CN110707954A - 基于pci控制的三电平逆变器控制系统 - Google Patents

基于pci控制的三电平逆变器控制系统 Download PDF

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孙巍
兰森
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Abstract

基于PCI控制的三电平逆变器控制系统，涉及一种三电平逆变器的控制方法。本发明解决了现有逆变器的控制方法存在无法满足对交流量的零稳态误差控制的问题。本发明用于对三相三电平逆变器进行控制，所述三相三电平逆变器包括三相三电平逆变桥，采用PCI控制器实现对电压电流的闭环控制，使输出量完全不受扰动信号的影响，实现准确跟踪输入的实时变化，因此，PCI控制器实现了对被控对象的精确控制，对直流量和交流量均能实现零稳态误差控制。本发明适用于实现对三电平逆变器的控制。

Description

基于PCI控制的三电平逆变器控制系统
技术领域
本发明涉及一种三电平逆变器的控制方法。
背景技术
三电平逆变器是多电平逆变技术中应用最广泛的一种，它是实现高压大功率变换的有效途径之一。在电机变频调速系统，静止无功补偿，有源滤波器及不间断电源等装置中得到了广泛应用。而开环控制的逆变器无法实现良好的跟踪及动态响应能力，因此，闭环的控制方法成了研究的重点。
目前，逆变器的控制方法主要包括无差拍控制、重复控制、滑膜变结构控制、采用PI控制器的电压瞬时值控制等。应用最成熟的是PI控制，但PI无法满足对交流量的零稳态误差控制，因此这些控制方法都有一定的局限性。
发明内容
本发明是为了解决现有逆变器的控制方法存在无法满足对交流量的零稳态误差控制的问题，提出了一种基于PCI控制的三电平逆变器控制系统。
本发明所述基于PCI控制的三电平逆变器控制系统，该系统用于对三相三电平逆变器进行控制，所述三相三电平逆变器包括三相三电平逆变桥，每个逆变桥包括4个功率开关管；
所述控制系统包括第一减法器1、PCI电压控制器2、第二减法器3、PCI电流控制器4和SVPWM脉宽调制发生器5；
第一减法器1用于对三相三电平逆变器的三个滤波电容的两端电压ua、ub、uc与给定的参考电压ua *、ub *、uc *做差，获得电压误差信号eua、eub、euc；
PCI电压控制器2用于对所述电压误差信号eua、eub、euc进行PCI计算获得电流阈值信号ia *、ib *、ic *；
第二减法器3用于对所述电流阈值信号ia *、ib *、ic *与三相三电平逆变器输出的电流信号ia、ib、ic做差，获得电流误差信号eia、eib、eic；
PCI电流控制器4用于对所述电流误差信号eia、eib、eic进行PCI计算，获得逆变器控制信号ya、yb、yc；
SVPWM脉宽调制发生器5用于对所述逆变器控制信号ya、yb、yc进行脉冲宽度调节，获得占空比控制信号，所述占空比控制信号为三相三电平逆变器三个桥臂中12个开关管的驱动信号，即为三相三电平逆变器的控制信号。
进一步地，基于PCI控制的三电平逆变器控制系统的闭环控制过程中三相电源信号的控制过程相同，以a相信号的控制过程为例进行说明：
利用输出电压ua相对于参考输入电压ua *的闭环传递函数：
Figure BDA0002264174120000021
其中，Gv(s)和Gi(s)分别为电压环和电流环的PCI控制器的传递函数；Ua *(s)为a相给定的电压信号ua *，K为三电平逆变桥的等效增益，Ua(s)为a相滤波电容的输出电压信号ua，s为拉普拉斯变量，L为滤波电感，r为滤波电感电阻，C为滤波电容，T为逆变器的开关周期；
由于PCI控制器的传递函数：
Figure BDA0002264174120000022
其中，kp和ki分别是PCI控制器的比例系数和积分系数，ω0为截止频率，N(s)为kps+ki-jkpω0的简写；
则电压和电流环的控制器传递函数分别用式(3)和式(4)表示：
Figure BDA0002264174120000024
其中，N1(s)为PCI电压控制器的N(s)，N2(s)为PCI电流控制器的N(s)。
将式(3)和式(4)中的Gv(s)和Gi(s)代入式(1)中得到式(5)：
Figure BDA0002264174120000025
将s＝jω代入式(5)：
Figure BDA0002264174120000031
由式(6)获得，ω＝ω0时Ua(s)＝Ua *(s)，输出量完全不受扰动信号的影响，实现准确跟踪输入的实时变化，因此，PCI控制器实现了对被控对象的精确控制，对直流量和交流量均能实现零稳态误差控制。
本发明采用PCI控制器实现对电压电流的闭环控制，使输出量完全不受扰动信号的影响，实现准确跟踪输入的实时变化，因此，PCI控制器实现了对被控对象的精确控制，对直流量和交流量均能实现零稳态误差控制。
附图说明
图1是本发明所述的三相三电平逆变器PCI控制系统及三电平逆变器原理图；
图2是三电平逆变电路原理图；
图3是三电平逆变电路abc三相的相位关系图；
图4是PCI控制器的原理图；
图5是三电平逆变器闭环控制的系统框图；
图6是本发明控制系统控制下的三电平逆变器在阻性负载R＝10Ω时的电压输出波形仿真效果图；
图7是本发明控制系统控制下的三电平逆变器在感性负载L＝0.2H时的电压输出波形仿真效果图；
图8是本发明控制系统控制下的三电平逆变器在容性负载C＝300μF时的电压输出波形仿真效果图；
图9是本发明控制系统控制下的三电平逆变器在t＝0.03s时由感性负载变到容性负载的负载电压电流波形的仿真效果图；其中，
图9(a)为在t＝0.03s时由感性负载变到容性负载的负载电压波形；
图9(b)为在t＝0.03s时由感性负载变到容性负载的负载电流波形；
图10是当给定电压由30V变到60V再到90V的负载电压电流波形仿真图，其中，图10(a)为电压突变波形仿真图；图10(b)为电流突变波形仿真图；
图11是PI控制的a相三电平逆变器输出的电压波形图；
图12是PCI控制的a相三电平逆变器输出的电压波形图；
图13是PI控制的谐波含量柱状图；
图14是PCI控制的谐波含量柱状图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于PCI控制的三电平逆变器控制系统，该系统用于对三相三电平逆变器进行控制，所述三相三电平逆变器包括三相三电平逆变桥，每个逆变桥包括4个功率开关管；
所述控制系统包括第一减法器1、PCI电压控制器2、第二减法器3、PCI电流控制器4和SVPWM脉宽调制发生器5；
第一减法器1用于对三相三电平逆变器的三个滤波电容的两端电压ua、ub、uc与给定的参考电压ua *、ub *、uc *做差，获得电压误差信号eua、eub、euc；
PCI电压控制器2用于对所述电压误差信号eua、eub、euc进行PCI计算获得电流阈值信号ia *、ib *、ic *；
第二减法器3用于对所述电流阈值信号ia *、ib *、ic *与三相三电平逆变器输出的电流信号ia、ib、ic做差，获得电流误差信号eia、eib、eic；
PCI电流控制器4用于对所述电流误差信号eia、eib、eic进行PCI计算，获得逆变器控制信号ya、yb、yc；
SVPWM脉宽调制发生器5用于对所述信号ya、yb、yc进行脉冲宽度调节，获得占空比控制信号，所述占空比控制信号为三相三电平逆变器三个桥臂中12个开关管的驱动信号，即为三相三电平逆变器的控制信号。
本实施方式中，如图1所示，具有控制过程为滤波电容两端电压ua、ub、uc与给定的参考电压ua *、ub *、uc *相减得到误差信号eua、eub、euc，通过比例复数积分PCI电压控制器得到电流的给定信号，与采集的电流比较后，再经过PCI电流控制器，输出的ya、yb、yc送入SVPWM脉宽调制发生器，然后其发出控制三电平逆变器12个开关管的开断信号，使逆变器实现闭环控制，从而有效控制其输出效果。
对所述三电平逆变电路进行说明：
所述三电平逆变器采用二极管箝位式三电平逆变电路，包括直流电源E、两个直流分压电容C1和C2和三相三电平逆变桥。每个桥臂有四个功率开关管Sx1～Sx4、四个续流二极管Dx1～Dx4和两个箝位二极管等器件构成的，其中x表示a、b、c三相，三电平逆变电路的原理图如图2所示。
与普通的三相桥式两电平逆变器相比，三电平逆变器每个开关管所承受的电压较小一半，而且二极管箝位式拓扑结构输出相电压是三电平，输出电平数增多，则输出波形就更接近正弦波，并且这种拓扑能够减少谐波。
进一步地，基于PCI控制的三电平逆变器控制系统的闭环控制过程中三相电源信号的控制过程相同，以a相信号的控制过程为例进行说明：
利用输出电压ua相对于参考输入电压ua*的闭环传递函数：
Figure BDA0002264174120000051
其中，Gv(s)和Gi(s)分别为电压环和电流环的PCI控制器的传递函数；Ua *(s)为a相给定的电压信号ua*，K为三电平逆变桥的等效增益，Ua(s)为a相滤波电容的输出电压信号ua，s为拉普拉斯变量，L为滤波电感，r为滤波电感电阻，C为滤波电容，T为逆变器的开关周期；
由于PCI控制器的传递函数：
Figure BDA0002264174120000052
其中，kp和ki分别是PCI控制器的比例系数和积分系数，ω0为截止频率，N(s)为kps+ki-jkpω0的简写；
则电压和电流环的控制器传递函数分别用式(3)和式(4)表示：
Figure BDA0002264174120000061
Figure BDA0002264174120000062
其中，N1(s)为PCI电压控制器的N(s)，N2(s)为PCI电流控制器的N(s)。
将式(3)和式(4)中的Gv(s)和Gi(s)代入式(1)中得到式(5)：
Figure BDA0002264174120000063
将s＝jω代入式(5)：
Figure BDA0002264174120000064
由式(6)获得，ω＝ω0时Ua(s)＝Ua *(s)，输出量完全不受扰动信号的影响，实现准确跟踪输入的实时变化，因此，PCI控制器实现了对被控对象的精确控制，对直流量和交流量均能实现零稳态误差控制。
仿真及结果分析
在Simulink中搭建三电平逆变器的仿真模型，设置直流侧电压为600V，滤波电容为30μF，滤波电感为0.18mH，开关频率为2kHz。为了验证所设计的PCI控制算法的正确性以及三电平逆变器在不同负载下的输出波形的效果，分别在阻性负载、感性负载及容性负载下进行仿真，波形如图6至图8所示。
从图图6至图8可以看出，所设计的PCI双闭环控制能够在逆变器的不同负载下具有良好的输出电压波形，而且在四分之一周期内就能实现稳定输出。验证了PCI控制器设计的正确性，将控制算法中应用复数，具有探索性意义。
为了更好的验证控制不仅在不同性质的负载下具有良好的效果，同时在负载突变的情况，具有良好的动态响应能力，因此，分别在各种负载突变以及电压突变情况下进行仿真，仿真波形如图9，10所示。
图9给出了负载由感性变为容性时负载电压电流的波形，从图中可以看出，在0.03s时，负载电压出现微小的波动，几乎接近于正常状态，而电流出现了较小突变，但仍然可以在不到半个周期内快速恢复稳定运行，进而，可以说明PCI控制方法也能够有效克服不同类型负载之间相互转换引起的扰动，响应速度快。
图10为给定电压幅值分别在0.04s和0.08s变化时负载电压和电流的波形，可以明显看到，电压和电流波形的动态响应几乎相同。都能够快速跟踪给定值的变化，并且同样可以在很短时间内恢复稳定运行。
通过对以上三种运行情况的分析，验证了PCI控制方法可以有效解决各种突变对系统以及供电负荷造成的影响，很好的体现了PCI控制方法的优势。
PCI与PI控制方法的对比分析
为了比较PCI与PI控制器的差别，说明PCI具有更好的控制效果，参数保持一致的情况下，分别采用PI和PCI控制器进行仿真，给出a相电压的仿真电压波形如图11和图12所示。
由图11和图12可知，当控制器为PI时，跟踪效果不理想，有幅值和相角差，不能实现对交流量的零稳态误差控制，然而，当采用PCI控制器时，在半个周期左右就可以实现零静差跟踪，无相角差。采用powergui模块中的频谱分析功能，对两种控制方式下的输出波形的谐波含量进行检测，检测结果如图13和图14所示，PCI控制的输出电压波形谐波含量更低。因此，对交流量的控制，PCI具有更好的效果。
本发明通过采用PCI控制器的电压、电流双闭环控制方案，对PCI控制器进行设计，将复数理论应用到实际应用中。仿真结果表明PCI控制具有良好的动态响应能力，能够在负载突变的各种情况下，实现精确跟踪，解决了传统PI控制器无法实现对交流量无误差跟踪的弊端，具有探索性意义。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.基于PCI控制的三电平逆变器控制系统，其特征在于，该系统用于对三相三电平逆变器进行控制，所述三相三电平逆变器包括三相三电平逆变桥，每个逆变桥包括4个功率开关管；
所述控制系统包括第一减法器(1)、PCI电压控制器(2)、第二减法器(3)、PCI电流控制器(4)和SVPWM脉宽调制发生器(5)；
第一减法器(1)用于对三相三电平逆变器的三个滤波电容的两端电压ua、ub、uc与给定的参考电压ua*、ub*、uc*做差，获得电压误差信号eua、eub、euc；
PCI电压控制器(2)用于对所述电压误差信号eua、eub、euc进行PCI计算获得电流阈值信号ia*、ib*、ic*；
第二减法器(3)用于对所述电流阈值信号ia*、ib*、ic*与三相三电平逆变器输出的电流信号ia、ib、ic做差，获得电流误差信号eia、eib、eic；
PCI电流控制器(4)用于对所述电流误差信号eia、eib、eic进行PCI计算，获得逆变器控制信号ya、yb、yc；
SVPWM脉宽调制发生器(5)用于对所述逆变器控制信号ya、yb、yc进行脉冲宽度调节，获得占空比控制信号，所述占空比控制信号为三相三电平逆变器三个桥臂中12个开关管的驱动信号，即为三相三电平逆变器的控制信号。
2.根据权利要求1所述基于PCI控制的三电平逆变器控制系统，其特征在于，基于PCI控制的三电平逆变器控制系统的闭环控制过程中三相电源信号的控制过程相同，以a相信号的控制过程为例进行说明：
利用输出电压ua相对于参考输入电压ua*的闭环传递函数：
Figure FDA0002264174110000011
其中，Gv(s)和Gi(s)分别为电压环和电流环的PCI控制器的传递函数；Ua *(s)为a相给定的电压信号ua*，K为三电平逆变桥的等效增益，Ua(s)为a相滤波电容的输出电压信号ua，s为拉普拉斯变量，L为滤波电感，r为滤波电感电阻，C为滤波电容，T为逆变器的开关周期；
由于PCI控制器的传递函数：
Figure FDA0002264174110000021
其中，kp和ki分别是PCI控制器的比例系数和积分系数，ω0为截止频率，N(s)为kps+ki-jkpω0的简写；
则电压和电流环的控制器传递函数分别用式(3)和式(4)表示：
Figure FDA0002264174110000022
Figure FDA0002264174110000023
其中，N1(s)为PCI电压控制器的N(s)，N2(s)为PCI电流控制器的N(s)；
将式(3)和式(4)中的Gv(s)和Gi(s)代入式(1)中得到式(5)：
Figure FDA0002264174110000024
将s＝jω代入式(5)：
Figure FDA0002264174110000025
由式(6)获得，ω＝ω0时Ua(s)＝Ua *(s)。
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