CN110739877A - 一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法 - Google Patents

一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法 Download PDF

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CN110739877A CN201911081367.XA CN201911081367A CN110739877A CN 110739877 A CN110739877 A CN 110739877A CN 201911081367 A CN201911081367 A CN 201911081367A CN 110739877 A CN110739877 A CN 110739877A
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Abstract

本发明公开一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法，采用重复控制与传统的 PI‑P 双环控制相结合的控制技术，综合滞环电流控制和重复控制方法，前者提高系统动态稳定性能，后者致力改善系统稳定性能。本发明保证系统在不平衡及非线性负载条件下输出三相平衡对称的正弦电压。通过重复控制器抑制不平衡和非线性负载这些周期性扰动信号对系统的影响，保证系统稳态精度。通过双闭环控制器良好的动态性能，迅速根据扰动信号给出合适的控制指令，在系统突加突卸负载时，仍能保证在一个基波周期内迅速恢复。本发明兼顾系统动态、稳态性能的控制方式，采用高效合理的复合控制策略，可在多种复杂环境下输出平衡稳定的三相电压。

Description

一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术逆变器领域，尤其涉及一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法。
背景技术
三相四线制及三相四桥臂逆变器系统，为负载不平衡产生的零序电流分量提供通路，有效改善了三相三线制系统中的中性点位移问题。带中性电感的三相四桥臂逆变器外接三相不平衡负载时，由于中性感抗的存在，零序电流分量在中性感抗上产生一定压降，也会引起一定程度的中性点位移，因而三相输出电压会有轻微的不平衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法。
本发明采用的技术方案是：
一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法，控制方法采用滞环电流跟踪调制与重复控制相结合的复合控制策略，其具体步骤为：
步骤1，采样获取将三相四桥臂的电网采样电压，其表达式如下：
Figure BDA0002264068950000011
其中，其中，in为第四桥臂上流进滤波电感的相电流，Lf变输出的滤波电感，Ln为中性电感，R为滤波等效电阻，Van、Vbn、Vcn为三相对称输出逆变电压；
步骤2，将三相四桥臂的电网采样电压作为控制量输入结合重复控制的PI-P双闭环逆变器控制系统中，
步骤3，重复控制器将控制量作为原指令信号基础上的补偿量一同输出给PI-P型双环控制结构，PI-P型双环控制结构输出分别反馈至重复控制器的输入端和PI-P型双环控制结构的输入端；通过重复控制器抑制不平衡和非线性负载周期性扰动信号对系统的影响，保证在非线性和不对称负载条件下的稳态精度；利用PI-P型双环控制结构良好的动态性能迅速根据扰动信号给出合适的控制指令，以在系统突加突卸负载时保证在一个基波周期内迅速恢复；
重复控制器采用嵌入式结构，包括周期延迟环节Z-N、常数小于1的低通滤波器Q(z)、持续周期性扰动d、相位补偿环节zk，补偿环节S(z)，则有；
Figure BDA0002264068950000012
其中，P(z)为控制对象，Z-N与Q(z)结合形成正反馈延迟环节；Uref表示输入指令的参考电压，e为误差值；
PI-P型双环控制结构的传递函数为：
电感电流内环开环传递函数为：
Figure BDA0002264068950000021
电感电流内环闭环传递函数：
其中，Ts为电感电流采样时间，Kip为系统增益，Lf为滤波电感，为表简化令L＝2Lf；
步骤4，设结合重复控制的PI-P双闭环逆变器控制系统的输出参考给定电流i*，并与系统实际采样电感电流i相比较送入多参数滞环电流控制器中，当差值超出滞环电流控制器环宽时，通过多参数滞环电流控制器驱动开关的导通和关断，确保输出波形精度在滞环环宽之内。
进一步地，四桥臂逆变系统在传统三相三桥臂的基础上增加第四桥臂，第四桥臂通过电感Ln与负载中性点相连并用于控制交流电压的中性点。
进一步地，四桥臂结构包括直流电压源Vdc、开关管
Figure BDA0002264068950000023
开关管开关管
Figure BDA0002264068950000025
开关管开关管
Figure BDA0002264068950000027
开关管
Figure BDA0002264068950000028
开关管
Figure BDA0002264068950000029
和开关管
Figure BDA00022640689500000210
直流电压源Vdc的正极分别连接开关管
Figure BDA00022640689500000211
开关管
Figure BDA00022640689500000212
开关管
Figure BDA00022640689500000213
和开关管
Figure BDA00022640689500000214
的集电极，直流电压源Vdc的负极分别连接开关管
Figure BDA00022640689500000215
开关管
Figure BDA00022640689500000216
开关管
Figure BDA00022640689500000217
和开关管的发射极，
开关管
Figure BDA00022640689500000219
的发射极与开关管
Figure BDA00022640689500000220
的集电极连接后依次通过电感
Figure BDA00022640689500000221
和限流电阻R1分别连接电容
Figure BDA00022640689500000222
和负载电阻Ra的一端,
开关管
Figure BDA00022640689500000223
的发射极与开关管
Figure BDA00022640689500000224
的集电极连接后依次通过电感
Figure BDA00022640689500000225
和限流电阻R2分别连接电容
Figure BDA00022640689500000226
和负载电阻Rb的一端,
开关管的发射极与开关管的集电极连接后依次通过电感
Figure BDA00022640689500000229
和限流电阻R3分别连接电容
Figure BDA00022640689500000230
和负载电阻Rc的一端,
开关管
Figure BDA00022640689500000231
的发射极与开关管
Figure BDA00022640689500000232
的集电极连接后依次通过电感Ln和限流电阻R4分别连接电容
Figure BDA00022640689500000233
的另一端、负载电阻Ra的另一端、电容
Figure BDA00022640689500000234
的另一端、负载电阻Rb的另一端、电容
Figure BDA00022640689500000235
的另一端和负载电阻Rc的一端。
进一步地，电感
Figure BDA0002264068950000031
电感
Figure BDA0002264068950000037
和电感
Figure BDA0002264068950000033
具有相同的电感值，限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3和限流电阻R4具有相同的阻值，电容
Figure BDA0002264068950000034
电容
Figure BDA0002264068950000035
和电容
Figure BDA0002264068950000036
具有相同的容值。
本发明采用以上技术方案，三相四桥臂逆变器采用重复控制与传统的PI-P双环控制相结合的控制技术，综合滞环电流控制和重复控制方法，前者提高系统动态稳定性能，后者致力改善系统稳定性能。本发明保证系统在不平衡及非线性负载条件下输出三相平衡对称的正弦电压。通过重复控制器抑制不平衡和非线性负载这些周期性扰动信号对系统的影响，保证系统稳态精度。通过双闭环控制器良好的动态性能，迅速根据扰动信号给出合适的控制指令，在系统突加突卸负载时，仍能保证在一个基波周期内迅速恢复。本发明兼顾系统动态、稳态性能的控制方式，采用高效合理的复合控制策略，可在多种复杂环境下输出平衡稳定的三相电压。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明的交流电网侧电气连接图；
图2为本发明的带中性电感的三相四桥臂的结构示意图；
图3为重复控制器系统框图；
图4为逆变器系统PI-P双环控制框图；
图5为本发明结合重复控制的PI-P双闭环逆变器控制系统框图；
图6为本发明系统滞环电流控制结构图；
图7为本发明复合控制模式在三相四桥臂逆变器中的工作流程示意图。
具体实施方式
如图1-7之一所示，本发明公开了一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法
如图1所示，交流电网侧电气连接图，IG是同步发电机输出电流，IL是逆变器输出电流，I0是流过系统负载电流。本方法要做的就是使同步发电机输出端直流电压的稳定，以及逆变器输入输出功率的平衡与解耦。
如图2所示，三相四桥臂逆变器结构在传统三相三桥臂的基础上增加第四桥臂，第四桥臂用来控制交流电压的中性点，通过电感Ln与负载中性点相连。图2中ia、ib、ic、in分别为A、B、C相及第四桥臂上流进滤波电感的相电流，Vdc、ip表示直流母线电压及电流，Lf、Cf为逆变输出的滤波电感和滤波电容，R为滤波等效电阻，Ln为中性电感(假设Lf＝Ln)，Van、Vbn、Vcn为三相对称输出逆变电压。
本电路在静止坐标系下建立数学模型。三相四桥臂逆变器在三相静止坐标系下是一个耦合系统，要想实现对系统的完全控制，控制四桥臂上下开关管之间的通断，实现系统中性电流in对三相负载电流的跟踪，对原有模型进行相间解耦。本方法采用滞环电流跟踪调制与重复控制相结合的复合控制策略，其中电网电压的为：
具体地，公式1详细推导步骤如下：
逆变器电压和电流的数学模型表示为：
(ia+ib+ic)+in＝0 (1-1)
得到矩阵形式如下：
Figure BDA0002264068950000043
其中，桥臂端输出电压,和Uaf、Ubf、Ucf可以表示为如下形式：
Figure BDA0002264068950000044
从上两式可以得到最简单的解耦方式为：
Figure BDA0002264068950000045
该解耦方案的控制本质为VN＝0。
将(1-1)带入(1-3)，可得：
Figure BDA0002264068950000046
若此时三相负载为平衡阻性负载，Ua、Ub、Uc的控制矢量轨迹为圆。可得，Van+Vbn+Vcn＝0。再次分析三相负载电压，等式可重新表示为：
Figure BDA0002264068950000047
三式相加，可得：
VA+VB+VC＝3VN (1-7)
显然，
VA+VB+VC＝0 (1-8)
此时，VN＝0。
将式4带入(5)式的，可得等式：
Figure BDA0002264068950000051
由于系统三相负载平衡，负载电压处于平衡状态，即VN＝UV＝0。
UaN+UbN+UcN＝Ua+Ub+Uc-3UN (1-10)
其中，UaN、UbN、UcN是前三桥臂中点和负载中性点之间的电压。显然，UaN+UbN+UcN＝0，所以，Ua+Ub+Uc＝0。
最终可得：
Figure BDA0002264068950000052
重复控制器原理：对周期性出现的外部扰动，可以在系统中额外添加一个周期延迟环节Z-N，使系统的控制作用具有一定的超前性。此外，在重复控制器的时滞环节添加低通滤波器Q(z)(一般为一个小于1的常数)，用于减少外部扰动误差，提高系统稳定性。C(z)是补偿器，用于相位补偿和幅值补偿。
如图3所示，改进后的重复控制器系统框图，虚线框内是重复控制器内模，
针对图3重复控制器系统框图，P(z)为控制对象，即逆变器，d为扰动量，Z-N为周期延迟环节，与Q(z)结合形成正反馈延迟环节，y是受控对象实际输出信号，zk是相位补偿环节，S(z)补偿环节。r表示输入指令的参考电压，即Uref，y为信号的输出电压，e为误差值，则有：
Figure BDA0002264068950000053
系统周期性运行过程中，实际输出信号和跟踪指令的误差不断累积并传送至补偿器，经由补偿器进行相位补偿和幅值补偿后，产生合理控制量给被控对象。单纯的重复控制器相当于开环控制，整体动态响应性能较差，但具有良好的稳态精度，本方法将重复控制其与电流内环、电压外环的双闭环控制器配合使用，兼顾动静态性能。
PI-P双闭环控制系统：对于并网逆变器系统而言，为了抑制并网电流谐波，提高稳态控制精度，常采用重复控制。但是单一的重复控制动态性能差，需要和其他控制方式共同作用。
电流内环控制器选取：电流内环PI(比例积分)控制器和P(比例)控制器的闭环特性相差不大。抑制非线性负载电流扰动PI优于P，在系统动态性能上P优于PI，本方法结合两者，在采用单比例环节电流内环控制器时，不考虑扰动电流补偿，选用PI-P型双环控制结构。
本方法采用电压外环、电流内环的双闭环控制系统。采集电感电流或电容电流作为电流控制内环，一方面可以反映负载电流的变化情况，另一方面通过电感电路的变化实现对开关管器件的限流保护。所以具体而言，本方法采用的是电感电流内环电压外环的双环控制结构。
如图4所示，逆变器系统PI-P双环控制框图。
电感电流内环开环传递函数为：
Figure BDA0002264068950000061
电感电流内环闭环传递函数：
Figure BDA0002264068950000062
其中，Ts为电感电流采样时间，Kip为系统增益，L和滤波电感Lf相关。
综上，如图5所示，本发明结合重复控制的PI-P双闭环逆变器控制系统。此闭环控制系统应用在三相四桥臂逆变器控制系统下。框图前半部分的重复控制部分保证在非线性和不对称负载条件下的稳态精度，框图后半部分的PI-P双闭环部分用于改善系统的动态性能。重复控制器采用嵌入式结构，将控制量作为原指令信号基础上的补偿量输出给被控对象，两种控制方法同时工作，共同控制。
本发明的优点在于：三相四桥臂逆变器采用重复控制与传统的PI-P双环控制相结合的控制技术，保证系统在不平衡及非线性负载条件下输出三相平衡对称的正弦电压。通过重复控制器抑制不平衡和非线性负载这些周期性扰动信号对系统的影响，保证系统稳态精度。通过双闭环控制器良好的动态性能，迅速根据扰动信号给出合适的控制指令，在系统突加突卸负载时，仍能保证在一个基波周期内迅速恢复。因此，这是一种兼顾系统动态、稳态性能的控制方式。
滞环电流控制法：滞环电流调制是一种典型非线性闭环电流直接调试方法。以系统A相为例，将实际输出电流ia和给定电流值
Figure BDA0002264068950000063
的差值作为环宽2h的滞环比较器输入值，系统输出值ia在
Figure BDA0002264068950000064
的范围内持续跟踪给定电流
Figure BDA0002264068950000065
最后通过比较器的输出来控制开关管的通断。
当
Figure BDA00022640689500000614
时，开关管
Figure BDA0002264068950000066
和处于导通状态，此时A相电压为+Vdc，相电流增大；当
Figure BDA00022640689500000615
时，开关管和
Figure BDA0002264068950000069
处于导通状态，此时A相电压为-Vdc，相电流减小；
Figure BDA00022640689500000617
Figure BDA00022640689500000616
时，
Figure BDA00022640689500000610
和
Figure BDA00022640689500000611
导通或
Figure BDA00022640689500000612
和
Figure BDA00022640689500000613
导通，此时A相处于续流状态。逆变器输出值ia在环宽2h的滞环比较器内持续跟踪给定电流
Figure BDA0002264068950000071
最终经过交流滤波输出正弦电流。
在式1中，由于此时UN＝0得到对称三相输出电压UfN＝Uf。其中Van+Vbn+Vcn＝0，UfN随着中性线上电感及滤波等效电阻流过电流的变化而变化，通过改变中性线上电流的大小，来实现三相输出电压的平衡。在实际过程中，式1的值与系统所选参数相关，是动态参考电压值，将式1作为第四桥臂控制的参考电压，三相基准正弦电压与系统反馈电压作滞环比较得出前三桥臂控制命令，可以得出系统完整控制信号。
如图6所示，本发明系统滞环电流控制结构图，采用瞬时电流值(电流值采用上文电流内环控制系统中的电感电流采样值)进行比较，将电流反馈值与系统给定参考值的差值送入比较器，当差值超出滞环比较器环宽时改变桥臂的开关管状态，确保系统精度在滞环环宽之内。
综合来讲，将在重复控制和PI-P双闭环控制下系统的输出电感电流参考值Iref和电感采样电流实际值Iref送入滞环比较其中进行处理，通过滞环电流控制器驱动开关的导通和关断，从而得到所期望的高质量三相电压电流输出波形。
如图7所示，是完整复合控制模式在三相四桥臂逆变器中的工作流程。Uaref、Ubref、Ucref，iaref、ibref、icref分别为系统三相电压电流参考值。在经过重复控制和PI-P双闭环控制后系统实际采样出电压电流值Van、Vbn、Vcn，ia、ib、ic。将电流差值送入滞环电流比较器，驱动四个桥臂开关的通断，实现电流的逆变。
本发明的电压外环采用的是重复控制器嵌入式结构，即将重复控制器嵌入到PI-P双闭环控制系统中，两者合二为一，共同处理采样数据和参考数据后再交由滞环比较器处理，进而控制开关管通断。
本发明采用以上技术方案，三相四桥臂逆变器采用重复控制与传统的PI-P双环控制相结合的控制技术，综合滞环电流控制和重复控制方法，前者提高系统动态稳定性能，后者致力改善系统稳定性能。本发明保证系统在不平衡及非线性负载条件下输出三相平衡对称的正弦电压。通过重复控制器抑制不平衡和非线性负载这些周期性扰动信号对系统的影响，保证系统稳态精度。通过双闭环控制器良好的动态性能，迅速根据扰动信号给出合适的控制指令，在系统突加突卸负载时，仍能保证在一个基波周期内迅速恢复。本发明兼顾系统动态、稳态性能的控制方式，采用高效合理的复合控制策略，可在多种复杂环境下输出平衡稳定的三相电压。

Claims (4)

1.一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法，其特征在于：控制方法采用滞环电流跟踪调制与重复控制相结合的复合控制策略，其具体步骤为：
步骤1，采样获取将三相四桥臂的电网采样电压，其表达式如下：
其中，in为第四桥臂上流进滤波电感的相电流，Lf变输出的滤波电感，Ln为中性电感，R为滤波等效电阻，Van、Vbn、Vcn为三相对称输出逆变电压；
步骤2，将三相四桥臂的电网采样电压作为控制量输入结合重复控制的PI-P双闭环逆变器控制系统中，
步骤3，重复控制器将控制量作为原指令信号基础上的补偿量一同输出给PI-P型双环控制结构，PI-P型双环控制结构输出分别反馈至重复控制器的输入端和PI-P型双环控制结构的输入端；通过重复控制器抑制不平衡和非线性负载周期性扰动信号对系统的影响，保证在非线性和不对称负载条件下的稳态精度；利用PI-P型双环控制结构良好的动态性能迅速根据扰动信号给出合适的控制指令，以在系统突加突卸负载时保证在一个基波周期内迅速恢复；
重复控制器采用嵌入式结构，包括周期延迟环节Z-N、常数小于1的低通滤波器Q(z)、持续周期性扰动d、相位补偿环节zk，补偿环节S(z)，重复控制器的传递函数为：
其中，P(z)为控制对象，Z-N与Q(z)结合形成正反馈延迟环节；Uref表示输入指令的参考电压，e为误差值；
PI-P型双环控制结构的传递函数为：
电感电流内环开环传递函数为：
Figure FDA0002264068940000013
电感电流内环闭环传递函数：
其中，Ts为电感电流采样时间，Kip为系统增益，Lf为滤波电感，为表简化令L＝2Lf；
步骤4，设结合重复控制的PI-P双闭环逆变器控制系统的输出参考给定电流i*，并与系统实际采样电感电流i相比较送入多参数滞环电流控制器中，当差值超出滞环电流控制器环宽时，通过多参数滞环电流控制器驱动开关的导通和关断，确保输出波形精度在滞环环宽之内。
2.根据权利要求1所述的一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法，其特征在于：四桥臂逆变系统在传统三相三桥臂的基础上增加第四桥臂，第四桥臂通过电感Ln与负载中性点相连并用于控制交流电压的中性点。
3.根据权利要求1所述的一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法，其特征在于：四桥臂结构包括直流电压源Vdc、开关管
Figure FDA0002264068940000021
开关管开关管
Figure FDA0002264068940000023
开关管开关管
Figure FDA0002264068940000025
开关管
Figure FDA0002264068940000026
开关管
Figure FDA0002264068940000027
和开关管直流电压源Vdc的正极分别连接开关管开关管
Figure FDA00022640689400000210
开关管
Figure FDA00022640689400000211
和开关管
Figure FDA00022640689400000212
的集电极，直流电压源Vdc的负极分别连接开关管
Figure FDA00022640689400000213
开关管
Figure FDA00022640689400000214
开关管
Figure FDA00022640689400000215
和开关管
Figure FDA00022640689400000216
的发射极，
开关管
Figure FDA00022640689400000217
的发射极与开关管
Figure FDA00022640689400000218
的集电极连接后依次通过电感
Figure FDA00022640689400000219
和限流电阻R1分别连接电容
Figure FDA00022640689400000220
和负载电阻Ra的一端,
开关管
Figure FDA00022640689400000221
的发射极与开关管
Figure FDA00022640689400000222
的集电极连接后依次通过电感
Figure FDA00022640689400000223
和限流电阻R2分别连接电容
Figure FDA00022640689400000224
和负载电阻Rb的一端,
开关管的发射极与开关管
Figure FDA00022640689400000226
的集电极连接后依次通过电感
Figure FDA00022640689400000227
和限流电阻R3分别连接电容
Figure FDA00022640689400000228
和负载电阻Rc的一端,
开关管
Figure FDA00022640689400000229
的发射极与开关管
Figure FDA00022640689400000230
的集电极连接后依次通过电感Ln和限流电阻R4分别连接电容的另一端、负载电阻Ra的另一端、电容的另一端、负载电阻Rb的另一端、电容
Figure FDA00022640689400000239
的另一端和负载电阻Rc的一端。
4.根据权利要求3所述的一种船用发电机四桥臂逆变系统控制方法，其特征在于：电感
Figure FDA00022640689400000238
电感
Figure FDA00022640689400000233
和电感
Figure FDA00022640689400000234
具有相同的电感值，限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3和限流电阻R4具有相同的阻值，电容
Figure FDA00022640689400000235
电容和电容
Figure FDA00022640689400000237
具有相同的容值。
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