CN104092393A - 一种z源逆变器直流链恒压控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Z源逆变器直流链恒压控制方法，该方法将Z源逆变器阻抗网络反馈线性化，并用滑膜变结构控制来确定反馈控制率，并且对直流链输出电压的峰值进行跟踪，从而使直流链输出电压的峰值恒定。与现有技术相比，本发明具有能够显著减少Z源逆变器由于外部输入电压的不稳定所导致的电容电压的超调和震荡、改善电能质量等优点。

Description

一种Z源逆变器直流链恒压控制方法及控制电路

技术领域

本发明涉及一种电能变换技术，尤其是涉及一种Z源逆变器直流链恒压控制方法及控制电路。

背景技术

由于能源的短缺、环境污染严重，清洁能源如风力发电、光伏发电以其节约能源、对环境无污染等优势越来越受到人们的青睐和关注。

由于部分清洁能源如光伏发电、风力发电等会由于自然环境条件的变化使输出电压波动范围很大，为了解决这一问题，需要在逆变器电路中加入一级DC-DC变换电路。这种结构会造成电路成本增加，转换效率下降等等问题。针对以上问题，彭方正教授提出了一种Z源逆变器。

Z源逆变器将DC-DC变换电路与DC-AC变换电路耦合在一起，克服了传统逆变器的限制，提高了能源转换效率和电路可靠性、降低电路成本、允许逆变器的同一桥臂上的上、下开关同时关断。上述优良特性使得Z源逆变器在清洁能源领域有着广泛的发展前景，但是Z源逆变器存在不稳定零点导致的电容电压的震荡和超调的缺点，这造成了直流链的输出电压峰值不恒定。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够显著减少Z源逆变器由于外部输入电压的不稳定所导致的电容电压超调和震荡的Z源逆变器直流链恒压控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种Z源逆变器直流链恒压控制方法，该方法将Z源逆变器阻抗网络反馈线性化，并用滑膜变结构控制来确定反馈控制率，并且对直流链输出电压的峰值进行跟踪，从而使直流链输出电压的峰值恒定，具体包括以下步骤：

101)用微分几何学对Z源阻抗网络进行反馈线性化，坐标变换之后得到新的线性状态空间模型和新的状态变量z₁，z₂，所述z₁为Z源阻抗网络电容电压的采样值与Z源阻抗网络电容电压的参考值的差，所述z₂为Z源阻抗网络电感电流的采样值与Z源直流链输出电流的采样值的差；

102)根据所述步骤101)中得到的先线性状态空间模型，求得控制率u为：

$u=[v-L_f^{2}h\left(x\right)]/\left[L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right]$

其中：和L_gL_fh(x)通过李导数求得，v为反馈控制率，控制率u为直通占空比瞬时值d*；

103)采样Z源阻抗网络的电容电压的瞬时值，再转换为直流链输出电压的峰值，再用直流链输出电压峰值的参考值与所述直流链输出电压的峰值相减，得到直流链输出电压峰值的偏差值，再通过PI控制器调节后得到直通占空比偏差值Δd；

104)将所述步骤102)中的直通占空比瞬时值d*，加上所述步骤103)中得到的直通占空比偏差值Δd，得到直通占空比d；

105)将所述直通占空比d输入至SVPWM中，从而控制SVPWM中的直通零矢量的导通时间。

所述步骤102)反馈线性化的过程中加入了滑膜变结构控制，所述反馈控制率v由滑膜变结构控制确定。

一种Z源逆变器直流链恒压控制电路，该控制电路包括Z源逆变器和SVPWM，所述控制电路还包括电容电压转换器、反馈线性化滑膜变结构控制子电路、PI控制器，所述Z源逆变器分别与电容电压转换器和反馈线性化滑膜变结构控制子电路的输入端连接，所述电容电压转换器的输出端与PI控制器的输入端连接，所述反馈线性化滑膜变结构控制子电路和PI控制器的输出端均与SVPWM的输入端连接；

所述电容电压转换器接收Z源逆变器的电容电压的采样值，转换为直流链输出电压的峰值，并得到直流链输出电压峰值的参考值与直流链输出电压的峰值的差值，所述PI控制器根据所述差值得到直通占空比偏差值Δd，所述反馈线性化滑膜变结构控制子电路接收Z源逆变器的电容电压的采样值、Z源阻抗网络电感电流的采样值和Z源直流链输出电流的采样值，处理后得到直通占空比瞬时值d*，所述直通占空比瞬时值d*和通占空比偏差值Δd相加后得到直通占空比，从而控制SVPWM中的直通零矢量的导通时间。

所述Z源逆变器包括Z源阻抗网络、二极管D、直流电源U₀、三相逆变桥和滤波电路，所述Z源阻抗网络包括电感L₁，电容C₁，电容C₂和电感L₂，所述二极管D的正极与直流电源U₀的正极输出端连接，所述二极管D分别与电感L₁的一端和电容C₁的一端连接，所述电感L₁的另一端分别与电容C₂的一端和三相逆变桥的正极输入端连接，所述电容C₁的另一端分别与三相逆变桥的负极输入端和电感L₂的一端连接，所述电容C₂的另一端分别与直流电源U₀的负极输出端和电感L₂的另一端连接，所述三相逆变桥的输出端与滤波电路的输入端连接。

所述电容电压转换器和反馈线性化滑膜变结构控制子电路的输入端分别与C₁两端连接，所述反馈线性化滑膜变结构控制子电路的输入端还与三相逆变桥的正极输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)能够显著减少Z源逆变器由于外部输入电压的不稳定所导致的电容电压的超调和震荡。

2)在外部条件发生变化时，可以迅速的跟踪直流链输出电压，从而保证直流链输出电压的峰值恒定，同时减少了由于外部扰动所造成的超调和震荡。

3)改善了Z源逆变器的电能质量。

附图说明

图1为Z源逆变器的拓扑结构；

图2为Z源逆变器基于反馈线性化模糊变结构控制系统框图；

图3为Z源逆变器直流链恒压控制框图；

图4(a)为传统PI控制的Z源阻抗网络的电容电压波形图；

图4(b)为加入本发明控制方法的Z源阻抗网络的电容电压波形图；

图5(a)为传统PI控制的Z源阻抗网络的直流链输出电压波形图；

图5(b)为加入本发明控制方法的Z源阻抗网络的直流链输出电压波形图；

其中：1、Z源逆变器；2、电容电压转换器；3、反馈线性化滑膜变结构控制子电路；4、PI控制器；5、SVPWM；11、Z源阻抗网络；12、三相逆变桥；13、滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种Z源逆变器直流链恒压控制方法，该方法将Z源逆变器阻抗网络反馈线性化，并用滑膜变结构控制来确定反馈控制率，并且对直流链输出电压的峰值进行跟踪，从而使直流链输出电压的峰值恒定，具体包括以下步骤：

101)用微分几何学对Z源阻抗网络进行反馈线性化，坐标变换之后得到新的线性状态空间模型和新的状态变量z₁，z₂，z₁为Z源阻抗网络电容电压的采样值与Z源阻抗网络电容电压的参考值的差，z₂为Z源阻抗网络电感电流的采样值与Z源直流链输出电流的采样值的差；

102)根据步骤101)中得到的先线性状态空间模型，求得控制率u为：

$u=[v-L_f^{2}h\left(x\right)]/\left[L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right]$

其中：和L_gL_fh(x)通过李导数求得，v为反馈控制率，控制率u为直通占空比瞬时值d*；

103)采样Z源阻抗网络的电容电压的瞬时值，再转换为直流链输出电压的峰值，再用直流链输出电压峰值的参考值与直流链输出电压的峰值相减，得到直流链输出电压峰值的偏差值，再通过PI控制器调节后得到直通占空比偏差值Δd；

104)将步骤102)中的直通占空比瞬时值d*，加上步骤103)中得到的直通占空比偏差值Δd，得到直通占空比d；

105)将直通占空比d输入至SVPWM中，从而控制SVPWM中的直通零矢量的导通时间。

步骤102)反馈线性化的过程中加入了滑膜变结构控制，反馈控制率v由滑膜变结构控制确定。

一种Z源逆变器直流链恒压控制电路，如图1所示，该控制电路包括Z源逆变器1和SVPWM5，控制电路还包括电容电压转换器2、反馈线性化滑膜变结构控制子电路3、PI控制器4，Z源逆变器1分别与电容电压转换器2和反馈线性化滑膜变结构控制子电路3的输入端连接，电容电压转换器2的输出端与PI控制器4的输入端连接，反馈线性化滑膜变结构控制子电路3和PI控制器4的输出端均与SVPWM5的输入端连接；

电容电压转换器2接收Z源逆变器1的电容电压的采样值，转换为直流链输出电压的峰值，并得到直流链输出电压峰值的参考值与直流链输出电压的峰值的差值，PI控制器4根据差值得到直通占空比偏差值Δd，反馈线性化滑膜变结构控制子电路3接收Z源逆变器1的电容电压的采样值、Z源阻抗网络电感电流的采样值和Z源直流链输出电流的采样值，处理后得到直通占空比瞬时值d*，直通占空比瞬时值d*和通占空比偏差值Δd相加后得到直通占空比，从而控制SVPWM中的直通零矢量的导通时间。

Z源逆变器1包括Z源阻抗网络11、二极管D、直流电源U₀、三相逆变桥12和滤波电路13，Z源阻抗网络11包括电感L₁，电容C₁，电容C₂和电感L₂，二极管D的正极与直流电源U₀的正极输出端连接，二极管D分别与电感L₁的一端和电容C₁的一端连接，电感L₁的另一端分别与电容C₂的一端和三相逆变桥12的正极输入端连接，电容C₁的另一端分别与三相逆变桥12的负极输入端和电感L₂的一端连接，电容C₂的另一端分别与直流电源U₀的负极输出端和电感L₂的另一端连接，三相逆变桥12的输出端与滤波电路13的输入端连接。

电容电压转换器2和反馈线性化滑膜变结构控制子电路3的输入端分别与C₁两端连接，反馈线性化滑膜变结构控制子电路3的输入端还与三相逆变桥12的正极输入端连接。

Z源逆变器1的拓扑结构如图2所示，为了方便分析，取C₁＝C₂＝C，L₁＝L₂＝L则Z源的阻抗网络变成了对称网络。将Z源阻抗网络的电感电流iL和电容电压U_c作为状态变量。设(i_L，U_c)^T＝(x₁，x₂)^T。下面对Z源逆变器的阻抗网络进行状态空间平均建模。下面对Z源逆变器的阻抗网络进行状态空间平均建模：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=(-\frac{1}{L}{x}_2+\frac{U_0}{L})+(\frac{2x_2}{L}-\frac{U_0}{L})\×d\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=\frac{x_1{i}_{\mathrm{out}}}{C}+\frac{i_{\mathrm{out}}-2x_1}{C}\×d\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：U₀是直流输入电压，i_out是直流链输出电流，d为直通占空比。

式(1)是一个单输入单输出非线性系统，对其建立非线性仿射模型：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)\·u\\ y=h\left(x\right)=x_2-U_{\mathrm{ref}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：u为控制率，0≤u＜1；U_ref为电容参考电压，f(x)和g(x)分别为，h(x)如下文式(3)中所述：

$f\left(x\right)={\left(\frac{-x_2+U_0}{L}\frac{x_1-i_{\mathrm{out}}}{C}\right)}^{T}g\left(x\right)={\left(\frac{2x_2-U_0}{L}\frac{-2x_1+i_{\mathrm{out}}}{C}\right)}^T$

如图3所示为Z源逆变器1基于反馈线性化滑膜变结构控制系统框图。首先，系统是否能精确线性化需要检验系统是否满足能控性与对合条件。经检验，式(2)满足能空性与对合条件，故可以精确线性化。该非线性系统可以通过坐标转换得：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1=h\left(x\right)=x_2-U_{\mathrm{ref}}\\ z_2=L_{f}h\left(x\right)=\frac{x_1-i_{\mathrm{out}}}{C}\end{array}\right.---\left(3\right)$

则经过坐标变换后，原非线性系统可以转换成布鲁若夫斯基标准型：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1=z_2\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=v\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据式(4)可取新的反馈率为：

$u=\frac{-L_f^{2}h\left(x\right)+v}{L_g{L}_{f}h\left(x\right)}=\frac{x_2-U_o}{2x_2-U_o}+\frac{\mathrm{LCv}}{2x_2-U_o}---\left(5\right)$

其中：v为反馈控制率，和L_gL_fh(x)均为李倒数，具体分别为：

$L_f^{2}h\left(x\right)=\frac{\∂L_{f}h\left(x\right)}{\∂x}f\left(x\right)=\frac{-x_2+U_o}{\mathrm{LC}},L_g{L}_{f}h\left(x\right)=\frac{{\∂L}_{f}h\left(x\right)}{\∂x}g\left(x\right)=\frac{2x_2-U_0}{\mathrm{LC}}$

由于：

$d=\frac{U_C-U_o}{2U_C-U_o}$

可以将式(5)化简为：

u＝d+kv        (6)

其中：

$k=\frac{\mathrm{LC}}{2U_C-U_o}<<1$

从式(6)中可以发现，控制率u在原来直通占空比d的基础上加了一个很小的变化量kv来跟踪U_c，使得U_c的波动减小。由于k的值很小，所以v占了很大的比重，选择合适的v对U_c减小波动的影响很大。考虑到光伏发电等新能源作为Z源的输入电压会导致电压很不稳定，而且电容电压本身的波动也比较大。滑膜变结构控制具有抗干扰能力强，鲁棒性好等特点，所以很适合作为v。经过反馈线性化之后，可以对转换后的线性系统进行控制从而实现非线性控制。

从式(3)可以看出z₁，z₂是Z源阻抗网络电容电压和电感电流的偏差量。设(e₁，e₂)^T＝(z₁，z₂)^T，取线性切换函数为：s(E)＝c₁e₁+e₂。

令且与式(4)联立，可以得到滑动模态运动方程：

${\stackrel{\&CenterDot;}{e}}_2=-c_1{e}_2---\left(7\right)$

因此，只要系数c₁＞0，就可以保证滑动模态在原点(0，0)上是渐进稳定的。采用指数趋近率对V进行设计可以保证变结构的鲁棒性还能减小抖振现象。

令：

$\stackrel{\&CenterDot;}{s\left(E\right)}=-\mathrm{asgns}-\mathrm{bs},a>0,b>0---\left(8\right)$

由式(7)和式(8)可以得到：

$v=-c_1\frac{x_1-i_{\mathrm{out}}}{C}-\mathrm{asgns}-\mathrm{bs}---\left(9\right)$

由式(5)和式(9)可以得到最终控制率：

$u=\frac{-c_{1}L{x}_1+x_2-\mathrm{asgns}-\mathrm{bs}+c_{1}L{i}_{\mathrm{out}}-U_o}{2x_2-U_o}---\left(10\right)$

如图1为Z源逆变器直流链恒压控制框图。由直流侧输出电压的峰值参考值U_dref与通过测量电容电压得到的直流侧输出电压峰值的实际值U_d相减，可以得到直流输出电压峰值的偏移量。再通过PI控制器得到直通占空比占空比的偏移量Δd，与反馈线性化滑膜变结构得到的直通占空比d*相加，得到新的直通占空比d。这样U_d一直会跟踪U_dref，使直流侧输出电压保持不变。

以下为具体实施例：

为了验证上述理论分析的正确性，用Maltab/Simulink对该控制器进行了仿真研究。仿真选取电路参数为：C₁＝C₂＝200uF，L₁＝-L₂＝1mH，直流输入电压U₀＝150V，直流侧输出电压峰值的参考值U_dref＝528V，直通占空比d＝0.358，逆变电路调制因子M＝0.568。在系统运行到1s时，直流输入电压突然从150V上升到250V。

具体实施效果：

图4(a)为传统PI控制的Z源阻抗网络的电容电压波形图，图4(b)为加入本发明控制方法的Z源阻抗网络的电容电压波形图。比较图4(a)和图4(b)可以发现，本发明控制方法显著减少了Z源逆变器由于外部输入电压的不稳定所导致的电容电压的超调和震荡。

图5(a)为传统PI控制的Z源阻抗网络的直流链输出电压波形图，图5(b)为加入本发明控制方法的Z源阻抗网络的直流链输出电压波形图。比较图5(a)和图5(b)可以发现，本发明控制方法在外部条件发生变化时，可以迅速的跟踪直流链输出电压，从而保证直流链输出电压的峰值恒定，同时减少了由于外部扰动所造成的超调和震荡。

Claims (5)

1.一种Z源逆变器直流链恒压控制方法，其特征在于，该方法将Z源逆变器阻抗网络反馈线性化，并用滑膜变结构控制来确定反馈控制率，并且对直流链输出电压的峰值进行跟踪，从而使直流链输出电压的峰值恒定，具体包括以下步骤：

101)用微分几何学对Z源阻抗网络进行反馈线性化，坐标变换之后得到新的线性状态空间模型和新的状态变量z₁，z₂，所述z₁为Z源阻抗网络电容电压的采样值与Z源阻抗网络电容电压的参考值的差，所述z₂为Z源阻抗网络电感电流的采样值与Z源直流链输出电流的采样值的差；

102)根据所述步骤101)中得到的先线性状态空间模型，求得控制率u为：

$u=[v-L_f^{2}h\left(x\right)]/\left[L_g{L}_{f}h\left(x\right)\right]$

其中：和L_gL_fh(x)通过李导数求得，v为反馈控制率，控制率u为直通占空比瞬时值d*；

103)采样Z源阻抗网络的电容电压的瞬时值，再转换为直流链输出电压的峰值，再用直流链输出电压峰值的参考值与所述直流链输出电压的峰值相减，得到直流链输出电压峰值的偏差值，再通过PI控制器调节后得到直通占空比偏差值Δd；

104)将所述步骤102)中的直通占空比瞬时值d*，加上所述步骤103)中得到的直通占空比偏差值Δd，得到直通占空比d；

105)将所述直通占空比d输入至SVPWM中，从而控制SVPWM中的直通零矢量的导通时间。

2.根据权利要求1所述的一种Z源逆变器直流链恒压控制方法，其特征在于，所述步骤102)反馈线性化的过程中加入了滑膜变结构控制，所述反馈控制率v由滑膜变结构控制确定。

3.一种实现如权利要求1所述的Z源逆变器直流链恒压控制方法的控制电路，该控制电路包括Z源逆变器(1)和SVPWM(5)，其特征在于，所述控制电路还包括电容电压转换器(2)、反馈线性化滑膜变结构控制子电路(3)、PI控制器(4)，所述Z源逆变器(1)分别与电容电压转换器(2)和反馈线性化滑膜变结构控制子电路(3)的输入端连接，所述电容电压转换器(2)的输出端与PI控制器(4)的输入端连接，所述反馈线性化滑膜变结构控制子电路(3)和PI控制器(4)的输出端均与SVPWM(5)的输入端连接；

所述电容电压转换器(2)接收Z源逆变器(1)的电容电压的采样值，转换为直流链输出电压的峰值，并得到直流链输出电压峰值的参考值与直流链输出电压的峰值的差值，所述PI控制器(4)根据所述差值得到直通占空比偏差值Δd，所述反馈线性化滑膜变结构控制子电路(3)接收Z源逆变器(1)的电容电压的采样值、Z源阻抗网络电感电流的采样值和Z源直流链输出电流的采样值，处理后得到直通占空比瞬时值d*，所述直通占空比瞬时值d*和通占空比偏差值Δd相加后得到直通占空比，从而控制SVPWM中的直通零矢量的导通时间。

4.根据权利要求3所述的一种Z源逆变器直流链恒压控制电路，其特征在于，所述Z源逆变器(1)包括Z源阻抗网络(11)、二极管D、直流电源U₀、三相逆变桥(12)和滤波电路(13)，所述Z源阻抗网络(11)包括电感L₁，电容C₁，电容C₂和电感L₂，所述二极管D的正极与直流电源U₀的正极输出端连接，所述二极管D分别与电感L₁的一端和电容C₁的一端连接，所述电感L₁的另一端分别与电容C₂的一端和三相逆变桥(12)的正极输入端连接，所述电容C₁的另一端分别与三相逆变桥(12)的负极输入端和电感L₂的一端连接，所述电容C₂的另一端分别与直流电源U₀的负极输出端和电感L₂的另一端连接，所述三相逆变桥(12)的输出端与滤波电路(13)的输入端连接。

5.根据权利要求3所述的一种Z源逆变器直流链恒压控制电路，其特征在于，所述电容电压转换器(2)和反馈线性化滑膜变结构控制子电路(3)的输入端分别与C₁两端连接，所述反馈线性化滑膜变结构控制子电路(3)的输入端还与三相逆变桥(12)的正极输入端连接。