CN108667076A - 基于自抗扰与比例谐振控制的z源逆变器并网控制装置 - Google Patents

基于自抗扰与比例谐振控制的z源逆变器并网控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，包括有依次连接的Z源逆变器阻抗、Z源逆变器桥、LCL滤波模块、电压采样电路和锁相环模块，锁相环模块的输出端连接余弦模块，余弦模块的输出端连接控制电路，所述的控制电路包括有乘法器模块、自抗扰控制模块与比例谐振控制模块、PWM脉冲调制器和脉冲驱动模块，所述的乘法器模块接收余弦模块的信号和电流信号设定值，自抗扰控制模块与比例谐振控制模块的输出端通过PWM脉冲调制器连接脉冲驱动模块，脉冲驱动模块的输出端连接Z源逆变器桥，控制Z源逆变器桥中场效应管的导通与关断。本发明能够在提高逆变器动态特性的前提下，又能提高其静态稳定性。

Description

基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置
技术领域
本发明属于光伏并网控制技术领域，尤其涉及一种自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器光伏并网控制装置。
背景技术
随着信息技术的发展，国家对并网电能质量的要求日益严格，提高并网逆变器逆变性能是提高并网电能质量的有效技术手段。提高并网逆变器逆变性能的关键是不断优化控制策略，现在应用在逆变器的控制策略主要有电压电流双环控制法，经典PID控制法，自抗扰控制法(ADRC)，比例谐振控制法(PR)，重复控制法，这些单一的控制方法虽然已经发展的比较成熟，但是单一的控制方法仍不能满足实际的需要，这就要求不同的控制策略结合起来，达到优化控制的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，在提高逆变器动态特性的前提下，又能提高其静态稳定性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，包括有依次连接的Z源逆变器阻抗、Z源逆变器桥、LCL滤波模块、电压采样电路和锁相环模块，余弦模块，余弦模块的输出端连接控制电路，所述的控制电路包括有乘法器模块、自抗扰控制模块与比例谐振控制模块、PWM脉冲调制器和脉冲驱动模块，所述的乘法器模块接收余弦模块的信号和电流信号设定值，乘法器模块的输出信号输入至自抗扰控制模块，自抗扰控制模块还接收LCL滤波模块中电流采样电路的输出信号，自抗扰控制模块还连接比例谐振模块，自抗扰控制模块的输出端通过PWM脉冲调制器连接脉冲驱动模块，脉冲驱动模块的输出端连接Z源逆变器桥，控制Z源逆变器桥中场效应管的导通与关断。
所述的自抗扰控制模块包括非线性跟踪微分器、误差信号生成单元、非线性状态误差反馈控制律模块、第一减法器、补偿因子模块、滤波器模块、扩张状态观测器，跟踪微分器的输入端连接乘法器模块的输出信号，跟踪微分器输出三个微分信号给第一误差信号生成单元，第一误差信号生成单元的第二输入端分别连接扩张状态观测器的三个观测输出端，第一误差信号生成单元的输出端连接非线性状态误差反馈控制律模块的输入端，非线性状态误差反馈控制律模块的输出端连接第一减法器的第一输入端，第一减法器的第二输入端通过补偿因子模块的第一补偿因子连接扩张状态观测器的输出端，第一减法器的输出端连接加法器的第一输入端，第一减法器的输出端还通过补偿因子模块的第二补偿因子连接扩张状态观测器的第一输入端，加法器的输出端连接滤波器模块的第一输入端，所述滤波器模块的输出端连接扩张状态观测器的第二输入端。3.如权利要求1或2所述的基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，其特征在于：所述的比例谐振控制模块包括有第二误差产生单元和第三误差产生单元、PR5模块、PR3模块，基波比例谐振控制模块，所述第二误差产生单元和第三误差产生单元的第一输入端为设定参考值，第二输入端连接第一误差产生单元的第二输入端，第二误差产生单元的输出端通过PR5模块连接加法器的第二输入端，第三误差产生单元的输出端通过PR3模块连接加法器的第二输入端，基波比例谐振控制模块的输入端连接第一误差产生单元的输出端，输出端连接加法器的第二输入端。
所述的基波比例谐振控制模块包括有积分增益模块、第五减法器、比例增益模块、截止频率模块、第七积分模块、第八积分模块和谐振频率模块，其中积分增益模块的输入端连接第一误差产生单元的输出端，积分增益模块的输出端连接第七积分模块，第七积分模块的输出端连接加法器的第二输入端，第七积分模块的输出端还分别通过比例增益模块、截止频率模块和第五减法器的第二输入端连接，第七积分模块的输出端还通过谐振频率模块、第八积分模块连接第五减法器的第三输入端。
所述的扩张状态观测器包括第三减法器、第四减法器，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元、反馈矩阵单元、增益b0单元、反馈增益a1单元、关于误差的非线性组合函数单元，第三减法器的第一输入端连接第二补偿因子的输出端，第二输入端连接反馈矩阵单元的输出端，反馈矩阵单元的输入端连接第四相加点的输出端；第三减法器的第三输入端连接反馈增益a1单元的输出端，反馈增益a1的输入端连接第五积分单元的输出端，第三减法器的输出端依次连接第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元，其中第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端分别连接关于误差的非线性组合函数单元的三个输入端，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端为扩张状态观测器的三个观测输出端；第六积分单元的输出端通过增益b0单元连接第四减法器的输入端，第四减法器的另一输入端为扩张状态观测器的第二输入端。
所述的滤波器模块包括第二减法器、第一积分单元、第二积分单元、第三积分单元、系数b0单元和系数a1单元组成，第二减法器的第一输入端为被控对象的输入端，第二减法器的第二输入端连接系数a1单元的输出端，第二减法器的输出端连接到第一积分单元，第一积分单元的输出端通过第二积分单元连接第三积分单元的输入端，第二积分单元的输出端连接系数a1单元的输入端；第三积分单元的输出端连接系数b0单元，系数b0单元的输出端即自抗扰控制模块的输出端，此输出端还连接扩张状态观测器的第二输入端。
本发明具有的优点是：本发明是将将自抗扰与比例谐振控制相结合的方法，运用自抗扰控制方法提高逆变器电流控制回路的动态响应性能的过程，即提高逆变器控制器的快速性；运用准比例谐振控制方法提高逆变器控制器的静态特性，比例环节增加系统的静态和动态稳定性，采用准PR控制器既能够保持PR控制器高增益的优点，实现对正弦信号的无静差跟踪控制，又可以增大系统在谐振频率附近的带宽，降低系统的敏感度。总之，在提高逆变器动态特性的前提下，又能提高其静态稳定性和抗干扰性，有效降低输出信号的稳态误差，简单可靠，易于实现。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图。
图2是自抗扰控制模块和比例谐振控制模块的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开的是一种基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，包括有依次连接的Z源逆变器阻抗101、Z源逆变器桥102、LCL滤波模块2、电压采样电路4和锁相环模块5，锁相环模块的输出端连接控制电路3。电信号由PV1太阳能发电板101‐1产生，其中PV1太阳能发电板的一端接地，另一端接极性电容101‐2、101‐3的负极性端和电感L101‐4的一端，电感L101‐4的另一端接极性电容101‐5的负极性端，极性电容101‐5的正极性端接极性电容101‐2的正极与电感L101‐6的一端，电感L101‐6的另一端接极性电容101‐3的正极。电信号经过101模块中的电容和电感之后，进入Z源逆变器桥的场效应管，其中场效应管G1的漏极与场效应管G3的漏极相连接，场效应管G1的源极与场效应管G2的源极相连接，场效应管G3、G4的源极对应连接，场效应管G2、G4的源极对应连接。电信号从场效应管G1、G2的源极与场效应管G3、G4的源极流出端电压为Ui，进入LCL滤波模块2，因此信号电压Ui从Z源逆变电路模块1也就输送到了LCL滤波电路模块2。
LCL滤波电路模块2包括有201(L1电感基准值)、202(ΔL1电感波动量)，203电流采样电路，204(L2电感基准值)，205(ΔL2电感波动量)，206电网，207(C1电容基准值，ΔC1电感波动量)。其中流进LCL滤波电路模块2中的电流i1，一部分经过201(L1)电感、202(ΔL1)电感、204(L2)、205(ΔL2)电感，流出LCL滤波电路模块2进入电压采样电路，另外还有进入电网模块206，即Ug，另一部分进入电流采样电路203，然后再从电流采样电路203进如下一模块。201电感L1的一端接Z源逆变器桥102中的G1、G2的源极，另一端接202电感ΔL1，从电感ΔL1出来一部分接模块207中的C1电容的一端，另一部分接电流采样电路，和204、205电感L2、ΔL2，在模块207中电容的另一端接G3、G4场效应管的源极，与电网模块206的一端，流入电压采样电路。从LCL滤波电路模块2流出的电信号经过电压采样电路4，然后再经过PLL锁相环模块进入控制电路3。
所述的控制电路3包括有乘法器模块302、自抗扰控制模块与比例谐振控制模块301‐4、PWM脉冲调制器301‐2和脉冲驱动模块301‐1，所述的乘法器模块302接收锁余弦模块6的信号和电流信号设定值i2*，i2*是一个幅值，根据目标电流的大小而进行人为设定的，乘法器模块302的输出信号输入至自抗扰控制模块，自抗扰控制模块还接收LCL滤波模块中电流采样电路的输出信号，自抗扰控制模块与比例谐振模块的输出端通过PWM脉冲调制器301‐2连接脉冲驱动模块301‐1，脉冲驱动模块301‐1的输出端连接Z源逆变器桥102，控制Z源逆变器桥102中场效应管102‐1至102‐4的导通与关断。
如图2所示，所述的自抗扰控制模块包括非线性跟踪微分器407、误差信号生成单元408、非线性状态误差反馈控制律模块409、第一减法器410、补偿因子模块、滤波器模块411、扩张状态观测器414，跟踪微分器407的输入端输入乘法器模块302的输出信号，跟踪微分器407输出三个微分信号给第一误差信号生成单元408，第一误差信号生成单元408的第二输入端分别连接扩张状态观测器407的三个观测输出端，第一误差信号生成单元408的输出端连接非线性状态误差反馈控制律模块409的输入端，非线性状态误差反馈控制律模块409的输出端连接第一减法器410的第一输入端，第一减法器410的第二输入端通过补偿因子模块的第一补偿因子412(缩小系数)连接扩张状态观测器的输出端，第一减法器410的输出端输出的信号进入加法器415的第一输入端，与比例谐振控制模块输出的信号经过加法器415汇合成Ui进入滤波器模块411的输入端，第一减法器410的输出端输出的信号Ui还通过补偿因子模块的第二补偿因子413(放大系数)连接扩张状态观测器414的第一输入端，所述滤波器模块411的输出信号流入扩张状态观测器414的第二输入端。
如图2所示，所述的比例谐振控制模块包括有第二误差产生单元401和第三误差产生单元403、PR5模块402、PR3模块404，基波比例谐振控制模块406和第五减法器，所述第二误差产生单元401和第三误差产生单元403的第一输入端为设定参考值，为了使3次谐波、5次谐波的影响趋于零，此处设定参考值均设置为零，第二输入端连接第一误差产生单元408的第二输入端，第二误差产生单元408的输出端通过PR5模块402连接加法器415的第二输入端，第三误差产生单元403的输出端通过PR3模块404连接加法器415的第二输入端，积分增益模块模块406-6的输入端连接第一误差产生单元408的输出端，积分增益模块406-6模块的输出端连接积分模块406-3，406-3模块的输出端连接加法器415的第二输入端，406-3模块的输出端还分别通过比例增益模块406-1、截止频率模块406-2和第五减法器的第二输入端连接，406-3模块的输出端还通过谐振频率模块406-5、积分模块406-4连接第五减法器的第三输入端。其中406模块在于形成基波信号的比例谐振控制器，信号经过消除5次谐波，3次谐波后，进入到415模块汇合点汇合。
所述的扩张状态观测器414包括第三减法器414-1、第四减法器414-2，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元、反馈矩阵单元G、增益b0单元、反馈增益a1单元、关于误差的非线性组合函数单元414-3，第三减法器414-1的第一输入端连接第二补偿因子(缩小系数)的输出端，第二输入端连接反馈矩阵单元的输出端，反馈矩阵单元的输入端连接第四相加点的输出端；第三减法器414-1的第三输入端连接反馈增益a1单元的输出端，反馈增益a1的输入端连接第五积分单元的输出端，第三减法器414-1的输出端依次连接第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元，其中第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端分别连接关于误差的非线性组合函数单元414-3的三个输入端，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端为扩张状态观测器414的三个观测输出端；第六积分单元的输出端通过增益b0单元连接第四减法器414-2的输入端，第四减法器414-2的另一输入端为扩张状态观测器414的第二输入端。
所述的滤波器模块411包括第二减法器、第一积分单元、第二积分单元、第三积分单元、系数b0单元(放大倍数)和系数a1单元(反馈系数)组成，第二减法器的第一输入端为滤波器模块411的输入端，第二减法器的第二输入端连接系数a1单元的输出端，第二减法器的输出端连接到第一积分单元，第一积分单元的输出端通过第二积分单元连接第三积分单元的输入端，第二积分单元的输出端连接系数a1单元的输入端；第三积分单元的输出端连接系数b0单元，系数b0单元的输出端即自抗扰控制模块的输出端，此输出端还连接扩张状态观测器414的第二输入端，然后经过反馈矩阵G反馈到414‐1汇合点汇合。
本发明通过将自抗扰与比例谐振控制器相结合，运用自抗扰控制方法提高逆变器控制器的快速性，运用准比例谐振控制方法提高逆变器控制器的静态特性，将自抗扰控制方法与准比例谐振控制方法相结合运用到逆变器的控制器中，设计出动态特性和静态特性良好的逆变器控制器。

Claims (6)

1.一种基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，包括有依次连接的Z源逆变器阻抗、Z源逆变器桥、LCL滤波模块、电压采样电路和锁相环模块，余弦模块，余弦模块的输出端连接控制电路，其特征在于：所述的控制电路包括有乘法器模块、自抗扰控制模块与比例谐振控制模块、PWM脉冲调制器和脉冲驱动模块，所述的乘法器模块接收余弦模块的信号和电流信号设定值，乘法器模块的输出信号输入至自抗扰控制模块，自抗扰控制模块还接收LCL滤波模块中电流采样电路的输出信号，自抗扰控制模块还连接比例谐振模块，自抗扰控制模块的输出端通过PWM脉冲调制器连接脉冲驱动模块，脉冲驱动模块的输出端连接Z源逆变器桥，控制Z源逆变器桥中场效应管的导通与关断。
2.如权利要求1所述的基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，其特征在于：所述的自抗扰控制模块包括非线性跟踪微分器、误差信号生成单元、非线性状态误差反馈控制律模块、第一减法器、补偿因子模块、滤波器模块、扩张状态观测器，跟踪微分器的输入端连接乘法器模块的输出信号，跟踪微分器输出三个微分信号给第一误差信号生成单元，第一误差信号生成单元的第二输入端分别连接扩张状态观测器的三个观测输出端，第一误差信号生成单元的输出端连接非线性状态误差反馈控制律模块的输入端，非线性状态误差反馈控制律模块的输出端连接第一减法器的第一输入端，第一减法器的第二输入端通过补偿因子模块的第一补偿因子连接扩张状态观测器的输出端，第一减法器的输出端连接加法器的第一输入端，第一减法器的输出端还通过补偿因子模块的第二补偿因子连接扩张状态观测器的第一输入端，加法器的输出端连接滤波器模块的第一输入端，所述滤波器模块的输出端连接扩张状态观测器的第二输入端。
3.如权利要求1或2所述的基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，其特征在于：所述的比例谐振控制模块包括有第二误差产生单元和第三误差产生单元、PR5模块、PR3模块，基波比例谐振控制模块，所述第二误差产生单元和第三误差产生单元的第一输入端为设定参考值，第二输入端连接第一误差产生单元的第二输入端，第二误差产生单元的输出端通过PR5模块连接加法器的第二输入端，第三误差产生单元的输出端通过PR3模块连接加法器的第二输入端，基波比例谐振控制模块的输入端连接第一误差产生单元的输出端，输出端连接加法器的第二输入端。
4.如权利要求3所述的基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，其特征在于：所述的基波比例谐振控制模块包括有积分增益模块、第五减法器、比例增益模块、截止频率模块、第七积分模块、第八积分模块和谐振频率模块，其中积分增益模块的输入端连接第一误差产生单元的输出端，积分增益模块的输出端连接第七积分模块，第七积分模块的输出端连接加法器的第二输入端，第七积分模块的输出端还分别通过比例增益模块、截止频率模块和第五减法器的第二输入端连接，第七积分模块的输出端还通过谐振频率模块、第八积分模块连接第五减法器的第三输入端。
5.如权利要求4所述的基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，其特征在于：所述的扩张状态观测器包括第三减法器、第四减法器，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元、反馈矩阵单元、增益b0单元、反馈增益a1单元、关于误差的非线性组合函数单元，第三减法器的第一输入端连接第二补偿因子的输出端，第二输入端连接反馈矩阵单元的输出端，反馈矩阵单元的输入端连接第四相加点的输出端；第三减法器的第三输入端连接反馈增益a1单元的输出端，反馈增益a1的输入端连接第五积分单元的输出端，第三减法器的输出端依次连接第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元，其中第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端分别连接关于误差的非线性组合函数单元的三个输入端，第四积分单元、第五积分单元、第六积分单元的输出端为扩张状态观测器的三个观测输出端；第六积分单元的输出端通过增益b0单元连接第四减法器的输入端，第四减法器的另一输入端为扩张状态观测器的第二输入端。
6.如权利要求5所述的基于自抗扰与比例谐振控制的Z源逆变器并网控制装置，其特征在于：所述的滤波器模块包括第二减法器、第一积分单元、第二积分单元、第三积分单元、系数b0单元和系数a1单元组成，第二减法器的第一输入端为被控对象的输入端，第二减法器的第二输入端连接系数a1单元的输出端，第二减法器的输出端连接到第一积分单元，第一积分单元的输出端通过第二积分单元连接第三积分单元的输入端，第二积分单元的输出端连接系数a1单元的输入端；第三积分单元的输出端连接系数b0单元，系数b0单元的输出端即自抗扰控制模块的输出端，此输出端还连接扩张状态观测器的第二输入端。
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