CN109245571A - 一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统及方法。本发明系统包括交流电源模块、电压信号采集传感器、锁相环、电流信号采集传感器、控制器模块、整流桥功率开关管、直流电源。本发明方法通过电压信号采集传感器采集三相电压，通过电流信号采集传感器采集三相电流，根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流；根据坐标轴电压以及电流构建具有耗散的端口受控哈密顿数学模型；控制器模块根据d轴开关函数以及q轴开关函数通过变换得到电压控制信号，根据空间矢量脉宽调制算法对所述整流桥功率开关管进行控制，将所述交流电源模块输出的交流电整流为直流电。本发明方法相应速度快，抗干扰性强且谐波分量低。

Description

一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统及方法

技术领域

本发明属于电力电子以及非线性控制领域，尤其涉及一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统及方法。

背景技术

随着电子控制技术的发展，PWM整流器及其控制策略越来越受到研究人员的关注。较传统的“间接电流控制”策略和“直接电流控制”策略，为了降低电压损耗和提高控制精度的基于空间矢量控制的PWM控制及多种控制策略被先后提出，这些方法从不同的方式来设计了控制系统，在提高功率因数和降低谐波畸变率，起到了一定效果，如文献1提出了一种无比例积分控制器的三相脉冲宽度调制整流器的功率预测控制(PPC)方法。通过分析虚拟流量、主动功率、变流器电压和滤波器参数之间的关系，提出了优化电压矢量的计算方法。因此，不发生超调，快速和准确的功率控制成为可能。预测算法计算出应用每一个向量所产生的功率误差，并选择一个贡献最小误差的向量。仿真和实验结果表明，该方法具有良好的稳态性能和快速的动态响应能力。文献9以单相电压型PWM整流器为研究对象，针对其控制策略和控制性能不佳等问题，提出由无源电流控制器控制的单相电压型PWM整流器无源控制算法。首先，构建虚拟坐标系获得整流器输入电流的轴电流分量；其次，通过无源电流控制器消除或抑制输入电流谐波，实现对轴电流分量的无差跟踪，使得整流器输出恒定的直流电压；最后，引入评价函数，对控制器的开关函数进行最优选取，从而选择最优开关状态。仿真和实验结果表明，该方法较传统的PI控制算法具有更高的准确性和有效性。由于大功率用电设备的增多，对电网的影响越来越严重，功率因数的提高和谐波抑制被越来越重视，因此急需探索新的控制理论，以使满足工程需要的同时，降低对电网安全性和稳定性的影响。

发明内容

无源控制，按系统的控制要求确定系统的能量分布，以获得最佳的控制效果。基于PCHD(具有耗散的端口受控哈密顿)模型，采用IDA-PBC方法，不仅可以能量成型，还能进行阻尼注入和互联矩阵，设计具有灵活性，可设计更优秀的控制系统。

为了取得更好的控制效果，减小电网谐波含量，保证系统稳定性，本发明提出了一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统及方法。

本发明系统的技术方案为一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统，其特征在于，包括交流电源模块、电压信号采集传感器、锁相环、电流信号采集传感器、控制器模块、整流桥功率开关管、直流电源；

所述交流电源模块与所述整流桥功率开关管通过导线连接；所述整流桥功率开关管与所述直流电源通过导线连接；所述交流电源模块与所述电压信号采集传感器通过导线连接；所述电压信号采集传感器与所述锁相环通过导线连接；所述交流电源模块与所述电流信号采集传感器通过导线连接；所述电压信号采集传感器与所述控制器模块通过导线连接；所述锁相环与所述控制器模块通过导线连接；所述电流信号采集传感器与所述控制器模块通过导线连接；所述控制器模块与所述整流桥功率开关管通过导线连接。

所述交流电源模块用于提供三相交流电并由交流电网直接提供；所述电压信号采集传感器用于采集三相交流电的电压信号；所述锁相环根据瞬时三相交流电的电压信号生成角度信号并传输至控制器模块；所述电流信号采集传感器用于采集三相交流电的电流信号；所述控制器模块用于对三相交流电的电压信号以及电流信号进行坐标变化，并进行基于优化参数及注入阻尼的空间矢量脉宽调制算法控制；所述整流桥功率开关管根据所述控制器模块控制将三相交流电整流成直流电；所述用于直流电源提供直流电源。

本发明方法的技术方案为一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：通过电压信号采集传感器采集三相电压，通过电流信号采集传感器采集三相电流，根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流；

步骤2：根据坐标轴电压以及电流构建具有耗散的端口受控哈密顿数学模型；

步骤3：控制器模块根据d轴开关函数以及q轴开关函数通过变换得到电压控制信号，根据空间矢量脉宽调制算法对所述整流桥功率开关管进行控制，将所述交流电源模块输出的交流电整流为直流电；

作为优选，步骤1中所述通过电压信号采集传感器采集三相电压为A相电压u_a，B相电压u_b，C相电压u_c；

步骤1中所述通过电流信号采集传感器采集三相电流为A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c；

步骤1中所述根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流：

A相电压u_a，B相电压u_b，C相电压u_c通过dq坐标变换转换为d轴电压u_d，q轴电压u_q；

A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c通过dq坐标变换转换为d轴电流i_d，q轴电流i_q；

作为优选，步骤2中所述具有耗散的端口受控哈密顿数学模型为：

其中，J＝-J^T表示系统内部互联矩阵，R^*＝R^T≥0表示系统的耗散，各矩阵表达式为

x₁＝Li_d、x₂＝Li_q、x₃＝Cu_dc

其中，L为网测等效电感，R为电感、电压源和开关器件的等效电阻之和，C为所述直流电源电容，u_dc为所述直流电源电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，R_L为等效负载，ω为交流电源变换角速度，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数；

d轴开关函数以及q轴开关函数为：

其中，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数；α为第一优化参数；β为第二优化参数；γ为第三优化参数；r_a1为第一注入阻尼；r_a2为第二注入阻尼；r_a3为第三注入阻尼；R为电感、电压源和开关器件的等效电阻之和，C为所述直流电源电容，u_dc为所述直流电源电压，u_dcr为期望直流电源电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，R_L为等效负载；ω为交流电源变换角速度；I_m为稳定运行时交流相电流的幅值，U_m相电压幅值；

作为优选，步骤3中所述电压控制信号为u_α、u_β，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数通过下式计算得u_d、u_q并通过坐标转换为u_α、u_β；

控制器模块接收到S_d、S_q信号后经过转化生成u_α、u_β信号，然后根据u_α、u_β信号通过空间矢量脉宽调制生成IGBT控制脉冲信号，并传递给功率开关管可控整流桥；

功率开关管可控整流桥根据接收的IGBT控制脉冲信号控制通断，以达到将交流电源模块输送来的交流电转化为期望值的直流电，并将整流后的直流电传递给直流电源。

本发明优点在于，相较于现有技术本发明响应速度及抗扰性能都有了较大提高，在保证了单位功率运行地前提下，有效的降低了网侧电流的谐波含量，一定程度上提高了PWM整流器的整体性能。

附图说明

图1：本发明系统框图；

图2：为基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统框图；

图3：本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明系统框图如图1所述，本实施例系统的技术方案为一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统，其特征在于，包括交流电源模块、电压信号采集传感器、锁相环、电流信号采集传感器、控制器模块、整流桥功率开关管、直流电源；

所述交流电源模块与所述整流桥功率开关管通过导线连接；所述整流桥功率开关管与所述直流电源通过导线连接；所述交流电源模块与所述电压信号采集传感器通过导线连接；所述电压信号采集传感器与所述锁相环通过导线连接；所述交流电源模块与所述电流信号采集传感器通过导线连接；所述电压信号采集传感器与所述控制器模块通过导线连接；所述锁相环与所述控制器模块通过导线连接；所述电流信号采集传感器与所述控制器模块通过导线连接；所述控制器模块与所述整流桥功率开关管通过导线连接。

所述交流电源模块用于提供三相交流电并由交流电网直接提供；所述电压信号采集传感器用于采集三相交流电的电压信号；所述锁相环根据瞬时三相交流电的电压信号生成角度信号并传输至控制器模块；所述电流信号采集传感器用于采集三相交流电的电流信号；所述控制器模块用于对三相交流电的电压信号以及电流信号进行坐标变化，并进行基于优化参数及注入阻尼的空间矢量脉宽调制算法控制；所述整流桥功率开关管根据所述控制器模块控制将三相交流电整流成直流电；所述用于直流电源提供直流电源。

所述交流电源模块为额定相电压220V的三相交流电；所述电压信号采集传感器型号为LEM公司的LV系列；所述锁相环型号为TI公司的PLL1707DBQR；所述电流信号采集传感器型号为LEM公司的LxSR系列；所述控制器模块为TMS320F2812；所述整流桥功率开关管型号为TOSHIBA公司的GT60N321；所述直流电源为600V直流电流电源。

下面结合图1至图3介绍本发明的具体实施方式，本发明具体实施方式为一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：通过电压信号采集传感器采集三相电压，通过电流信号采集传感器采集三相电流，根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流；

步骤1中所述通过电压信号采集传感器采集三相电压为A相电压u_a，B相电压u_b，C相电压u_c；

步骤1中所述通过电流信号采集传感器采集三相电流为A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c；

步骤1中所述根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流：

A相电压u_a，B相电压u_b，C相电压u_c通过dq坐标变换转换为d轴电压u_d，q轴电压u_q；

A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c通过dq坐标变换转换为d轴电流i_d，q轴电流i_q；

步骤2：根据坐标轴电压以及电流构建具有耗散的端口受控哈密顿数学模型；

步骤2中所述具有耗散的端口受控哈密顿数学模型为：

其中，J＝-J^T表示系统内部互联矩阵，R^*＝R^T≥0表示系统的耗散，各矩阵表达式为

x₁＝Li_d、x₂＝Li_q、x₃＝Cu_dc

其中，L＝16mH为网测等效电感，R＝0.5Ω为电感、电压源和开关器件的等效电阻之和，C＝800uF为所述直流电源电容，u_dc为所述直流电源电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，R_L＝80Ω为等效负载，ω为交流电源变换角速度，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数；

d轴开关函数以及q轴开关函数为：

其中，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数；α＝1为第一优化参数；β＝60为第二优化参数；γ＝3为第三优化参数；r_a1＝2Ω为第一注入阻尼；r_a2＝22Ω为第二注入阻尼；r_a3＝1Ω为第三注入阻尼；R＝0.5Ω为电感、电压源和开关器件的等效电阻之和，C＝800uF为所述直流电源电容，u_dc为所述直流电源电压，u_dcr为期望直流电源电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，R_L＝80Ω为等效负载；ω为交流电源变换角速度；I_m为稳定运行时交流相电流的幅值，U_m为相电压幅值；

步骤3：控制器模块根据d轴开关函数以及q轴开关函数通过变换得到电压控制信号，根据空间矢量脉宽调制算法对所述整流桥功率开关管进行控制，将所述交流电源模块输出的交流电整流为直流电；

作为优选，步骤3中所述电压控制信号为u_α、u_β，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数通过下式计算得u_d、u_q并通过坐标转换为u_α、u_β；

控制器模块接收到S_d、S_q信号后经过转化生成u_α、u_β信号，然后根据u_α、u_β信号通过空间矢量脉宽调制生成IGBT控制脉冲信号，并传递给功率开关管可控整流桥；

功率开关管可控整流桥根据接收的IGBT控制脉冲信号控制通断，以达到将交流电源模块输送来的交流电转化为期望值的直流电，并将整流后的直流电传递给直流电源。

尽管本文较多地使用了交流电源模块、电压信号采集传感器、锁相环、电流信号采集传感器、控制器模块、整流桥功率开关管、直流电源等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统，其特征在于包括：交流电源模块、电压信号采集传感器、锁相环、电流信号采集传感器、控制器模块、整流桥功率开关管、直流电源；

所述交流电源模块与所述整流桥功率开关管通过导线连接；所述整流桥功率开关管与所述直流电源通过导线连接；所述交流电源模块与所述电压信号采集传感器通过导线连接；所述电压信号采集传感器与所述锁相环通过导线连接；所述交流电源模块与所述电流信号采集传感器通过导线连接；所述电压信号采集传感器与所述控制器模块通过导线连接；所述锁相环与所述控制器模块通过导线连接；所述电流信号采集传感器与所述控制器模块通过导线连接；所述控制器模块与所述整流桥功率开关管通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统，其特征在于：所述交流电源模块用于提供三相交流电并由交流电网直接提供；所述电压信号采集传感器用于采集三相交流电的电压信号；所述锁相环根据瞬时三相交流电的电压信号生成角度信号并传输至控制器模块；所述电流信号采集传感器用于采集三相交流电的电流信号；所述控制器模块用于对三相交流电的电压信号以及电流信号进行坐标变化，并进行基于优化参数及注入阻尼的空间矢量脉宽调制算法控制；所述整流桥功率开关管根据所述控制器模块控制将三相交流电整流成直流电；所述用于直流电源提供直流电源。

3.一种利用权利要求1所述的基于优化参数及注入阻尼的无源控制系统进行基于优化参数及注入阻尼的无源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过电压信号采集传感器采集三相电压，通过电流信号采集传感器采集三相电流，根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流；

步骤2：根据坐标轴电压以及电流构建具有耗散的端口受控哈密顿数学模型；

步骤3：控制器模块根据d轴开关函数以及q轴开关函数通过变换得到电压控制信号，根据空间矢量脉宽调制算法对所述整流桥功率开关管进行控制，将所述交流电源模块输出的交流电整流为直流电。

4.根据权利要求3所述的基于优化参数及注入阻尼的无源控制方法，其特征在于，步骤1中所述通过电压信号采集传感器采集三相电压为A相电压u_a，B相电压u_b，C相电压u_c；

步骤1中所述通过电流信号采集传感器采集三相电流为A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c；

步骤1中所述根据坐标变换计算坐标轴电压以及电流：

A相电压u_a，B相电压u_b，C相电压u_c通过dq坐标变换转换为d轴电压u_d，q轴电压u_q；

A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c通过dq坐标变换转换为d轴电流i_d，q轴电流i_q。

5.根据权利要求3所述的基于优化参数及注入阻尼的无源控制方法，其特征在于，步骤2中所述具有耗散的端口受控哈密顿数学模型为：

其中，J＝-J^T表示系统内部互联矩阵，R^*＝R^T≥0表示系统的耗散，各矩阵表达式为

x₁＝Li_d、x₂＝Li_q、x₃＝Cu_dc

其中，L为网测等效电感，R为电感、电压源和开关器件的等效电阻之和，C为所述直流电源电容，u_dc为所述直流电源电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，R_L为等效负载，ω为交流电源变换角速度，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数；

d轴开关函数以及q轴开关函数为：

其中，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数；α为第一优化参数；β为第二优化参数；γ为第三优化参数；r_a1为第一注入阻尼；r_a2为第二注入阻尼；r_a3为第三注入阻尼；R为电感、电压源和开关器件的等效电阻之和，C为所述直流电源电容，u_dc为所述直流电源电压，u_dcr为期望直流电源电压，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，R_L为等效负载；ω为交流电源变换角速度；I_m为稳定运行时交流相电流的幅值，U_m相电压幅值。

6.根据权利要求3所述的基于优化参数及注入阻尼的无源控制方法，其特征在于，步骤3中所述电压控制信号为u_α、u_β，S_d为d轴开关函数，S_q为q轴开关函数通过下式计算得u_d、u_q并通过坐标转换为u_α、u_β；

控制器模块接收到S_d、S_q信号后经过转化生成u_α、u_β信号，然后根据u_α、u_β信号通过空间矢量脉宽调制生成IGBT控制脉冲信号，并传递给功率开关管可控整流桥；

功率开关管可控整流桥根据接收的IGBT控制脉冲信号控制通断，以达到将交流电源模块输送来的交流电转化为期望值的直流电，并将整流后的直流电传递给直流电源。