CN110212792A - 基于vienna整流器的反推控制器的控制方法及系统 - Google Patents

基于vienna整流器的反推控制器的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，包括：获取VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；对电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值；根据直流侧电压期望值以及实际电压值确定d轴电流期望控制量；根据d轴电流期望控制量、d轴电流值、q轴电流值以及d轴电压值确定d轴电压实际控制量；根据q轴电流期望控制量、d轴电流值、q轴电流值以及q轴电压值确定q轴电压实际控制量；根据d轴电压实际控制量、q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。采用该控制方法能实现dq轴电流的跟踪与直流侧电压的稳定。

Description

基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及VIENNA整流器控制领域，特别是涉及一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法及系统。
背景技术
在对VIENNA整流器的仿真实验中，通常通过直流电压环PI对VIENNA整流器进行控制，但电压环PI的调节速度一般比较慢，在突加或突卸负载时，VIENNA整流器输出有功功率会突然变化，造成直流输出侧电容的过放或过充，从而导致直流输出电压欠压或超调，在直流输出电压欠压或超调的过程中，因电压环PI控制器不能根据输出电压的变化进行快速的校正，在受到扰动后，电压会发生大幅度跌落或上升，给装置本身造成非常大的安全隐患，直流输出电压恢复至稳态的时间比较长。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法及系统，以解决传统的电压环PI控制器不能根据输出电压的变化进行快速的校正，在受到扰动后，电压会发生大幅度跌落或上升，给装置本身造成非常大的安全隐患，直流输出电压恢复至稳态的时间比较长的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，包括：
获取VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；所述电压电流参数包括实际电压值、三相电流以及三相电压；
对所述电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值；
根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量；
根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量；
根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量；
根据所述d轴电压实际控制量、所述q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。
可选的，所述根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量，具体包括：
根据公式确定d轴电流期望控制量；其中，id *为d轴电流期望控制量；e1为直流侧电压误差；Udc为直流侧实际电压；C为直流侧上下电容；E为单相电压值；Rl为负载侧电阻；k1为电压调节系数。
可选的，所述根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量，具体包括：
根据公式确定d轴电压实际控制量；其中，Vd为d轴电压实际控制量；Ud为d轴电压值；Rs为交流侧电阻；id为d轴电流值；Ls为交流侧电感；ω为电压矢量旋转角速度；iq为q轴电流值；k2为d轴电流调节系数；e2为d轴电流的误差量，e2＝id-id *，id *为d轴电流期望控制量；
可选的，所述根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量，具体包括：
根据公式Vq＝Uq-Rs·iq+Ls·ω·id+Ls·k3·e3确定q轴电压实际控制量；其中，Vq为q轴电压实际控制量；Uq为q轴电压值；k3为q轴电流调节系数；e3为q轴电流的误差量，e3＝iq-iq *，iq *为q轴电流期望控制量。
一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统，包括：
参数获取模块，用于获取VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；所述电压电流参数包括实际电压值、三相电流以及三相电压；
dq变换处理模块，用于对所述电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值；
d轴电流期望控制量确定模块，用于根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量；
d轴电压实际控制量确定模块，用于根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量；
q轴电压实际控制量确定模块，用于根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量；
SVPWM调制信号生成模块，用于根据所述d轴电压实际控制量、所述q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。
可选的，所述d轴电流期望控制量确定模块具体包括：
d轴电流期望控制量确定单元，用于根据公式确定d轴电流期望控制量；其中，id *为d轴电流期望控制量；e1为直流侧电压误差；Udc为直流侧实际电压；C为直流侧上下电容；E为单相电压值；Rl为负载侧电阻；k1为电压调节系数。
可选的，所述d轴电压实际控制量确定模块具体包括：
d轴电压实际控制量确定单元，用于根据公式确定d轴电压实际控制量；其中，Vd为d轴电压实际控制量；Ud为d轴电压值；Rs为交流侧电阻；id为d轴电流值；Ls为交流侧电感；ω为电压矢量旋转角速度；iq为q轴电流值；k2为d轴电流调节系数；e2为d轴电流的误差量，e2＝id-id *，id *为d轴电流期望控制量；
可选的，所述q轴电压实际控制量确定模块具体包括：
q轴电压实际控制量确定单元，用于根据公式Vq＝Uq-Rs·iq+Ls·ω·id+Ls·k3·e3确定q轴电压实际控制量；其中，Vq为q轴电压实际控制量；Uq为q轴电压值；k3为q轴电流调节系数；e3为q轴电流的误差量，e3＝iq-iq *，iq *为q轴电流期望控制量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法及系统，根据输出量需要满足的期望值入手，将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，根据中间期望控制量一步步反推到整个控制系统，得到整个系统的控制器。在所述给定的反推控制器的作用下，VIENNA整流器是指数渐进稳定的，反推控制中引入的虚拟控制本质上是一种静态补偿，前面子系统的稳定要依赖于后面子系统的虚拟控制，通过反推控制实现dq轴电流的跟踪与直流侧电压的稳定，从而实现VIENNA整流器的全局稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法流程图；
图2为本发明所提供的反推控制器电路图；
图3为本发明所提供的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统结构图；
图4为本发明所提供的VIENNA整流器PI控制下的直流侧电压动态响应图；
图5为本发明所提供的VIENNA整流器反推控制下的直流侧电压动态响应图；
图6为本发明所提供的VIENNA整流器PI控制下的dq轴电流动态响应图；
图7为本发明所提供的VIENNA整流器反推控制下的dq轴电流动态响应图。
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。
本发明的目的是提供一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法及系统，能够实现dq轴电流的跟踪与直流侧电压的稳定。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的VIENNA整流器反推控制器的控制方法流程图，如图1所示，一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，包括：
步骤101：获取VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；所述电压电流参数包括实际电压值、三相电流以及三相电压。
步骤102：对所述电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值。
步骤103：根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量。
首先定义直流侧电压误差为：e1＝Udc-Udc*，其中Udc*为直流侧期望电压，Udc为直流侧实际电压；选择e1为虚拟状态变量并构成子系统，为使直流侧电压误差趋于零，选择作为李雅普诺夫Lyapunov函数，并对该函数求导得：
当上式恒等于-k1e1(k1＞0)，可满足条件dV1/dt≤0，k1为电压调节系数。
对上式等号右侧进一步变换可得到关于d轴电流id的虚拟控制函数：
若实现上述虚拟控制函数，即可达到直流侧输出电压全局渐进跟踪稳定的目的，为了实现三相电压型VIENNA整流器的完全解耦和输出电压稳定，选择作为d轴电流id的期望控制量，iq作为q轴电流iq的期望控制量。
步骤104：根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量。
定义d轴电流的误差量e2＝id-id *，实现d轴电流id的跟踪，其中id为d轴实际的电流值，id*为d轴期望的电流值。选择e1、e2为新的虚拟态变量构成子系统，对上式求导可得：
对于新的系统可以设置新的Lyapunov函数对该函数求导
当上式恒等于-k2e2(k2＞0)，可满足条件dV2/dt≤0；k2为d轴电流调节系数，即可得d轴电压实际控制量：
步骤105：根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量。
定义q轴电流的误差量e3＝iq-iq *，其中iq为d轴实际的电流值，iq*为d轴期望的电流值，k3为q轴电流调节系数，设计出Lyapunov函数并得到q轴电压实际控制量Vq＝Uq-Rs·iq+Ls·ω·id+Ls·k3·e3。
步骤106：根据所述d轴电压实际控制量、所述q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。
图2为本发明所提供的反推控制器电路图，如图2所示，经反推控制器生成的实际电压控制量Vd，Vq经过电压空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)调制，实现对于VIENNA整流器中IGBT的导通和关断控制；在上述给定的反推控制器的作用下，VIENNA整流器是指数渐进稳定的，反推控制中引入的虚拟控制本质上是一种静态补偿，前面子系统的稳定要依赖于后面子系统的虚拟控制，可以通过反推控制来实现dq轴电流的跟踪与直流侧电压的稳定。
图3为本发明所提供的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统结构图，如图3所示，一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统，包括：
参数获取模块301，用于获取维也纳VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；所述电压电流参数包括实际电压值、三相电流以及三相电压。
dq变换处理模块302，用于对所述电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值。
d轴电流期望控制量确定模块303，用于根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量。
所述d轴电流期望控制量确定模块303具体包括：d轴电流期望控制量确定单元，用于根据公式确定d轴电流期望控制量；其中，id *为d轴电流期望控制量；e1为直流侧电压误差；Udc为直流侧实际电压；C为直流侧上下电容；E为单相电压值；Rl为负载侧电阻；k1为电压调节系数。
d轴电压实际控制量确定模块304，用于根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量。
所述d轴电压实际控制量确定模块304具体包括：d轴电压实际控制量确定单元，用于根据公式确定d轴电压实际控制量；其中，Vd为d轴电压实际控制量；Ud为d轴电压值；Rs为交流侧电阻；id为d轴电流值；Ls为交流侧电感；ω为电压矢量旋转角速度；iq为q轴电流值；k2为d轴电流调节系数；e2为d轴电流的误差量，e2＝id-id *，id *为d轴电流期望控制量；
q轴电压实际控制量确定模块305，用于根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量。
所述q轴电压实际控制量确定模块305具体包括：q轴电压实际控制量确定单元，用于根据公式Vq＝Uq-Rs·iq+Ls·ω·id+Ls·k3·e3确定q轴电压实际控制量；其中，Vq为q轴电压实际控制量；Uq为q轴电压值；k3为q轴电流调节系数；e3为q轴电流的误差量，e3＝iq-iq *，iq *为q轴电流期望控制量。
SVPWM调制信号生成模块306，用于根据所述d轴电压实际控制量、所述q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。
如图4-图7所示，本发明通过SVPWM调制信号控制IGBT的开通和关断，与传统的PI控制算法相比，反推控制在加入扰动后，负载侧电压有较好的稳定效果，无明显波动；dq轴电流有较快的动态响应速度。
同时，增强了系统的稳定性，减小了系统受到扰动时对于VIENNA整流器的影响，解决了传统的电压环PI控制方法不能根据输出电压的变化进行快速的校正，在受到扰动后，电压会发生大幅度跌落或上升，直流输出电压恢复至稳态的时间比较长的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，其特征在于，包括：
获取维也纳VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；所述电压电流参数包括实际电压值、三相电流以及三相电压；
对所述电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值；
根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量；
根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量；
根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量；
根据所述d轴电压实际控制量、所述q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成电压空间矢量脉宽调制SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，其特征在于，所述根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量，具体包括：
根据公式确定d轴电流期望控制量；其中，id *为d轴电流期望控制量；e1为直流侧电压误差；Udc为直流侧实际电压；C为直流侧上下电容；E为单相电压值；Rl为负载侧电阻；k1为电压调节系数。
3.根据权利要求2所述的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，其特征在于，所述根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量，具体包括：
根据公式确定d轴电压实际控制量；其中，Vd为d轴电压实际控制量；Ud为d轴电压值；Rs为交流侧电阻；id为d轴电流值；Ls为交流侧电感；ω为电压矢量旋转角速度；iq为q轴电流值；k2为d轴电流调节系数；e2为d轴电流的误差量，e2＝id-id *，id *为d轴电流期望控制量。
4.根据权利要求3所述的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制方法，其特征在于，所述根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量，具体包括：
根据公式Vq＝Uq-Rs·iq+Ls·ω·id+Ls·k3·e3确定q轴电压实际控制量；其中，Vq为q轴电压实际控制量；Uq为q轴电压值；k3为q轴电流调节系数；e3为q轴电流的误差量，e3＝iq-iq *，iq *为q轴电流期望控制量。
5.一种基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取VIENNA整流器直流侧的电压电流参数、直流侧电压期望值、q轴电流期望控制量；所述电压电流参数包括实际电压值、三相电流以及三相电压；
dq变换处理模块，用于对所述电压电流参数进行dq变换处理，确定d轴电流值、q轴电流值、d轴电压值以及q轴电压值；
d轴电流期望控制量确定模块，用于根据所述直流侧电压期望值以及所述实际电压值确定d轴电流期望控制量；
d轴电压实际控制量确定模块，用于根据所述d轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述d轴电压值确定d轴电压实际控制量；
q轴电压实际控制量确定模块，用于根据所述q轴电流期望控制量、所述d轴电流值、所述q轴电流值以及所述q轴电压值确定q轴电压实际控制量；
SVPWM调制信号生成模块，用于根据所述d轴电压实际控制量、所述q轴电压实际控制量以及锁相环输出角度θ生成电压空间矢量脉宽调制SVPWM调制信号，对所述VIENNA整流器进行控制。
6.根据权利要求5所述的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统，其特征在于，所述d轴电流期望控制量确定模块具体包括：
d轴电流期望控制量确定单元，用于根据公式确定d轴电流期望控制量；其中，id *为d轴电流期望控制量；e1为直流侧电压误差；Udc为直流侧实际电压；C为直流侧上下电容；E为单相电压值；Rl为负载侧电阻；k1为电压调节系数。
7.根据权利要求6所述的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统，其特征在于，所述d轴电压实际控制量确定模块具体包括：
d轴电压实际控制量确定单元，用于根据公式确定d轴电压实际控制量；其中，Vd为d轴电压实际控制量；Ud为d轴电压值；Rs为交流侧电阻；id为d轴电流值；Ls为交流侧电感；ω为电压矢量旋转角速度；iq为q轴电流值；k2为d轴电流调节系数；e2为d轴电流的误差量，e2＝id-id*，id*为d轴电流期望控制量。
8.根据权利要求7所述的基于VIENNA整流器的反推控制器的控制系统，其特征在于，所述q轴电压实际控制量确定模块具体包括：
q轴电压实际控制量确定单元，用于根据公式Vq＝Uq-Rs·iq+Ls·ω·id+Ls·k3·e3确定q轴电压实际控制量；其中，Vq为q轴电压实际控制量；Uq为q轴电压值；k3为q轴电流调节系数；e3为q轴电流的误差量，e3＝iq-iq *，iq *为q轴电流期望控制量。
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