒng)一看成系統(tǒng)的復(fù)合干擾，通過(guò)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而設(shè) 計(jì)基于估計(jì)值的復(fù)合控制器來(lái)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償使系統(tǒng)獲得期望的性能。文獻(xiàn)（李春鵬， 賁洪奇，孫紹華，等.采用擾動(dòng)觀測(cè)器的并網(wǎng)逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法[J].電機(jī)與控制學(xué) 報(bào)，2013, 17(3) :28-33.)將擾動(dòng)觀測(cè)器引入并網(wǎng)逆變器控制，不僅提高了死區(qū)補(bǔ)償效果， 而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾性能。
[0005] 另外，滑模變結(jié)構(gòu)控制通過(guò)控制量的切換使系統(tǒng)狀態(tài)沿著預(yù)定"滑動(dòng)模態(tài)"的 軌跡運(yùn)動(dòng)，而滑動(dòng)模態(tài)的設(shè)計(jì)與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使得系統(tǒng)在受到參數(shù)攝動(dòng) 和外干擾的時(shí)候具有不變性，具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同樣受到 國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)（Schirone L，Celani F，Macellari M.Discrete-time control for DC - AC converters based on sliding mode design[J]. IET Power Electronics，2012, 5(6) :833-840.)利用改進(jìn)的滑?？刂品椒ㄌ岣吡四孀兤鞯聂敯粜裕?低了總諧波畸變率。
[0006] 然而，滑模變結(jié)構(gòu)控制在本質(zhì)上的不連續(xù)開(kāi)關(guān)特性會(huì)引起系統(tǒng)的抖振問(wèn)題。傳統(tǒng) 滑模控制往往需要很大的切換增益來(lái)消除外加干擾及不確定項(xiàng)，因此，外界干擾及不確定 項(xiàng)是滑?？刂浦卸墩竦闹饕獊?lái)源，特別是當(dāng)面對(duì)不匹配擾動(dòng)時(shí)傳統(tǒng)的滑模顯得無(wú)能為力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種基于擾動(dòng)觀測(cè)器估計(jì)負(fù)荷擾動(dòng)并加以補(bǔ)償來(lái)消除 滑?？刂贫墩駟?wèn)題的三相PWM逆變器控制方法，通過(guò)本發(fā)明可以提高逆變器輸出電能質(zhì) 量，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] -種基于二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器系統(tǒng)交流電壓諧波抑制 方法，其特征是包括如下步驟：
[0010] 步驟一：用3/2坐標(biāo)變換將三相PWM逆變器系統(tǒng)解耦為兩個(gè)單相的二階子系統(tǒng)；
[0011] 步驟二：分別對(duì)兩個(gè)單相的二階子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)負(fù)載變換的情況下設(shè) 計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器（DO)來(lái)對(duì)匹配和不匹配擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，獲得擾動(dòng)的估計(jì)值；
[0012] 步驟三：在獲得擾動(dòng)估計(jì)值的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)二階滑?？刂疲⊿OSMC)和擾動(dòng)觀測(cè)器 (DO)來(lái)進(jìn)行復(fù)合控制；
[0013] 步驟四：對(duì)滑動(dòng)模態(tài)控制律進(jìn)行2/3坐標(biāo)變換，然后通過(guò)SPWM調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào) 控制逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。
[0014] 具體包括如下步驟：
[0015] (1)對(duì)三相PWM逆變器系統(tǒng)建模可得i =淪+ 5? ,其中X= (vab Vbc Vca iA iB ic) τ是狀態(tài)變量，Vab、vb。、vea、i A、iB、i。分別是三相PWM逆變器輸出端的三相電容電壓和三相電 感電流，i是X的導(dǎo)數(shù)，u是逆變器開(kāi)關(guān)管的控制輸入，A和B是與系統(tǒng)有關(guān)的矩陣，對(duì)模型 進(jìn)行3/2變換，將系統(tǒng)分解成α - β坐標(biāo)系下兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于二階滑模和擾動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器系統(tǒng)交流電壓諧波抑制方法，其 特征是包括如下步驟： 步驟一：用3/2坐標(biāo)變換將三相PWM逆變器系統(tǒng)解耦為兩個(gè)單相的二階子系統(tǒng)； 步驟二：分別對(duì)兩個(gè)單相的二階子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)負(fù)載變換的情況下設(shè)計(jì)擾 動(dòng)觀測(cè)器來(lái)對(duì)匹配和不匹配擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，獲得擾動(dòng)的估計(jì)值； 步驟三：在獲得擾動(dòng)估計(jì)值的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)二階滑?？刂破骱蛿_動(dòng)觀測(cè)器來(lái)進(jìn)行復(fù)合控 制； 步驟四：對(duì)滑動(dòng)模態(tài)控制律進(jìn)行2/3坐標(biāo)變換，然后通過(guò)SPWM調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)控制 逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器系統(tǒng) 交流電壓諧波抑制方法，其特征是步驟一包括以下步驟： 對(duì)三相PWM逆變器系統(tǒng)建模，對(duì)模型進(jìn)行3/2坐標(biāo)變換，將系統(tǒng)分解成α-β坐標(biāo)系下 兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)：
其中，以V、i和u。統(tǒng)一表示兩個(gè)子系統(tǒng)的電壓、電流和控制量，V = να或Ve，i = ia 或!^,Ue = Ua *ue,va、ia、ua、ve、i e、ue分別為變換到a軸上的電壓、電流、控制量和 變換到β軸上的電壓、電流和控制量，1)和/分別為的V和i導(dǎo)數(shù)，L和C是濾波電感和電 容，R是負(fù)載電阻，E是直流電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器系統(tǒng) 交流電壓諧波抑制方法，其特征是步驟二包括以下步驟： 當(dāng)負(fù)載R變化時(shí)，系統(tǒng)方程變換成如下形式：
其中X1和X2為重新構(gòu)造的狀態(tài)，f、b、k與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān),給定系統(tǒng)參數(shù)后可以確定，d 為負(fù)載擾動(dòng)項(xiàng)； 基于上述模型，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)觀測(cè)器：
其中^是對(duì)d的估計(jì)，z是對(duì)X1的估計(jì)，λ是要進(jìn)行設(shè)計(jì)的參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變器系統(tǒng) 交流電壓諧波抑制方法，其特征是步驟三包括以下步驟： 根據(jù)設(shè)計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)負(fù)載擾動(dòng)項(xiàng)d的估計(jì)值^，設(shè)計(jì)二階滑?？刂破鳎菏紫?，設(shè) 計(jì)?；媲袚Q函數(shù)s = C1X1 +χ2 ，C1為要設(shè)計(jì)的參數(shù)；然后設(shè)計(jì)滑動(dòng)模態(tài)控制律U s = Uusw，等效控制Ueq保證系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模面上，切換控制Usw保證系統(tǒng)的狀態(tài)不離開(kāi)滑模 面，最后的設(shè)計(jì)結(jié)果：
其中.和A分別為S和Usw的導(dǎo)數(shù)，選擇李雅普諾夫方程：F = #/，設(shè)計(jì)參數(shù)Cl、入、 S 11SW 1 rpAiiV 的導(dǎo)數(shù)f><0。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種基于二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變 器系統(tǒng)交流電壓諧波抑制方法，其特征是，所述的擾動(dòng)觀測(cè)器是線(xiàn)性的擾動(dòng)觀測(cè)器，可以觀 測(cè)正弦波擾動(dòng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種基于二階滑?？刂坪蛿_動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆變 器系統(tǒng)交流電壓諧波抑制方法，其特征是，所述的二階滑?？刂破魇遣捎寐菪亩A滑模 控制器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種基于二階滑模控制和擾動(dòng)觀測(cè)器的三相PWM逆 變器系統(tǒng)交流電壓諧波抑制方法，其特征在于：所述三相PWM逆變器是二電平三相PWM逆變 器，其采取的調(diào)制策略是SPWM。
【文檔編號(hào)】H02M7/48GK104393775SQ201410735635
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】李世華, 鄭雯, 王軍曉, 王佐, 李奇 申請(qǐng)人:東南大學(xué)