CN110798089A - 一种基于改进型智能pi控制的逆变器中点电位平衡方法 - Google Patents

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辛瑞芝
李峰
卢佳南
徐悦
张洪波
刘鼎立
戴宁
孙建萍
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Abstract

本发明涉及一种基于改进型智能PI控制的逆变器中点电位平衡方法，该控制方法主要针对传统PI控制参数调整难度较大，需要人为改动参数，不能实现参数自适应调整的缺点，在现有常规PI调节器控制基础上引入了单神经元自适应PI控制，可以实现PI参数自适应调整，具有速度快、响应快、系统稳定的特点。

Description

一种基于改进型智能PI控制的逆变器中点电位平衡方法
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及到一种基于改进型智能PI控制的逆变器中点电位平衡方法。
背景技术
三电平拓扑结构具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，使得三电平结构在高压大功率交流电机变频调速领域得到了广泛的应用。
目前T型三电平逆变器的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)方法中，由于空间矢量脉宽调制法(space vector pulse width modulation，SVPWM)的控制模型较为简单，具有转矩脉动小和电压利用率高等特点，而且还可以充分利用电压矢量的冗余状态来控制逆变器直流侧的中点电位平衡以及降低逆变器的开关损耗，因此得到了较为广泛的应用。
中点电位平衡问题是三电平逆变器的一个固有问题，国内外的学者提出许多方法来解决这一问题，常见的有构建虚拟空间矢量、合理选择冗余矢量的作用顺序和注入零序电压分量。但计算都较为复杂，控制系统的实现较难，不利于在线实现。
发明内容
针对传统基于PI控制解决中点电位不平衡技术的不足，本发明提出一种基于单神经元自适应PI控制的T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法。该控制方法主要针对传统PI控制参数调整难度较大，需要人为改动参数，不能实现参数自适应调整的缺点，在现有常规PI调节器控制基础上引入了单神经元自适应PI控制，可以实现PI参数自适应调整，具有速度快、响应快、系统稳定的特点。
目前，造成三电平逆变器中点电位发生偏移的原因有以下几种：①电容C1和电容C2的取值不相等；②直流侧直流电源电压不稳定、容易波动；③由基尔霍夫电流定律KCL可知，在一个周期中，如果直流侧中点电流矢量之和不为零，就会导致中点的电位发生偏移，从而影响系统正常工作。
如图1所示，是T型三电平逆变器直流侧结构示意图。Udc为直流电源，U0为中点电位，C1和C2为直流电容，设流入中点的电流i3为正方向，可以得到两个直流电容的电流i1和i2为：
Figure BDA0002260722930000021
由基尔霍夫电流定律可得
Figure BDA0002260722930000022
两边同时取积分，可得：
Figure BDA0002260722930000023
式中，i3是一个周期内开关状态为“O”状态时候相电流之和。
由此可知：T型三电平逆变器中点电位是否稳定是和开关管一个周期内流进中点电位的电流有关。
T型三电平逆变器输出端A、B、C三相每一相都有三种工作状态：P状态，输出电压为+Udc/2；O状态，输出电压为0；N状态，输出电压为-Udc/2；其开关特性可以等效为：
式中x＝a,b,c。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于改进型智能PI控制的逆变器中点电位平衡方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、在传统T型三电平逆变器基础上引入了平衡电路，即在直流侧输出和直流侧电容C1、C2中间加入两个开关管Sd1、Sd2和电感L1。
步骤2、开关管Sd1和Sd2按照互补的两路PWM信号依次导通，当Sd1导通而Sd2关断时，直流侧的电容C1、开关管Sd1和平衡电感L1构成充电回路，能量为从电容C1转移到电感L1上；当开关管Sd1关断而Sd2导通时，此时直流侧电容C2、开关管Sd2和平衡电感L1形成放电回路，能量转移方向为从电感L1转移到电容C2上。能量转移动态平衡，此时电容C1和C2上电压形成动态平衡，中性点电位在小范围之内波动。
步骤3、采用单神经元自适应PI控制器，平衡电路控制策略采取双闭环控制。直流侧电容电压UC1和UC2的偏差值作为电压环的输入，其经PI环节之后的输出作为电流环的输入，再与流入中点电位电流i3取偏差经过PI控制器，电流环的输出与三角波进行对比，得到两路互补的PWM信号，用来控制平衡电路中两个开关管Sd1和Sd2的导通与关断，最终达到UC2实时跟踪UC1的效果。
本发明的有益效果：
由于传统PI存在参数不易设定的问题，本发明在外环传统PI基础上进行了改进，引入了平衡电路和单神经元自适应PI控制器，提高了系统的稳定性。本发明采用基于单神经元自适应PI控制策略，可以在线实时对于控制器参数进行调整，具有一定的抗干扰能力、自适应能力等优点，且易于实现，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。
图1是T型三电平逆变器直流侧结构示意图；
图2是T型三电平逆变器引入平衡电路的拓扑示意图；
图3是单神经元自适应PI控制器原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明包括但不限于下述实施例。
本发明是一种基于改进型智能PI控制的逆变器中点电位平衡方法(简称方法)，该方法包括以下步骤：
步骤1、在传统T型三电平逆变器基础上引入了平衡电路，即在直流侧输出和直流侧电容C1、C2中间加入两个开关管Sd1、Sd2和电感L1。
如图2所示，是T型三电平逆变器引入平衡电路的拓扑示意图。将开关管Sd1、Sd2串联，将Sd1一端接在直流侧输出与电容C1之间、将Sd2一端接在直流侧输出与电容C2之间，电感L1的一端接在开关管Sd1与Sd2之间、电感L1的另一端接在电容C1与C2之间。
步骤2、开关管Sd1和Sd2按照互补的两路PWM信号依次导通，当Sd1导通而Sd2关断时，直流侧的电容C1、开关管Sd1和平衡电感L1构成充电回路，能量为从电容C1转移到电感L1上；当开关管Sd1关断而Sd2导通时，此时直流侧电容C2、开关管Sd2和平衡电感L1形成放电回路，能量转移方向为从电感L1转移到电容C2上。能量转移动态平衡，此时电容C1和C2上电压形成动态平衡，中性点电位在小范围之内波动。
步骤3、采用单神经元自适应PI控制器，平衡电路控制策略采取双闭环控制。直流侧电容电压UC1和UC2的偏差值作为电压环的输入，其经PI环节之后的输出作为电流环的输入，再与流入中点电位电流i3取偏差经过PI控制器，电流环的输出与三角波进行对比，得到两路互补的PWM信号，用来控制平衡电路中两个开关管Sd1和Sd2的导通与关断，最终达到UC2实时跟踪UC1的效果。
由于传统PI存在参数不易设定的问题，本发明在外环传统PI基础上进行了改进，引入了单神经元自适应PI控制器，提高了系统的稳定性。如图3所示，是单神经元自适应PI控制器原理示意图。
电容电压UC1、UC2经状态变换器后转换成为神经元学习控制所需要的状态量x1、x2，这里x1＝e(k)-e(k+1)、x2＝e(k)，wi(k)为对应于xi(k)的加权系数(i＝1,2)，K为神经元的比例系数，其值大于0。
神经元通过关联搜索来产生控制信号，即
Figure BDA0002260722930000041
Figure BDA0002260722930000042
单神经元自适应控制器通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能，而加权系数的调整采用有监督的Hebb学习规则，它与神经元的输入、输出和输出偏差三者的相关函数有关，即
Figure BDA0002260722930000043
式中，z(k)为输出误差信号，z(k)＝UC1-UC2；η为学习速率，η>0；c为大于0的常数。
为保证上述单神经元自适应PI控制学习算法式(6)的收敛性和鲁棒性，对上述学习算法进行规范化处理后有
Figure BDA0002260722930000044
式中，ηP、ηI分别为积分、比例的学习速率。
对比例(P)、积分(I)可以分别采用不同的学习速率ηP、ηI以便对它们各自的权系数能根据需要分别进行调整，其取值由仿真与实验确定。
由以上分析，单神经元自适应控制策略的控制重点主要集中在电压外环上，电流内环仍采用传统PI控制。该控制结构设计简单易于实现，同时提高了系统的稳定性和工程实用性。
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于改进型智能PI控制的逆变器中点电位平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在传统三电平逆变器基础上引入平衡电路，在直流侧输出和直流侧电容C1、C2中间加入两个开关管Sd1、Sd2和电感L1；
步骤2、开关管Sd1和Sd2按照互补的两路PWM信号依次导通，当Sd1导通而Sd2关断时，直流侧的电容C1、开关管Sd1和平衡电感L1构成充电回路，能量为从电容C1转移到电感L1上；当开关管Sd1关断而Sd2导通时，此时直流侧电容C2、开关管Sd2和平衡电感L1形成放电回路，能量转移方向为从电感L1转移到电容C2上；电容C1和C2上电压形成动态平衡，中点电位在小范围之内波动；
步骤3、采用单神经元自适应PI控制器，平衡电路控制策略采取双闭环控制，直流侧电容电压UC1和UC2的偏差值作为电压环的输入，其经PI环节之后的输出作为电流环的输入，再与流入中点电位电流i3取偏差经过PI控制器，电流环的输出与三角波进行对比，得到两路互补的PWM信号，用来控制平衡电路中两个开关管Sd1和Sd2的导通与关断，达到UC2实时跟踪UC1的效果。
2.根据权利要求1所述的一种T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，步骤1中平衡电路的连接方式为：
将开关管Sd1、Sd2串联，将Sd1一端接在直流侧输出与电容C1之间、将Sd2一端接在直流侧输出与电容C2之间，电感L1的一端接在开关管Sd1与Sd2之间、电感L1的另一端接在电容C1与C2之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，步骤3中所述的单神经元自适应PI控制器，电容电压UC1、UC2经状态变换器后转换成为神经元学习控制所需要的状态量x1、x2，x1＝e(k)-e(k+1)、x2＝e(k)，wi(k)为对应于xi(k)的加权系数(i＝1,2)，K为神经元的比例系数，且K的值大于0。
4.根据权利要求3所述的一种T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，神经元通过关联搜索来产生控制信号，即
Figure FDA0002260722920000011
Figure FDA0002260722920000012
5.根据权利要求4所述的一种T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，单神经元自适应控制器通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能，而加权系数的调整采用有监督的Hebb学习规则，它与神经元的输入、输出和输出偏差三者的相关函数有关，即
Figure FDA0002260722920000021
式中，z(k)为输出误差信号，z(k)＝UC1-UC2；η为学习速率，η>0；c为大于零的常数。
6.根据权利要求5所述的一种T型三电平逆变器中点电位平衡控制方法，其特征在于，对学习算法进行规范化处理后有
Figure FDA0002260722920000022
式中，ηP、ηI分别为积分、比例的学习速率；
对比例(P)、积分(I)分别采用不同的学习速率ηP、ηI以便对它们各自的权系数能根据需要分别进行调整，其取值由仿真与实验确定。
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