CN109347355A - 九开关型并网逆变器的数学模型及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种九开关型并网逆变器的数学模型及控制方法,该九开关型并网逆变器的数学模型是基于单个桥臂开关函数的数学模型;该模型降低了由于九开关变换器自身结构导致的中间三个开关管耦合作用而带来的控制系统设计困难。本发明基于恒定电压外环控制、参数自适应电流内环控制的九开关型并网逆变器实现单位功率因数逆变稳定运行,采用自适应遗传算法对电流控制器的参数进行在线寻优,解决传统控制器在设定值跟随性能和干扰抑制特性不能同时达到最优的问题,提高了控制系统的自适应性,减少了达到稳态的时间和抗扰动能力,提高并网逆变器系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及并网逆变器控制领域,特别涉及一种九开关型并网逆变器的 数学模型及控制方法。
背景技术
随着功率逆变器小型化、高可靠性和低功耗的不断发展,各国学者对功 率逆变器拓扑结构的改进,及其相应的控制方法做出了大量工作,并取得了 大量成果。然而对于九开关逆变器并网的模型和控制并不多见,现有的控制 模型多数是基于单个开关管建立的,例如专利号为2016103299902,发明名 称为九开关变换器的直接功率控制系统及控制方法的中国专利公开了单个 开关管建立的模型。而基于A,B,C单个桥臂的模型并不多见,这给整个控制 系统的设计带来难度。
九开关逆变器相对于传统六开关逆变器能实现两路三相交流输出,可实 现两个三相交流负载的独立控制。同时,九开关逆变器相对于传统背靠背两 电平12开关逆变器减少了3个开关器件及其驱动电路,该种拓扑结构在成 本和体积上具有一定优势。近年来得到了广泛关注。
发明内容
本发明鉴于单个桥臂开关函数建立九开关型并网逆变器的数学模型,针 对九开关逆变器的拓扑结构,第一个目的是提供一种单个桥臂开关函数的九 开关型并网逆变器的数学模型,同时该模型大大的简化了控制系统的设计难 度。九开关型并网逆变器的数学模型是基于A,B,C单个桥臂的开关函数模 型,其中A桥臂由开关SAH,SAM,SAL构成,B桥臂由开关SBH,SBM,SBL构成,C 桥臂由开关SCH,SCM,SCL构成。
本发明的第二个目的是提供一种九开关型并网逆变器的控制方法,实现 对九开关并网的双闭环控制,使控制方式实现灵活多样。
本发明的技术方案是,一种九开关型并网逆变器的数学模型,包括:
根据基尔霍夫定律和图1所示的九开关逆变器的拓扑结构,建立九开关 逆变器基于单个桥臂的数学模型。再如图4所示的,将九开关逆变器接入电 网,进而建立九开关型并网逆变器基于单个桥臂的数学模型。
优选地,所述九开关型并网逆变器包含九个电力开关管,将每个开关的 状态定义如下式:
式中X=A,B,C;I=H,M,L。其中XI分别表示九个开关管。
由九开关逆变器的开关约束条件可知每相桥臂的开关状态 为:
式中a,b,c表示三相逆变桥;k=0,1,2……26。表示每相桥臂有3种开关状 态。
定义每个桥臂的开关函数
优选地,所述九开关型并网逆变器数学模型表示为:
式中Ls1,Ls2表示交流侧滤波电感;Rs1,Rs2表示功率开关管损耗等效电阻 与交流滤波电感等效电阻之和;Udc表示直流侧电压值;eA1,eB1,eC1;eA2,eB2,eC2表示电网电压值;iA1,iB1,iC1;iA2,iB2,iC2表示交流侧电流值。从式(4)可以看出可 以将九开关逆变器等效为两个六开关逆变器分别进行控制,不会因为中间三 个开关管的耦合作用而增加控制难度。
本发明提供的另一个技术方案是:一种九开关型并网逆变器的控制方 法,包括以下步骤:
步骤一、采集九开关型并网逆变器的三相交流侧输出电压信号uA1,B1,C1和uA2,B2,C2。将九开关型并网逆变器的三相输出电压信号与给定的参考电压 信号进行比较,得到电压误差信号;
步骤二、将所述电压误差信号经过电压PI控制器生成参考电流信号;
步骤三、采集九开关型并网逆变器的三相交流侧输出电流信号iA1,B1,C1和iA2,B2,C2。将电流信号与步骤二得到的参考电流信号进行比较,得到误差 电流信号和误差变化率;
步骤四、将所述误差电流信号和误差变化率送入自适应遗传算法控制器 的输入端;
步骤五、所述自适应遗传算法控制器以误差和误差变化率作为输入,使 用自适应遗传算法对电流调节器的参数kp、ki进行在线优化,直至参数收敛 或达到预定的指标;
步骤六、根据所述优化的参数kp、ki实时的修改电流调节器的控制参数; 通过所述电流调节器得到并网逆变器的输出电压指令值;
步骤七、根据并网逆变器的输出电压指令值,即调节后的d-q坐标系下的 两相电压u* d1,u* q1和u* d2,u* q2。,变换到三相静止a-b-c坐标系下的u* A1,u* B1, u* C1和u* A2,u* B2,u* C2进行SVPWM控制,即可生成相应驱动脉冲控制九开关 逆变桥IGBT的通断。从而使并网逆变器的功率输出端产生预期的输出电压。
本发明的有益效果是提供一种基于单个桥臂开关函数的九开关逆变器 数学模型。由于九开关逆变器中间三个开关SAM,SBM,SCM的复用导致这三个开 关是耦合的,建立数学模型难度很大,一般的九开关逆变器的数学模型是基 于单个开关管建立的。基于单个桥臂开关函数的九开关逆变器数学模型有效 的将这种耦合关系包含在单个桥臂开关函数中,降低了控制系统的设计难 度。
同时采用自适应遗传算法对电流控制器的参数进行在线寻优,解决传统 控制器在设定值跟随性能和干扰抑制特性不能同时达到最优的问题,提高了 控制系统的自适应性,减少了达到稳态的时间和抗扰动能力,提高并网逆变 器系统的性能。
附图说明
图1九开关型并网逆变器的拓扑结构示意图;
图2两相同步旋转坐标系d-q下九开关型并网逆变器开关函数模型结 构图;
图3电流内环基于自适应的PI控制参数优化示意图;
图4九开关型并网逆变器的控制框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明:
一种九开关型并网逆变器的数学模型及控制方法包括以下步骤:
步骤一、建立九开关逆变器数学模型;图1所示为九开关型并网逆变器 的拓扑,由图1可知九开关型并网逆变器包含九个IGBT开关管,将每个开 关的状态定义如下式:
式中X=A,B,C;I=H,M,L。其中XI分别表示九个开关管。
由九开关逆变器的开关约束条件可知每相桥臂的开关状态 为:
式中a,b,c表示三相逆变桥;k=0,1,2……26,表示每相桥臂有3种开关 状态,三相桥臂共27种状态。
表Ⅰ九开关逆变器A桥臂开关状态
由表Ⅰ和式(2)以及图1所示九开关拓扑结构可以得到九开关逆变器上、 下交流端每相逆变桥输出点A1,B1,C1,A2,B2,C2到直流电源负极n之间的电 压与开关函数之间的关系为:
假设图1中九开关逆变器三相电压和三相负载处于平衡状态,由基尔霍 夫电流电压定律可以得到上下交流侧的相电压:
其中
式(5)中A,B,C表示三相逆变桥;sgn(·)表示符号函数。
进一步地,图4所示为九开关型并网逆变器的控制框图,由图4可知, 将九开关逆变器接入电网,建立九开关型并网逆变器基于单个桥臂的数学模 型,对九开关型并网逆变器上交流端A1相回路,由基尔霍夫电压定律可知
同理,可得上端B1相、C1相方程如下:
综上,九开关上交流端电压方程为:
同理,九开关下交流端电压方程为:
进而得到九开关型并网逆变器在三相静止对称坐标系(a-b-c)中的数学 模型:
图2所示为两相同步旋转坐标系d-q下九开关型并网逆变器开关函数模 型结构图。由于三相静止对称坐标系中的数学模型交流侧均为时变交流量, 不利于控制系统设计,故可将其通过坐标变换转换为以电网基波频率同步旋 转坐标系下的九开关型并网逆变器的数学模型,将基波正弦变量转换为直流 变量,简化控制系统设计难度,实现无静差控制,如下式:
式中Ls1,Ls2表示网侧滤波电感;Rs1,Rs2表示功率开关管损耗等效电阻与 交流滤波电感等效电阻之和;ω1,ω2表示三相工频交流量的角频率; ud1,ud2;uq1,uq2表示三相静止坐标系下的上端和下端交流侧输出电压转换到 两相同步旋转坐标系下的电压值;ed1,ed2;eq1,eq2表示三相静止坐标系下的上 端和下端电网侧交流电压转换到两相同步旋转坐标系下的电压值; id1,iq1;id2,iq2表示三相静止坐标系下的上端和下端交流侧输出电流转换到两 相同步旋转坐标系下的电流值。
步骤二、九开关型并网逆变器的电流内环解耦控制策略设计,九开关型 并网逆变器在同步旋转d-q坐标系下数学模型:
式中P是微分算子;
由式(13)知该数学模型的d-q轴变量相互耦合,因而给控制器设计造成 一定困难。为此,可采用前馈解耦控制策略,这种前馈解耦起到削弱耦合的 补偿作用,本质上是一种开环结构,所以不会影响系统稳定性。当电流调节 器采用PI调节器时,则ud1,uq1,ud2,uq2的控制方程如下:
式中,kP1,kP2;kI1,kI2分别是电流内环比例调节增益和积分调节增益; 分别是id1,iq1电流参考值,分别是id2,id2电流参考值。
将式(14)代入式(13),并化简得到
显然式(15)表明:基于前馈的控制策略使得九开关型并网逆变器电流内 环id1iq1id2iq2实现了解耦控制。
在本发明中电流内环PI调节器的参数kP1,kP2;kI1,kI2采用自适应遗 传算法进行实时整定。参数自适应遗传算法整定参数的结构如图3所示。自 适应遗传算法在线PID整定即是在每个采样时间分别对PID参数进行整定。 采用遗传算法在线整定PID,就是针对每个采样时间实现PID控制参数的遗 传算法优化。在采样时间k,选取足够多的个体,计算不同个体的自适应度, 通过遗传算法的优化,选择自适应度大的个体所对应的PID控制参数作为该 采样时间下PID的控制参数。
步骤二中电流内环的输出值为电压指令值,该电压指令值作为PWM的 调制信号,产生用于控制并网逆变器开关管通断的控制信号,从而使并网逆 变器的功率输出端产生预期的输出电压。
步骤三、设计九开关型并网逆变器的电压外环控制策略,将外环控制的 输出值作为步骤二中电流内环解耦控制的参考值,具体如下:
采集九开关型并网逆变器上下交流侧三相电压uA1,uB1,uC1;uA2,uB2,uC2经 过d-q变换后可得到ud1,uq1;ud2,uq2。在系统单位功率因数逆变稳定运行时, 取d轴与a轴重合,q轴超前d轴90°,稳态运行时并网侧三相正弦电压 eA1,eB1,eC1;eA2,eB2,eC2。在d-q坐标系下的分解值记为ed1,eq1;ed2,eq2,在恒定电 压控制时q轴设定值为零。电压外环的输出作为电流内环的参考值。
如图4所示九开关型并网逆变器的控制框图,基于恒定电压外环控制、 参数自适应电流内环控制的九开关型并网逆变器实现单位功率因数逆变稳 定运行,采用自适应遗传算法对电流控制器的参数进行在线寻优,解决传统 控制器在设定值跟随性能和干扰抑制特性不能同时达到最优的问题,提高了 控制系统的自适应性,减少了达到稳态的时间。
需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因 此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人 员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范 围。
Claims (3)
1.一种九开关型并网逆变器的数学模型,该九开关型并网逆变器包括基于单个桥臂开关函数的数学模型、九开关逆变器和电网,所述九开关逆变器包括三个桥臂、直流侧电容、上端负载、下端负载、上端电压检测电路、下端电压检测电路、上端电流检测电路、下端电流检测电路、AD转换电路、绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动电路、控制电路,每个桥臂分别串联三个IGBT;所述直流侧电容的一端与直流母线电压的正极相连,另一端与直流母线电压的负极相连;上端电压检测电路的输入与上端负载的两端相连,其输出连接到AD转换电路的输入端;下端电压检测电路的输入与下端负载的两端相连,其输出连接到AD转换电路的输入端;上端电流检测电路的输入与上端负载串联,其输出连接到AD转换电路的输入端;下端电流检测电路的输入与下端负载串联,其输出连接到AD转换电路的输入端;AD转换电路输出uA1,B1,C1、uA2,B2,C2和iA1,B1,C1、iA2,B2,C2连接到控制电路的输入端;控制电路的输出连接到IGBT驱动电路的输入端;IGBT驱动电路的输出端连接到九开关逆变器的开关器件的控制信号输入端,
其特征是:将九开关逆变器接入电网,并建立九开关逆变器的数学模型,根据所述九开关逆变器的数学模型建立九开关型并网逆变器的数学模型,
所述九开关逆变器的数学模型为:
定义IGBT的开关状态如下:
式中X=A,B,C;I=H,M,L,其中SXI分别表示九个IGBT,
由九开关逆变器的开关约束条件可知每相桥臂的开关状态为:
式中a,b,c表示三相逆变桥;k=0,1,2……26,表示每个桥臂的开关状态,共27种状态,
定义开关函数如下
式中A,B,C表示三相逆变桥;sgn(·)表示符号函数,
进一步得到九开关逆变器的数学模型如下:
其中Udc表示直流侧电压值;uA1,n1,uB1,n1,uC1,n1,uA2,n2,uB2,n2,uC2,n2表示上下三相输出电压;
所述九开关型并网逆变器的数学模型为:
式中Ls1,Ls2表示交流侧滤波电感;Rs1,Rs2表示功率开关管损耗等效电阻与交流滤波电感等效电阻之和;Udc表示直流侧电压值;eA1,eB1,eC1,eA2,eB2,eC2表示电网电压值;iA1,iB1,iC1,iA2,iB2,iC2表示交流侧电流值。
2.根据权利要求1所述的一种九开关型并网逆变器的数学模型,其特征是:所述九开关逆变器的上下三相输出端分别接入上端和下端电网。
3.一种根据权利要求1所述的九开关型并网逆变器的数学模型的控制方法,其特征是:采用双闭环控制,所述双闭环控制为,AD转换电路输出的uA1,B1,C1、uA2,B2,C2连接电压控制器输入端作为电压外环,电压控制器输出和AD转换电路输出的iA1,B1,C1、iA2,B2,C2连接电流控制器输入端作为电流内环,电压控制器使用普通PI控制器,电流控制器采用自适应PI控制器;采用空间电压矢量PMW调制方法对并网逆变器实现基于电压定向的矢量控制,
包括以下步骤:
步骤一、将AD转换电路输出的uA1,B1,C1、uA2,B2,C2经过坐标变换得到ud1,uq1、ud2,uq2与给定的参考电压信号u* d1,u* q1、u* d2,u* q2进行比较,得到电压误差信号△ud1,△uq1、△ud2,△uq2;
步骤二、将步骤一所述电压误差信号△ud1,△uq1、△ud2,△uq2经过电压控制器生成参考电流信号i* d1,i* q1、i* d2,i* q2;
步骤三、将AD转换电路输出的iA1,B1,C1、iA2,B2,C2经过坐标变换得到id1,iq1、id2,iq2与步骤二得到的参考电流信号i* d1,q1、i* d2,q2进行比较,得到电流误差信号△id1,△iq1、△id2,△iq2;
步骤四、将步骤三所述电流误差信号△id1,△iq1、△id2,△iq2送入自适应遗传算法控制器的输入端,使用自适应遗传算法对电流控制器的参数kp、ki进行在线优化,直至参数收敛或达到预定的指标;
步骤五、根据步骤四所述优化的参数kp、ki实时的修改电流控制器的控制参数kp、ki;电流控制器输出并网逆变器的电压指令值;
步骤六、根据步骤五得到的输出电压指令值产生用于控制并网逆变器开关管通断的控制信号,从而使并网逆变器的功率输出端产生预期的输出电压。
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