CN108551271A - 基于自抗扰控制的ups三相pwm电压源逆变器及控制方法 - Google Patents

基于自抗扰控制的ups三相pwm电压源逆变器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及UPS电压源逆变器技术，具体涉及基于自抗扰控制的UPS三相PWM电压源逆变器，包括自抗扰控制器ADRC和UPS三相PWM电压源逆变器，UPS三相PWM电压源逆变器为自抗扰控制器ADRC的受控对象；自抗扰控制器ADRC包括跟踪微分控制器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制器NLSEF；跟踪微分控制器TD的输入端接输入信号，输出端连接非线性状态误差反馈控制器NLSEF输入端和扩张状态观测器ESO输出端，扩张状态观测器ESO输入端连接UPS三相PWM电压源逆变器输入端，非线性状态误差反馈控制器NLSEF输出端连接扩张状态观测器ESO输出端。该自抗扰控制的UPS三相PWM电压源逆变器，具有良好的稳定性和较强的抗扰动能力。

Description

基于自抗扰控制的UPS三相PWM电压源逆变器及控制方法
技术领域
本发明属于UPS电压源逆变器技术领域，尤其涉及基于自抗扰控制的UPS三相PWM电压源逆变器及控制方法。
背景技术
近年来，各行业、各领域的快速发展对供电质量提出了越来越高的要求，尤其是实时性很强的重要系统、重要部门和重要的用电设备对供电质量的要求和我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。
不间断电源(UPS)作为一种稳压稳频纯净化的绿色电源越来越成为人们关注的焦点，它被广泛地应用在保护敏感负载，如：PC机，服务器，医疗设备，通讯系统的电源故障或者电源的干扰，为这些重要负载提供了高质量高可靠性的纯净电源。由于电压源逆变器由于具有结构简单、控制灵活、适应性强等特点，它在UPS电源等越来越多领域得到广泛应用；并作为UPS的核心，能把直流电转换成用户所需的稳压稳频的交流电。
这样看来，UPS电压源逆变器在使用中除了对最重要的系统响应速度需要重视以外，还应关注逆变器的谐波畸变率和稳定性。由此，就需要选择良好的系统控制方法。
为了研究上述问题，国内外对电压源逆变器的控制方式上，历经了从简单的开环控制到闭环控制，从古典控制到现代控制，从线性控制到非线性控制，以及近几年研究的人工智能控制，这些控制都追求更好的控制性能，以达到更好的控制效果。但是这些控制方式下的逆变器输出质量仍有较大的提升空间，因此对于电压源逆变器控制方式的研究仍有很大的价值。
就目前的控制方式来说，最典型的有比例-积分(PI)控制器：它使得直流信号能够跟随，但是对于指定的交流信号，交流量会在串联支路或者并联支路的储能元件L与C间进行能量交换，控制器的输出跟指定信号之间存在幅值与相位的偏差；比例-谐振(PR)控制器：它只需要较少的派克变换，实现简单，计算量和复杂性较小。但由于单一的PR控制器不能阻止所有的谐波，它可能无法使逆变器产生高质量的电压。
这些方法都是采取把逆变器局部线性化的方式，再对线性化的模型进行控制，但其实逆变器的模型是具有非线性特征的。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种改进了系统的反馈控制和扰动估计补偿，使系统拥有很强的鲁棒性和通用性，抗扰动能力强的UPS三相PWM电压源逆变器。
本发明的第二个目的是提供一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法。
在非线性控制中，自抗扰控制技术(active disturbance rejection control，ADRC)受到越来越多的关注。其具有不依赖被控对象的数学模型的特点，并且对被控对象的参数、结构变化以及内外的干扰具有比较好的抑制能力，而且算法简单，易于实现，对于解决电压源逆变器实际控制中存在的各种问题有很大的研究价值。自抗扰控制器包括三个部分，由跟踪微分器(tracking differentiator,TD)、扩张状态观测器(extended stateobserver,ESO)非线性状态误差反馈控制律(nonlinear state error feedback，NLSEF)3部分组成，其中扩张状态观测器ESO可以估计系统的状态，补偿各种扰动，使得系统的抗扰动能力大大增强，是自抗扰控制器的核心。
为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器，包括自抗扰控制器ADRC和UPS三相PWM电压源逆变器，UPS三相PWM电压源逆变器为自抗扰控制器ADRC的受控对象；自抗扰控制器ADRC包括跟踪微分控制器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制器NLSEF；跟踪微分控制器TD的输入端接输入信号，输出端连接非线性状态误差反馈控制器NLSEF输入端和扩张状态观测器ESO输出端，扩张状态观测器ESO输入端连接UPS三相PWM电压源逆变器输入端，非线性状态误差反馈控制器NLSEF输出端连接扩张状态观测器ESO输出端。
在上述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器中，UPS三相PWM电压源逆变器的逆变部分为三相桥式逆变电路，采用180度导电方式，同一列上下两桥臂同相，且每一相的导通角度相互差120度；任意一个时刻，6个桥臂中均有3个桥臂同时导通；
负载相电压UaN、UbN、UcN为：
逆变电路与PWM技术相结合形成三相桥式PWM逆变电路；
调制使用双极性方法，A、B、C三相各自产生本相的PWM调制波，载波UC共用同一个波。
为实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，包括以下步骤：
步骤1、选择任意一相，将指定电压Uref(t)输入自抗扰控制器ADRC的In1端，该相反馈的电压U(t)输入In2端，通过自抗扰控制器ADRC实现反馈信号跟随指定信号；
步骤2、再将输出信号与指定电压进行比较，将比较结果输入PWM Generator模块进行调制产生PWM波；
步骤3、最后输入三相桥控制端口，对各桥臂进行控制。
在上述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法中，控制方法的具体实现包括以下步骤：
(1)、跟踪微分控制器TD通过将系统输入信号分解成三个状态的微分信号，与反馈量对应的微分信号比较，得到比较量；
(2)扩张状态观测器ESO根据输入输出量，对系统的各阶状态进行估计，并模拟出内外扰动，再通过非线性状态误差反馈控制器NLSEF给扰动加以实时动态反馈补偿，使系统线性化为积分器串联结构；
(3)非线性状态误差反馈控制器NLSEF用于对补偿量的差值部分进行抑制，并且对各阶信号的比较量进行非线性组合。
在上述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法中，跟踪微分控制器TD的状态方程为：
式中：v0是跟踪微分控制器TD的输入信号，即给定电压信号Uref(t)；v1是该输入信号的过渡信号；v2是v1的微分信号；v3是v2的微分信号；u为扩张状态观测器的输入；r称为速度因子。
在上述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法中，扩张状态观测器ESO的状态方程是：
式中：z1，z2，z3为跟踪对象状态变量，z4为系统估计出的扰动；β1、β2、β3、β4为大于0的待确定的观测器参数；b0是对控制量增益b的估算值；e为扩张状态观测器ESO的输出与跟踪微分控制器TD参考值输出的误差；fal函数为一合适的非线性函数；d＝rh，其中r为速度因子、h为滤波因子，两者为可调参数。
在上述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法中，非线性状态误差反馈控制器NLSEF的状态方程为：
式中：u0为非线性状态误差反馈控制器NLSEF的传递函数；e1为过渡过程和状态变量的差值，e2、e3为对应微分和状态变量的差值；α为函数fal的一个可调参数。
本发明的有益效果是：本发明采用的自抗扰控制器是一种新型的非线性控制器，与传统控制器相比，它融合了现代控制理论的成就，通过建立扩张状态观测器对系统内、外部扰动进行实时估计和补偿，从而避免了积分作用的缺陷，算法简单，易于实现，并从根本上提高了系统的抗扰动能力。
在扰动环境下，自抗扰控制保持UPS逆变器输出电压稳定。对比传统控制方式PI控制、PR控制，自抗扰控制下逆变器输出电压几乎无变化，受扰动信号的影响非常小，保持了稳定与线性的输出波形。自抗扰控制的UPS三相PWM电压源逆变器，具有良好的稳定性和较强的抗扰动能力。
附图说明
图1是本发明一个实施例三相桥式PWM逆变电路原理图；
图2是本发明一个实施例三阶自抗扰控制器系统框图；
图3是本发明一个实施例自抗扰控制器simulink仿真模型；
图4是本发明一个实施例自抗扰控制的UPS三相PWM电压源逆变器simulink仿真模型；
图5是本发明一个实施例干扰环境下扰动信号；
图6是本发明一个实施例干扰环境下自抗扰控制的UPS逆变器输出电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器，主要包括自抗扰控制器和UPS三相PWM电压源逆变器。其中，自抗扰控制器由跟踪微分控制器Tracking Differentiator，TD、扩张状态观测器Extended StateObserver，ESO、非线性状态误差反馈控制率Nonlinear State Error Feedback，NLSEF三个部分组成。其中，UPS三相PWM电压源逆变器为自抗扰控制器的受控对象。跟踪微分器TD通过将系统输入信号分解成三个状态的广义上的微分信号，与反馈量的对应的微分信号比较，来得到比较合理的比较量，能较好的解决古典系统无法解决的响应速度与超调量之间的矛盾问题；扩张状态观测器ESO作为自抗扰控制器的核心部分，直接根据输入输出量，对系统的各阶状态进行估计，并能模拟出内外扰动，再通过NLSEF给扰动加以实时动态反馈补偿，使系统线性化为积分器串联型结构，简化控制对象，便于提高控制性能；NLSEF用于对补偿量的差值部分进行抑制，并且对各阶信号的比较量进行非线性组合，提高系统的控制性能。
而且，UPS三相PWM电压源逆变器设计，如图1所示，为三相桥式PWM逆变电路原理图，具体为：
①逆变器逆变部分为三相桥式逆变电路，采用了180度导电方式，同一列上下两桥臂同相，且每一相的导通角度相互差120度；而任意一个时刻，6个桥臂中都有3个桥臂同时导通；
②负载相电压UaN、UbN、UcN如下式：
③逆变电路与PWM技术相结合形成三相桥式PWM逆变电路；(4)调制使用双极性方法，A、B、C三相各自产生本相的PWM调制波，载波UC共用同一个波。
而且，自抗扰控制器设计，如图2所示，为三阶自抗扰控制器系统框图，其各部分状态方程设计为：
a.跟踪微分控制器TD。它通过将系统输入信号分解成三个状态的广义上的微分信号，与反馈量的对应的微分信号比较，来得到比较合理的比较量，能比较好的解决古典系统无法解决的响应速度与超调量之间的矛盾问题。
b.扩张状态观测器ESO。它作为自抗扰控制器的核心部分，直接根据输入输出量，对系统的各阶状态进行估计，并能模拟出内外扰动。
c.非线性状态误差反馈控制率NLSEF。它用于对补偿量的差值部分进行抑制，并且对各阶信号的比较量进行非线性组合，提高系统的控制性能。
本实施例中UPS三相PWM电压源逆变器为自抗扰控制器的受控对象，其控制原理为：一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，任意一相为例，将指定电压Uref(t)输入自抗扰控制器ADRCIn1端，该相反馈的电压U(t)输入In2端，通过自抗扰控制器ADRC实现反馈信号跟随指定信号再将输出信号与一开始指定的电压进行比较，比较之后的结果输入PWM Generator模块进行调制产生PWM波，最后输入三相桥控制端口，对各桥臂进行控制。
并且，跟踪微分控制器TD的状态方程为：
式中：v0是TD环节的输入信号，即给定电压信号Uref(t)；v1是该输入信号的过渡信号；v2是v1的微分信号；v3是v2的微分信号；u为扩张状态观测器的输入；r称为速度因子，决定跟踪速度，r越大跟踪速度越快、跟踪效果越好，但r越大则会减弱跟踪微分控制器的滤噪能力。
并且，扩张状态观测器的状态方程是：
式中：z1，z2，z3为跟踪对象状态变量，用于反映系统的整体状态，z4为系统估计出来的扰动；β1、β2、β3、β4为大于0的待确定的观测器参数；b0是对控制量增益b的估算值；e为状态观测器的输出与TD环节参考值输出的误差；fal函数为一合适的非线性函数；d＝rh,其中r为速度因子、h为滤波因子，两者为可调参数。
并且，非线性状态反馈的状态方程如下：
式中：u0为非线性状态反馈环节NLSEF的传递函数；e1为过渡过程和状态变量的差值，e2、e3为对应微分和状态变量的差值；α为函数fal的一个可调参数。
而且，自抗扰控制器参数整定如下：
自抗扰控制器结构确定的情况下，其控制性能主要取决于参数的选择。其中，三个部分是相互独立设计的，可以采用“分离性原理”进行设定各部分参数。
1)非线性参数的整定
2)对于幂参数α，一般地，通常在ESO环节：α＝[0.5；0.25；0.125]；在NLSEF环节：α＝[0.7；1.1；0.64]。
3)TD环节
跟踪微分控制器TD的参数r，r是决定过渡过程时间的参数，r越大则越接近原始的输入，但实际的被控对象有限的承受能力致使r的取值不能太大。
该仿真中取r＝40
4)ESO环节
β为大于0的待确定的观测器参数，其选择的原则是保证ESO的稳定；d＝rh，r为速度因子、h为滤波因子，二者是可调参数；b为控制量的增益。
该仿真中取β＝[100；800；130；50]；d＝0.001；b＝20；α＝[0.5；0.25；0.125]
5)NLSEF环节
该仿真中取β＝[30；100；5]；α＝[0.7；1.1；0.64]；d＝0.0005
以下是仿真实验。
如图3所示为自抗扰控制器simulink仿真模型；图4所示为UPS三相PWM电压源逆变器simulink仿真模型。
如图5、6所示为干扰环境下自抗扰控制下UPS三相电压源逆变器输出电压情况。
仿真得出结论:在扰动环境下，自抗扰控制在保持UPS逆变器输出电压保持了稳定。对比传统控制方式，PI控制下输出电压在受到干扰后会畸变，产生大量高次谐波，并且产生的较大的超调量；而PR控制有幅值变小的问题。由仿真图像看来，自抗扰控制下逆变器输出电压几乎无变化，受扰动信号的影响非常小，保持了稳定与线性的输出波形。仿真验证了自抗扰技术下系统有良好的稳定性和较强的抗扰动能力。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照下面的描述和附图，具体公开了本发明实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

Claims (7)

1.一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器，其特征是，包括自抗扰控制器ADRC和UPS三相PWM电压源逆变器，UPS三相PWM电压源逆变器为自抗扰控制器ADRC的受控对象；自抗扰控制器ADRC包括跟踪微分控制器TD、扩张状态观测器ESO、非线性状态误差反馈控制器NLSEF；跟踪微分控制器TD的输入端接输入信号，输出端连接非线性状态误差反馈控制器NLSEF输入端和扩张状态观测器ESO输出端，扩张状态观测器ESO输入端连接UPS三相PWM电压源逆变器输入端，非线性状态误差反馈控制器NLSEF输出端连接扩张状态观测器ESO输出端。
2.如权利要求1所述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器，其特征是，UPS三相PWM电压源逆变器的逆变部分为三相桥式逆变电路，采用180度导电方式，同一列上下两桥臂同相，且每一相的导通角度相互差120度；任意一个时刻，6个桥臂中均有3个桥臂同时导通；
负载相电压UaN、UbN、UcN为：
逆变电路与PWM技术相结合形成三相桥式PWM逆变电路；
调制使用双极性方法，A、B、C三相各自产生本相的PWM调制波，载波UC共用同一个波。
3.一种基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、选择任意一相，将指定电压Uref(t)输入自抗扰控制器ADRC的In1端，该相反馈的电压U(t)输入In2端，通过自抗扰控制器ADRC实现反馈信号跟随指定信号；
步骤2、再将输出信号与指定电压进行比较，将比较结果输入PWM Generator模块进行调制产生PWM波；
步骤3、最后输入三相桥控制端口，对各桥臂进行控制。
4.如权利要求3所述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，其特征是，控制方法的具体实现包括以下步骤：
(1)、跟踪微分控制器TD通过将系统输入信号分解成三个状态的微分信号，与反馈量对应的微分信号比较，得到比较量；
(2)扩张状态观测器ESO根据输入输出量，对系统的各阶状态进行估计，并模拟出内外扰动，再通过非线性状态误差反馈控制器NLSEF给扰动加以实时动态反馈补偿，使系统线性化为积分器串联结构；
(3)非线性状态误差反馈控制器NLSEF用于对补偿量的差值部分进行抑制，并且对各阶信号的比较量进行非线性组合。
5.如权利要求4所述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，其特征是，跟踪微分控制器TD的状态方程为：
式中：v0是跟踪微分控制器TD的输入信号，即给定电压信号Uref(t)；v1是该输入信号的过渡信号；v2是v1的微分信号；v3是v2的微分信号；u为扩张状态观测器的输入；r称为速度因子。
6.如权利要求4所述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，其特征是，扩张状态观测器ESO的状态方程是：
式中：z1，z2，z3为跟踪对象状态变量，z4为系统估计出的扰动；β1、β2、β3、β4为大于0的待确定的观测器参数；b0是对控制量增益b的估算值；e为扩张状态观测器ESO的输出与跟踪微分控制器TD参考值输出的误差；fal函数为一合适的非线性函数；d＝rh，其中r为速度因子、h为滤波因子，两者为可调参数。
7.如权利要求4所述的基于自抗扰控制技术的UPS三相PWM电压源逆变器控制方法，其特征是，非线性状态误差反馈控制器NLSEF的状态方程为：
式中：u0为非线性状态误差反馈控制器NLSEF的传递函数；e1为过渡过程和状态变量的差值，e2、e3为对应微分和状态变量的差值；α为函数fal的一个可调参数。
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