CN106505904A - 带非线性负载逆变器的t‑s模糊模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带非线性负载逆变器的T‑S模糊模型建模方法，包括以下步骤：步骤S1：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程；步骤S2：设定非线性负载的电流i_o∈[I_omin I_omax]，并得到i_o隶属度函数表达式： 步骤S3：建立i_o＝I_omin和i_o＝I_omax时非线性负载逆变器的T‑S模糊模型。本发明以整流性负载这一典型非线性负载为例，建立逆变器非线性负载下的T‑S模糊模型。本发明提出的逆变器T‑S模糊模型不仅适用于整流类非线性负载情景，而且适用于突变性负载情况，该模糊模型可以为逆变器的波形控制和谐波治理提供典型有效的参考模型。

Description

带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法

技术领域

本发明属于逆变器建模与控制技术领域，具体地说，涉及一种带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法。

背景技术

随着用电设备数量和种类的不断增多，特别是越来越多的电力电子设备的使用，非线性负载的比重迅速增加，而非线性负载是电力系统中各种谐波的主要来源。这些谐波对电网和其他用电设备会造成不同程度的影响和危害，必须设法给与抑制或消除。非线性负载的种类很多，有传统的设备如变压器、电弧炉等，也有现代使用越来越广泛的各种各样的电力电子装置。电力电子装置通常采用桥式整流电路，为设备本身提供直流工作电源。因此各种可控/不控整流电路成为目前最为广泛和典型的非线性负载。

对于UPS或光伏/风力发电等新能源系统逆变器而言，带上非线性负载，由于输出内阻不可能为零，那么非线性负载产生的谐波将在内阻上产生压降，从而导致输出电压波形发生畸变。会对逆变器上的其他设备造成影响、无法正常工作，严重时会导致其损坏。因此有必要研究非线性负载下逆变器的特性，并建立比较有效的数学模型，为进一步的波形控制提供参考。

发明内容

为了弥补避免现有用死区来等效整流性负载的不足，本发明提出一种带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，为进一步的波形控制提供参考。

本发明采用的技术方案是：一种带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程；

步骤S2：将非线性负载的输出电流i_o作为前件变量；

步骤S3：设定非线性负载的输出电流i_o∈[I_omin I_omax]，并得到i_o隶属度函数表达式：

其中I_omin，I_omax大于0；

步骤S4：建立非线性负载逆变器的T-S模糊模型。

进一步的，所述非线性负载逆变器包括由等效电阻R_a、电感L和电容C与输入电源构成的逆变回路以及并联于电容C两端的非线性负载，所述逆变回路中，输入电源的正极依次串联等效电阻R_a和电感L和电容C，电容C的负极端与输入电源的负极连接。

进一步的，在步骤S1中，得到所述非线性负载逆变器标准的状态方程表达式具体包括以下步骤：

步骤S10：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程：

其中，i_o＝f(t)u_o，f(t)表示非线性因子，其中V_a非线性负载逆变器的输入电源的输出电压，v_c为电容C的电压，i_L为电感L的电流，i_o和u_o为非线性负载的输出电流和输出电压；

步骤S11：将电感电流i_L和电容电压v_c作为状态变量，由于u_o＝v_c，得到非线性负载逆变器的状态方程为：

u_o＝v_c；

其中R_a为包括死区效应，功率开关管压降和线路压降在内的等效电阻；

步骤S12：根据步骤S11中的状态方程，得到标准的状态方程表达式：

进一步的，在步骤S4中，T-S模糊模型表示如下：

规则一：当i_o＝I_omin时，

规则二：当i_o＝I_omax时，

其中，u＝V_a,y＝u_o，

C₁＝C₂＝[0 1],D₁＝D₂＝0；并且f_m,f_M可以由输出电压电流关系式i_o＝f(t)u_o计算得到：f_m＝I_omin/u_o，f_M＝I_omax/u_o。

从上述可知，本发明的有益效果在于：由于i_o的变化即体现了负载的变化，而且i_o是可测也必须测量的，因为计算逆变器输出功率大小，过载保护和短路保护等都需要得到i_o的值,因此可以把i_o作为前件变量。对于一个具体的逆变器而言其输出电流允许的最大值、最小值已知，即i_o的论域可以事先确定，用T-S模糊模型的万有逼近能力对其进行模糊化处理，建立非线性负载逆变器的T-S模糊模型。

附图说明

图1为本发明带非线性负载逆变器的等效电路图。

图2为实施例中i_o的隶属度函数。

图3为单向半桥逆变器的电路拓扑图。

图4为本发明带非线性负载逆变器的负载输出电压电流仿真波形。

图5为本发明带非线性负载逆变器单周期波形图。

图6为本发明带非线性负载逆变器波形局部放大图。

图7为本发明带非线性负载逆变器在突加卸负载时逆变器输出电压电流仿真波形。

图8为本发明带非线性负载逆变器在突加卸负载时逆变器输出电压波形局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1-2所示，本实施例提供一种带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程；

步骤S2：将非线性负载的输出电流i_o作为前件变量；

步骤S3：设定非线性负载的输出电流i_o∈[I_omin I_omax]，并得到i_o隶属度函数表达式：

其中I_omin，I_omax大于0；

步骤S4：建立非线性负载逆变器的T-S模糊模型。

前件变量i_o的隶属度函数如图2所示。

在本实施例中，所述非线性负载逆变器包括由等效电阻R_a、电感L和电容C与输入电源构成的逆变回路以及并联于电容C两端的非线性负载，所述逆变回路中，输入电源的正极依次串联等效电阻R_a和电感L和电容C，电容C的负极端与输入电源的负极连接。

在本实施例中，在步骤S1中，得到所述非线性负载逆变器标准的状态方程表达式具体包括以下步骤：

步骤S10：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程：

其中，i_o＝f(t)u_o，f(t)表示非线性因子，其中V_a非线性负载逆变器的输入电源的输出电压，v_c为电容C的电压，i_L为电感L的电流，i_o和u_o为非线性负载的输出电流和输出电压；

步骤S11：将电感电流i_L和电容电压v_c作为状态变量，由于u_o＝u_c，得到非线性负载逆变器的状态方程为：

u_o＝v_c；

其中R_a为包括死区效应，功率开关管压降和线路压降在内的等效电阻；

步骤S12：根据步骤S11中的状态方程，得到标准的状态方程表达式：

在本实施例中，在步骤S4中，T-S模糊模型表示如下：

规则一：当i_o＝I_omin时，

规则二：当i_o＝I_omax时，

其中，u＝V_a,y＝u_o，

C₁＝C₂＝[0 1],D₁＝D₂＝0；

并且f_m,f_M可以由输出电压电流关系式i_o＝f(t)u_o计算得到：f_m＝I_omin/u_o，f_M＝I_omax/u_o。

本发明主要研究单相半桥逆变器和单相全桥逆变器，用来消除利用死区特性等效的整流性负载模型与实际物理模型间存在比较大的误差。为了验证本发明方法的可行性，以单相半桥逆变器为例，如图3所示，半桥逆变器拓扑包括直流电压Vd，二极管D1、D2，开关管T1、T2，输出滤波电容C，负载LOAD，电感L；在Matlab下进行仿真实验，仿真结果验证了本发明所设计建模方法的效果。

仿真参数选取如下：

图4-图5显示了输出电压电流仿真波形，单周期波形图，图6波形局部放大，图中i_o为负载的输出电流，u_o1为半桥逆变器负载的输出电压，u_o2为T-S模型中负载的输出电压，可以看到，本发明提出的逆变器T-S模糊模型能很好的拟合非线性负载下逆变器的特性。如图7-图8所示，采用本发明的建模方法之后，在突加负载和突卸负载前后T-S模糊模型输出电压u_o2与逆变器输出电压u_o1波形几乎重叠，说明所建立的逆变器T-S模糊模型也适用于线性突加卸负载的情况。

综上所述，本发明提供的带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，能对非线性模型进行有效的建模。

以上已较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程；

步骤S2：将非线性负载的输出电流i_o作为前件变量；

步骤S3：设定非线性负载的输出电流i_o∈[I_omin I_omax]，并得到i_o隶属度函数表达式：

其中I_omin，I_omax大于0；

步骤S4：建立非线性负载逆变器的T-S模糊模型。

2.根据权利要求1所述的带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，其特征在于，所述非线性负载逆变器包括由电阻等效R_a、电感L和电容C与输入电源构成的逆变回路以及并联于电容C两端的非线性负载，所述逆变回路中，输入电源的正极依次串联电阻等效R_a和电感L和电容C，电容C的负极端与输入电源的负极连接。

3.根据权利要求2所述的带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，其特征在于，在步骤S1中，得到所述非线性负载逆变器标准的状态方程表达式具体包括以下步骤：

步骤S10：根据基尔霍夫电压和电流定律，得到非线性负载逆变器标准的状态方程：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=-\frac{R_a}{L}{i}_L-\frac{1}{L}{v}_c+V_a;$

$\frac{{\mathrm{dv}}_c}{dt}=\frac{1}{C}{i}_L-\frac{1}{C}{i}_o;$

其中，i_o＝f(t)u_o，f(t)表示非线性因子，其中V_a为非线性负载逆变器的输入电源的输出电压，v_c为电容C的电压，i_L为电感L的电流，i_o和u_o为非线性负载的输出电流和输出电压；

步骤S11：将电感电流i_L和电容电压v_c作为状态变量，由于u_o＝v_c，得到非线性负载逆变器的状态方程为：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{dt}=-\frac{R_a}{L}{i}_L-\frac{1}{L}{v}_c+\frac{1}{L}{V}_a;$

$\frac{{\mathrm{dv}}_c}{dt}=\frac{1}{C}{i}_L-\frac{1}{C}f\left(t\right)v_c;$

u_o＝v_c；

其中R_a为包括死区效应，功率开关管压降和线路压降在内的等效电阻；

步骤S12：根据步骤S11中的状态方程，得到标准的状态方程表达式：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{i_L}\\ \stackrel{\·}{v_c}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_a}{L}& -\frac{1}{L}\\ \frac{1}{C}& -\frac{1}{C}f\left(t\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_L\\ v_c\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L}\\ 0\end{array}\right]V_a;$

$u_{o=\left[\begin{array}{cc}0& 1\end{array}\right]}\left[\begin{array}{c}{i}_L\\ v_c\end{array}\right].$

4.根据权利要求3所述的带非线性负载逆变器的T-S模糊模型建模方法，其特征在于，在步骤S4中，T-S模糊模型表达如下：

规则一：当i_o＝I_omin时，

规则二：当i_o＝I_omax时，

其中，u＝V_a,y＝u_o，

C₁＝C₂＝[0 1],D₁＝D₂＝0；

并且f_m,f_M可以由输出电压电流关系式i_o＝f(t)u_o计算得到：f_m＝I_omin/u_o，f_M＝I_omax/u_o。