CN109600063A - 一种svpwm与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其包括以下步骤：A：建立二电平并网逆变器数学模型，获取逆变器输出电流的微分表达式；B：基于电流的微分表达式推导相应的状态空间方程，选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模,将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分；C：通过电流前馈解耦实现电流无耦合控制以减小相应的控制偏差；本发明具有良好的动稳态性能，同时能保证开关频率较低，能完全满足并网要求，具有良好的实用性，通过电流前馈解耦实现电流无耦合控制，减小相应的控制偏差，跟踪精度高，开关损耗低，数字化容易等优点。

Description

一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法。

背景技术

世界范围内对能源需求的持续增长，促生了兆瓦级再生能源发电系统的发展，SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形，空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使获得理想圆形磁链轨迹，SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。

SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等，在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到，两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

并网逆变器的另一种较为常见的控制方法是滑模控制，它由一个内环和一个外环组成，内环是电感电流控制，外环是输出电压控制，由此组成双环调节方案来控制逆变器，这些回路包括补偿，以应付可变操作点的条件，并对输入电压和输出电流扰动具有很高的鲁棒性，滑模变结构控制算法用于推导功率转换器的切换，Lyapunov函数方法更容易实现滑模，但它不能解耦滑动面的三个组成部分，滑动面解耦方法需要更多的数学运算，但是在转换之后，它可以单独控制新滑动面的三个组成部分，这样可以更轻松地进行开关频率分析。

传统的PWM跟踪进度低，开关损耗高，实现数字化难度较大；滑模变结构控制能良好的维持系统的稳定性和鲁棒性，但是却不能有效地保证系统的控制精度，dq轴电流耦合存在控制偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其包括以下步骤：

A：建立二电平并网逆变器数学模型，获取逆变器输出电流的微分表达式；

B：基于电流的微分表达式推导相应的状态空间方程，选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模,将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分；

C：通过电流前馈解耦实现电流无耦合控制以减小相应的控制偏差。

在另一较佳实施例中，所述步骤A中，所述逆变器输出电流的微分表达式为其中，R_g表示网侧电阻，L_g表示网侧电感，I_i表示网侧电流，U_i表示直流侧电压，V_ig表示网侧电压，其中i＝a,b,c表示三相。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，基于电流的微分表达式推导相应的状态空间方程包括根据所述电流的微分表达式得到电流在三相静止坐标系下的状态方程：

其中 通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换公式：得到电流在d,q轴上的空间状态方程：其中，I_d表示网侧三相电流经3s/2r变换后的d轴电流分量，I_q表示网侧三相电流经3s/2r变换后的q轴电流分量，表示I_d的微分形式,表示I_q的微分形式，R_g表示网侧电阻，L_g表示网侧电感，U_d表示逆变器侧经3s/2r变换后的d轴电压分量，U_q表示逆变器侧经3s/2r变换后的q轴电压分量，V_d表示网侧经3s/2r变换后的d轴电压分量，V_q表示网侧经3s/2r变换后的q轴电压分量，ω表示角频率。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，所述选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模包括选取并网电流i_g以d轴和q轴的两个模型参考误差其中，E_d表示d轴电流与d轴参考电流的误差，E_q表示q轴电流与q轴参考电流的误差；I_dm表示d轴参考电流I_qm表示q轴参考电流；选取滑模函数s_j＝E_j，滑模趋近率j＝d，q表示d轴和q轴，k_j表示趋近率收敛参数，k_i>0，α_j表示趋近率滑动参数，0<α_j<1。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分包括根据并网电流i_g以d轴和q轴的两个模型参考误差和滑模函数s_j＝E_j，滑模趋近率

q可得实现将滑模与空间状态方程相结合,其中表示I_dm的微分形式，表示I_qm的微分形式。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，当k_d＞0，k_q＞0，和构建李雅普诺夫函数对所述李雅普诺夫函数进行求导可得满足滑模的可达性，其中，V表示李雅普诺夫函数，表示李雅普诺夫函数的导数，表示E_d的导数，表示E_q的导数。

在另一较佳实施例中，所述步骤C中，所述状态空间方程的控制率为取所述状态空间方程带有滑模趋近率的控制率为：代入原控制率实现前馈解耦。

本发明的有益效果是：

建立二电平并网逆变器数学模型，获取逆变器输出电流的微分表达式；通过电流的微分表达式推导相应的状态空间方程，选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模,将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分，具有良好的动稳态性能，同时能保证开关频率较低，能完全满足并网要求，具有良好的实用性，通过电流前馈解耦实现电流无耦合控制，减小相应的控制偏差，跟踪精度高，开关损耗低，数字化容易。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的电路原理图；

图2为本发明一较佳实施例的SVPWM空间扇区分布图；

图3为本发明一较佳实施例的基于SVPWM电压空间矢量在I扇区的合成分解示意图；

图4为本发明一较佳实施例的简化滑膜算法流程图；

图5为本发明一较佳实施例的基于参考模型的滑膜相结合的系统控制框图；

图6为本发明一较佳实施例的网侧电压电流波形图；

图7为本发明一较佳实施例的网侧电流指令值发生改变波形图；

图8为本发明一较佳实施例的网侧a相电压发生改变波形图；

图9为本发明一较佳实施例的逆变器侧U_ab线电压波形图；

图10为本发明实施例的逆变器侧U_an相电压波形图。

具体实施方式

实施例，参见图1至图4所示，本发明的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其包括以下步骤：

A：参见图1建立二电平并网逆变器数学模型，V1至V6表示6个开关管，其中V1、V3和V5为上桥臂开关管，对应的V4、V6和V2表示下桥臂开关管，V1开通则V4关断用二进制数1表示，V1关断则V4开通用二进制数0表示，V3和V6，V5和V2同理，即通过3位二进制数ABC表示上桥臂和下桥臂的开关情况，定义开关状态S_x(x＝A,B,C)，参见图2所示，逆变器三路逆变桥的组态共有8种，对于不同的开关状态组合，可以得到8个基本电压空间矢量，各矢量为：参见图3和图4所示，参考向量的作用时间：T₁+T₂+T₀＝T_S；T₁，T₂，T₀分别为和零矢量或的作用时间，T_s为一个开关周期，V_ref，参考向量，θ为合成矢量与主矢量的夹角。

获取逆变器输出电流的微分表达式：其中，R_g表示网侧电阻，L_g表示网侧电感，I_i表示网侧电流，U_i表示直流侧电压，V_ig表示网侧电压，其中i＝a,b,c表示三相。

B：基于电流的微分表达式推导相应的状态空间方程，根据所述电流的微分表达式得到电流在三相静止坐标系下的状态方程：

其中 通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换公式：得到电流在d,q轴上的空间状态方程：其中，I_d表示网侧三相电流经3s/2r变换后的d轴电流分量，I_q表示网侧三相电流经3s/2r变换后的q轴电流分量，表示I_d的微分形式,表示I_q的微分形式，R_g表示网侧电阻，L_g表示网侧电感，U_d表示逆变器侧经3s/2r变换后的d轴电压分量，U_q表示逆变器侧经3s/2r变换后的q轴电压分量，V_d表示网侧经3s/2r变换后的d轴电压分量，V_q表示网侧经3s/2r变换后的q轴电压分量，ω表示角频率。

选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模包括选取并网电流i_g以d轴和q轴的两个模型参考误差其中，E_d表示d轴电流与d轴参考电流的误差，E_q表示q轴电流与q轴参考电流的误差；I_dm表示d轴参考电流I_qm表示q轴参考电流；选取滑模函数s_j＝E_j，滑模趋近率q表示d轴和q轴，k_j表示趋近率收敛参数，k_i>0，α_j表示趋近率滑动参数，0<α_j<1。

将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分包括根据并网电流i_g以d轴和q轴的两个模型参考误差和滑模函数s_j＝E_j，滑模趋近率q可得实现将滑模与空间状态方程相结合,其中表示I_dm的微分形式，表示I_qm的微分形式，本实施例中将趋近率收敛参数k_i作为系数，α_j趋近率滑动参数作为指数实现将滑模与空间状态方程相结合，可只采用其中一种参数进行结合，或者引进新的与滑模相关的参数进行结合，本实施例不再赘述。

当k_d＞0，k_q＞0，和构建李雅普诺夫函数对所述李雅普诺夫函数进行求导可得满足滑模的可达性，其中，V表示李雅普诺夫函数，表示李雅普诺夫函数的导数，表示E_d的导数，表示E_q的导数。

C：所述状态空间方程的控制率为取所述状态空间方程带有滑模趋近率的控制率为：代入原控制率实现前馈解耦，减小相应的控制偏差。

参见图5至图10，本实施例的仿真分析：基于MATLAB/Simulink搭建如图5所示的仿真模型，仿真参数为：直流母线电压800V，电网相电压幅值311V，交流侧电感L＝0.001H，电阻R＝0.01Ω，具体参数参见表1：

表1仿真参数

图6为网侧电压电流稳态波形，图7则为t＝0.05s时，电流指令改变时动态波形；图8为网侧a相电压发生改变波形图，由图6和图7可知，本发明的简化滑模策略能保证网侧电压电流同相位运行、电流跟踪效果良好，由图9和图10可以看到电网的谐波误差满足相应的电网规约。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

A：建立二电平并网逆变器数学模型，获取逆变器输出电流的微分表达式；

B：基于电流的微分表达式推导相应的状态空间方程，选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模,将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分；

C：通过电流前馈解耦实现电流无耦合控制以减小相应的控制偏差。

2.根据权利要求1所述的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：步骤A中，所述逆变器输出电流的微分表达式为其中，R_g表示网侧电阻，L_g表示网侧电感，I_i表示网侧电流，U_i表示直流侧电压，V_ig表示网侧电压，其中i＝a,b,c表示三相。

3.根据权利要求2所述的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：步骤B中，基于电流的微分表达式推导相应的状态空间方程包括根据所述电流的微分表达式得到电流在三相静止坐标系下的状态方程：

其中 通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换公式：

得到电流在d,q轴上的空间状态方程：

其中，I_d表示网侧三相电流经3s/2r变换后的d轴电流分量，I_q表示网侧三相电流经3s/2r变换后的q轴电流分量，表示I_d的微分形式,表示I_q的微分形式，R_g表示网侧电阻，L_g表示网侧电感，U_d表示逆变器侧经3s/2r变换后的d轴电压分量，U_q表示逆变器侧经3s/2r变换后的q轴电压分量，V_d表示网侧经3s/2r变换后的d轴电压分量，V_q表示网侧经3s/2r变换后的q轴电压分量，ω表示角频率。

4.根据权利要求3所述的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：步骤B中，所述选取合适的滑动模式逆变器输出的d轴和p轴滑模包括选取并网电流i_g以d轴和q轴的两个模型参考误差其中，E_d表示d轴电流与d轴参考电流的误差，E_q表示q轴电流与q轴参考电流的误差；I_dm表示d轴参考电流I_qm表示q轴参考电流；选取滑模函数s_j＝E_j，滑模趋近率j＝d，q表示d轴和q轴，k_j表示趋近率收敛参数，k_i>0，α_j表示趋近率滑动参数，0<α_j<1。

5.根据权利要求4所述的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：步骤B中，将所述状态空间方程其作为滑动模型电流控制目标函数的一部分包括根据并网电流i_g以d轴和q轴的两个模型参考误差和滑模函数s_j＝E_j，滑模趋近率j＝d，q可得实现将滑模与空间状态方程相结合,其中表示I_dm的微分形式，表示I_qm的微分形式。

6.根据根据权利要求5所述的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：步骤B中，当k_d＞0，k_q＞0，和构建李雅普诺夫函数对所述李雅普诺夫函数进行求导可得满足滑模的可达性，其中，V表示李雅普诺夫函数，表示李雅普诺夫函数的导数，表示E_d的导数，表示E_q的导数。

7.根据权利要求6所述的一种SVPWM与滑模变结构的相结合的并网逆变器控制方法，其特征在于：步骤C中，所述状态空间方程的控制率为取所述状态空间方程带有滑模趋近率的控制率为：代入原控制率实现前馈解耦。