CN109104114A - 一种基于pi和重复控制并联的三相逆变器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，包括：建立三相逆变器在三相静止坐标系的数学表达式，通过坐标变换将其转换到同步旋转坐标系下，确立三相逆变器的双闭环控制控制框图，电流环采用PI控制，电压环采用PI和重复控制并联的控制策略。本发明具有在带非线性负载条件下降低三相逆变器输出电压波形总谐波畸变率的效果。

Description

一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法
技术领域
本发明属于电力电子和电力自动化设备的控制技术领域，具体涉及一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法。
背景技术
随着城市化进程的迅速发展，给人们带来舒适便利生活的同时，所带来的附加问题是城市人口的急剧膨胀和交通出行的不便。地铁列车运量大、速度快的优势是其他交通工具所达不到的。同时，城市轨道交通具有节省土地、减少噪音、节约能源和减少污染等一系列特点，发展城市轨道交通已成为缓解城市交通拥堵的最佳选择。
由于城市轨道交通站间距离短，车辆运行过程中存在频繁启动、加速、制动、停车等一系列动作，因此制动能量是相当可观的，据统计制动能量高达牵引能量的30％。目前，我国绝大部分线路车辆将这部分制动能量都消耗在制动电阻上，造成能量的巨大浪费，引起隧道、站内环境温度升高，加重散热通风系统负担，增加了能量的消耗，同时对隧道内其它电气设备带来了影响。因此通过轨道交通牵引系统能量回馈装置将列车制动能量经过逆变升压反馈至35kV中压供电网，通过制动能量再利用，整体降低轨道交通列车能量损耗已变得极为重要。
通常三相逆变器的多采用PI控制的方案，包括有效值的PI控制和瞬时值的PI控制。在带线性负载的条件，采用PI控制时输出电压波形总谐波畸变率较低；但是在带非线性负载的条件下，PI控制总谐波畸变率高。而在大多数情况中，三相逆变器多带非线性负载，这种条件下，采用PI控制的三相逆变器输出波形已经无法满足实际应用的需求。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，以实现三相逆变器在带非线性负载条件下降低总谐波畸变率的效果。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，包括步骤如下：
1)建立三相逆变器在三相静止坐标系的数学表达式；
2)通过Clark和Park坐标变换(3s/2r变换)将上述数学表达式转换到同步旋转坐标系下；
3)确立三相逆变器的双闭环控制控制框图；
4)电流环采用PI控制，电压环采用PI和重复控制并联。
进一步地，所述步骤1)具体包括：根据三相逆变器中的桥臂点电压、输出电压、电感电流、输出电流之间的关系经过拉普拉斯变换得到其在三相静止坐标系abc轴下的矩阵表达式。
进一步地，所述步骤2)具体包括：对电压和电流的矩阵表达式进行坐标变换，得到同步旋转坐标系dq轴下的矩阵表达式；完成abc轴到dq轴的坐标变换，需要Clark变换和Park 变换两个过程，Clark变换abc轴三相信号等效到α轴和β轴上，β轴超前α轴90°，α轴与a轴重合；Park变换将α轴和β轴信号等效到dq轴上，q轴超前d轴90°，dq轴以ω的角速度旋转；abc坐标系下的电压电流信号均为交流信号，PI控制无法对其进行无静差的追踪， dq轴下的电压电流均为直流信号。
进一步地，所述步骤3)具体包括：在同步旋转坐标系下建立一个电压电流双闭环的控制方案，其中电压环的指令为输出电压给定值，电压环的输出作为电流环的指令，该控制方案还包括dq轴的电流电压解耦。
进一步地，所述步骤4)具体包括：电流环采用PI控制来保证系统动态响应速度；为抑制输出电压的谐波，电压环采用PI和重复控制并联来抑制输出电压的谐波。
本发明的有益效果：
1)本发明采用了电压电流双闭环的控制结构，提高了系统的动态响应速度；
2)本发明采用dq解耦，保证了在电流电压环控制参数的准确性；
3)本发明引入了PI和重复控制并联的控制方法，有效抑制了输出电压波形的总谐波畸变率。
附图说明
图1为三相逆变器的拓扑结构图；
图2为三相逆变器的控制框图；
图3为PI和重复控制并联的控制框图；
图4a为PI控制下的输出波形示意图；
图4b为PI和重复控制并联的输出波形示意图；
图5a为PI控制下的总谐波畸变率示意图；
图5b为PI和重复控制并联的总谐波畸变率示意图。
具体实施方式
本发明的一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，包括：建立三相逆变器在三相静止坐标系的数学表达式，通过坐标变换将其转换到同步旋转坐标系下，确立三相逆变器的双闭环控制控制框图，电流环采用PI控制，电压环采用PI和重复控制并联的控制策略。
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
取三相三线电压型逆变器为研究对象，其电路拓扑如图1所示，Vdc为系统的直流输入电压，Cdc为直流输入端的高频电容，Q1-Q6为三个桥臂的六个开关管；Lfj(j＝a,b,c)为滤波电感，Cfj(j＝a,b,c)为交流滤波电容，构成LC低通滤波器，本发明中三相滤波电容采用的是星型接法。Lcj(j＝a,b,c)为使逆变器输出呈感性的连线电感；voj(j＝a,b,c)为逆变器的三相滤波电容的两端电压即逆变器输出电压；逆变器三相滤波电感电流为iLj(j＝a,b,c)，逆变器的三相输出电流为ioj(j＝a,b,c)；Vj(j＝a,b,c)为三相桥臂中点的电压。
根据三相逆变器中的桥臂点电压、输出电压、电感电流、输出电流之间的关系，由KVL 和KCL定律列出关系式，经过拉普拉斯变换得到其在三相静止坐标系abc轴下的矩阵表达式为：
三相静止坐标系下的电压电流信号均为交流信号，PI控制无法对其进行无静差的追踪，需要对电压电流的矩阵表达式进行3s/2r的坐标变换，得到同步旋转坐标系下的矩阵表达式为：
根据以上两个矩阵表达式，在同步旋转坐标系下建立一个电压电流双闭环的控制方案，其中电压环的指令为输出电压给定值，电压环的输出作为电流环的指令，该控制方案还包括 dq轴的电流电压解耦，如图2所示。
假设经过完全解耦d轴和q轴等效且为两个独立的系统，d轴和q轴可以看做两个单相逆变器进行分析。为了保证系统的系统动态响应速度，电流环采用PI控制；为了降低谐波总谐波畸变率，电压环引入一种PI和重复控制并联的控制方法，其控制框图如图3所示。
PI调节器和重复控制器并联的复合控制装置不能看做两个独立控制策略的简单叠加，在进行参数设计时要考虑到其相互作用影响。由图3可以写出上述控制框图的闭环传递函数：
对式(5)进行分解处理，可化为：
若取该系统中PI调节器的作用影响为F1(z)，重复控制器的作用影响为F2(z)，即：
根据式(6)和式(7)可以对式(8)进行简化，简化后的输出和指令信号的关系为：
u＝u1+u2＝F1(z)·u*+F2(z)(1-F1(z))u* (9)
从式(9)可以看出，当只有PI调节器作用时，控制系统无法做到无静差跟踪，指令信号u*与PI调节器输出信号u1存在着稳态误差(1-F1(z))u*，而从数学表达式上分析此误差可看作为重复控制器的指令电压。
PI调节器的存在增强了该系统的动态响应性能，其在追踪信号的时候起主要作用。当负载发生大范围波动时，由于延时环节的存在，重复控制器作用不能迅速发挥作用，而PI控制器可以实现对指令信号进行快速追踪；而当系统趋于稳态时，被控对象的值趋近于指令信号，其误差较小的时，PI调节器的作用很小，此时主要由重复控制器对系统误差进行调节，使误差信号按照周期递减，能够降低系统的稳态误差。
实施例1
为了验证所提三相逆变器控制策略的有效性，搭建电路进行仿真验证。本实施例的滤波电路为LC滤波，非线性负载采用三相不控整流桥带电容电阻并联，系统的电路和控制参数如表1所示。
表1
图4a为PI控制下的输出波形，图4b为PI和重复控制并联的输出波形。仿真中，PI控制下的输出波形图存在明显的畸变，PI和重复控制并联的波形较好。图5a为PI控制下的总谐波畸变率，图5b为PI和重复控制并联的总谐波畸变率。PI控制下，其输出电压的基波整数倍谐波畸变率的值很大(图中的5次、7次、11次谐波)，总谐波畸变率为5.90％；而重复控制对基波的整数倍谐波有很好的抑制作用，导致加入重复控制后谐波畸变率有了明显的降低，总谐波畸变率为3.38％。这充分验证了本发明控制方法的有效性。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)建立三相逆变器在三相静止坐标系的数学表达式；
2)通过坐标变换将上述数学表达式转换到同步旋转坐标系下；
3)确立三相逆变器的双闭环控制控制框图；
4)电流环采用PI控制，电压环采用PI和重复控制并联。
2.根据权利要求1所述的基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：根据三相逆变器中的桥臂点电压、输出电压、电感电流、输出电流之间的关系经过拉普拉斯变换得到其在三相静止坐标系abc轴下的矩阵表达式。
3.根据权利要求2所述的基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：对电压和电流的矩阵表达式进行坐标变换，得到同步旋转坐标系dq轴下的矩阵表达式；完成abc轴到dq轴的坐标变换，需要Clark变换和Park变换两个过程，Clark变换abc轴三相信号等效到α轴和β轴上，β轴超前α轴90°，α轴与a轴重合；Park变换将α轴和β轴信号等效到dq轴上，q轴超前d轴90°，dq轴以ω的角速度旋转；abc坐标系下的电压电流信号均为交流信号，PI控制无法对其进行无静差的追踪，dq轴下的电压电流均为直流信号。
4.根据权利要求3所述的基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：在同步旋转坐标系下建立一个电压电流双闭环的控制方案，其中电压环的指令为输出电压给定值，电压环的输出作为电流环的指令，该控制方案还包括dq轴的电流电压解耦。
5.根据权利要求1所述的基于PI和重复控制并联的三相逆变器控制方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：电流环采用PI控制来保证系统动态响应速度；为抑制输出电压的谐波，电压环采用PI和重复控制并联来抑制输出电压的谐波。
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