CN104158426A - Z源并网逆变器基于能量的控制算法 - Google Patents

Z源并网逆变器基于能量的控制算法 Download PDF

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宋蕙慧
曲延滨
杨前
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Abstract

一种针对Z源并网逆变器的非线性控制算法研究。本发明基于能量的观点，依据Z源并网逆变器的数学模型，推导得到了Z源并网逆变器的端口受控哈密顿（PCH）模型。在Z源并网逆变器PCH模型的基础上，建立Z源并网逆变器运行时的能量匹配方程，从匹配方程的求解过程中，得到Z源并网逆变器的能量成型控制器。在控制效果方面，与现有的PI控制方法比较，所述的能量成型控制器具有鲁棒性强、稳态输出波动小、参数调整简便的优势。

Description

Z源并网逆变器基于能量的控制算法
技术领域
本发明属Z源逆变器的控制技术领域，具体涉及一种针对Z源并网逆变器的非线性控制算法，以基于能量的观点，实现Z源并网逆变器有效升压逆变的算法。
背景技术
Z源逆变器具有独特的电容电感储能环节，电容电感中储存的能量对Z源逆变器的控制具有重要作用。传统控制Z源逆变器的方法都是基于PI的控制方法，即是基于传递函数和误差的控制。这种控制实际是应用信号处理的观点，PI控制器为信号滤波器，通过PI控制器，减小误差信号同时降低扰动信号对系统的动态影响。PI控制是一种线性控制方法，通过建立系统的传递函数，求取控制器方程以取得很好的控制效果，但是应用此种控制方法于非线性的多输入输出系统，会难于建立系统整体的传递函数，计算量大，控制效果也往往差强人意。
为改进PI控制方法的控制效果，文献（丁新平, 钱照明, 崔彬, 彭方正. 基于模糊PID的Z源逆变器直流链升压电路控制[J]. 中国电机工程学报. 2008, 28(24):31-38.）采用了智能控制的方法，通过设计模糊PID控制器不需要计算系统的精确的数学模型就可以实现良好的非线性控制；文献（Rajaei A.H, Kaboli S, Emadi A. Sliding-mode control of z-source inverter[C]. Industrial Electronics, 2008. IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE. 2008:947-952.）通过对Z源逆变器进行工作原理的分析确定了逆变过程中具有变结构的特性，对于变结构系统采用滑模控制的方法，从而使系统的稳定性和鲁棒性有所提高。文献（Rastegar Fatemi, M.J, Mirzakuchaki S, Rastegar Fatemi, S.M.J. Wide-range control of output voltage in Z-source inverter by neural network[C]. Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference. 2008:1653-1658.）采用神经网络控制，进一步提高了Z源逆变器输出电压的变化范围。
但是目前Z源逆变器的控制过程中出现的稳态波动大、暂态过程长、鲁棒性差、参数调整困难等问题仍制约着Z源逆变器的实际应用。针对上述问题，本发明提出采用能量成型的控制算法对Z源并网逆变器进行控制的思路。在充分分析Z源并网逆变器运行时能量流动过程后，建立Z源并网逆变器的端口受控哈密顿（PCH）模型，并在PCH模型的基础上，建立Z源并网逆变器运行时的能量匹配方程，从匹配方程的求解过程中，得到Z源并网逆变器的能量成型控制器。所述的能量成型控制器具有鲁棒性强、快速性好、参数调整简便的优势。
发明内容
本发明的目的是针对Z源并网逆变器通过Z源网络中电容电感间的能量交互过程实现升压逆变的本质特点，经过分析能量在所述Z源并网逆变器系统中的流动过程，将Z源网络和三相桥式逆变器看作两个多端口的能量变换装置，根据所述的Z源并网逆变器期望达到的稳定状态来确定需要从外界经端口注入到系统内部的控制能量，此过程为能量成型过程。控制算法核心是通过确定控制能量的多少来决定Z源并网逆变器的直通时间和通断开关函数。控制算法设计过程物理意义清晰，控制性能方面具有对输入信号的鲁棒性和快速响应性。
本算法发明通过以下技术方案实现：首先分析Z源网络的工作状态，结合三相桥式并网逆变器的数学模型，建立Z源并网逆变器的完整数学模型；由于Z源网络存在直通状态和非直通状态，故通过状态平均理论建立Z源并网逆变器的状态平均数学模型，基于所述状态平均数学模型，构造端口受控哈密顿（PCH）模型，其中包括模型的输入输出端口变量设计，端口受控哈密顿模型的内部能量转换结构矩阵、内部阻尼结构矩阵、内外部能量交互结构矩阵的构造，得到所述的Z源并网逆变器的PCH模型；根据逆变器并网的有功功率和无功功率期望值和PCH模型设定Z源并网逆变器各状态变量的期望平衡点；由所述的Z源并网逆变器在平衡点处所具有的期望能量值与当前所具有的能量偏差确定所需的控制能量，建立能量匹配方程，求解控制变量，即Z源并网逆变器的直通时间和通断开关函数的表达式，得到基于能量的控制器。
本发明具有以下有益效果：1、基于能量的Z源并网逆变器的控制算法可替换PI控制方法中的多个PI控制器，特别对于内环外环嵌套式的PI控制，避免了PI参数整定的复杂调节过程。2、算法属多输入多输出的多变量同时反馈的非线性控制，可避免传统单变量反馈线性控制只关注某一或某几个变量的动态特性，更便于确保Z源并网逆变器整体的控制可靠性。3、基于能量的Z源并网逆变器的控制算法响应快、鲁棒性好，能很好地实现Z源并网逆变器的控制目标。
附图说明
图1为Z源并网逆变器的PI控制框图。
图2为Z源并网逆变器基于能量的控制算法框图。图2中A为Z源网络，B为并网逆变器，C为模拟电网，D为电压测量，E为电流测量，F为直通时间的计算器，即h 1 =T s /2-D 0 *T s ，h 2 =D 0 *T s 。
图3为Z源并网逆变器的PCH模型。
图4为Z源并网逆变器的能量成型控制器。
图5为Z源并网逆变器的输出功率的PI控制效果同基于能量的控制效果比较。图5(501)为经PI控制方法得到的Z源并网逆变器的输出功率，图5(502)为经基于能量的控制方法得到的Z源并网逆变器的输出功率。
具体实施方式
为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。
图1为Z源并网逆变器采用PI控制方法的控制框图，此时所述的Z源并网逆变器需要4个PI控制器形成2个双闭环来控制整个系统，Z型网络处采用电感电流电容电压双闭环控制，并网侧采用基于并网电流闭环的控制。PI参数调整过程费时费力，且在系统参数变化时控制性能会变差。图2为Z源并网逆变器采用基于能量的控制算法，能量成型控制器可以替代所有的PI控制模块，实现对整个系统的控制，而且能量成型控制器的参数是通过计算得到的，省去了整定PI控制参数的反复试凑的过程。本发明中的Z源并网逆变器的PCH模型如图3所示，其中P=d/dt，Z源并网逆变器电容C 1=C 2=C，电感L 1=L 2=L，Sd、Sq为Z源并网逆变器三相桥开关控制信号的dq坐标系分量，D 0 为直通时间占空比，ω为电网频率，取工频50Hz，E为直流输入电压，i d 、i q 为并网电流的dq坐标系分量。Z源并网逆变器的PCH模型是在Z型网络模型和并网逆变器模型的基础上通过坐标变换得到，通过联立状态方程，形成了Z源并网逆变器整个系统的完整数学模型。本发明中能量成型控制器内部为图4所示的计算公式，其中控制器参数D 0 、Sd、Sq为控制器的输出量。Z源并网逆变器采用PI控制的效果同采用基于能量控制的效果对比图如图5所示。对功率实现控制，设置两种控制算法的初始并网有功功率为10kW，无功功率为0kW，在0.3s时有功功率发生变化，要求变至8kW，无功功率不变。图5(501)为经PI控制方法得到的Z源并网逆变器的输出功率，图5(502)为经基于能量的控制方法得到的Z源并网逆变器的输出功率。可见，在采用PI控制方法时存在Z源并网逆变器的输出功率波动较大的不足，而采用基于能量的控制方法Z源并网逆变器的输出功率则可以较快的达到稳态，且稳态波动较小。此外，采用PI控制方法时还需整定PI参数，而基于能量的控制方法的控制量可直接经能量成型控制器计算得出。

Claims (3)

1.一种针对Z源并网逆变器的非线性控制算法，其特征在于，在分析Z源并网逆变器运行时的能量流动过程后，建立Z源并网逆变器的端口受控哈密顿（PCH）模型，并在PCH模型的基础上，建立Z源并网逆变器运行时的能量匹配方程，从匹配方程的求解中，得到Z源并网逆变器的能量成型控制器。
2.根据权利要求1所述的针对Z源并网逆变器基于能量的控制算法，其特征在于，所建立的Z源并网逆变器的端口受控哈密顿模型，包括模型的输入输出端口变量设计，端口受控哈密顿模型的内部能量转换结构矩阵、内部阻尼结构矩阵、内外部能量交互结构矩阵的构造。
3.根据权利要求1所述的针对Z源并网逆变器基于能量的控制算法，其特征在于，算法属多输入多输出的多变量同时反馈的非线性控制，能量成型控制器的输出为Z源并网逆变器的直通时间和通断开关函数。
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