CN110855136A - 一种ups系统中逆变器的容错控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种UPS系统中逆变器的容错控制装置及其控制方法，其中，所述装置包括：Park变换模块、Clark变换模块、电压预测模块、PLL锁相环模块、电压补偿模块、价值函数模块、母线电容电压偏移计算模块、三相四开关逆变器模块、负载模块；其中，三相四开关逆变器模块输出端依次与电压预测模块和负载模块相连接，Clark变换模块一端与Park变换模块，一端与电压预测模块；Park变换模块分别与PLL锁相环模块和价值函数模块相连接；电压补偿模块分别与母线电容电压偏移计算模块和价值函数模块相连接；价值函数模块的输出端与三相四开关逆变器模块相连接。在本发明实施中，对UPS系统精度要求不高，建模方便，提高了UPS系统的动态特性和可靠性。

Description

一种UPS系统中逆变器的容错控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及逆变控制技术领域，尤其涉及一种UPS系统中逆变器的容错控制装置及其控制方法。
背景技术
逆变器是UPS中的核心部分，为实现逆变器开关器件故障后容错运行，提高系统的可靠性以及运行时间和效率，容错性逆变器的研究越来越受到重视；许多不同的逆变器容错方法已被提出，其中将三相六开关逆变器切换为三相四开关逆变器的容错方案由于具有易操作，结构简单和低成本等特点，可对单相开路或短路故障进行容错，逐渐成为逆变器容错研究的热点。
现代工业都具有非线性、不确定性和时变的特点，传统的控制技术难以得到良好的控制效果；近年来从工业生产实践中兴起了一种新型控制技术，即模型预测控制；模型预测控制是一种智能控制算法，具有滚动优化、在线反馈校正的特性，是一种能够较好抑制参数变化和不确定性扰动的控制策略；与其他控制技术相比，模型预测控制具有对模型的精度要求不高、建模方便、系统鲁棒性及稳定性好、动态性能好等特点，因此，越来越成为各领域学者研究的热点；在三相四开关逆变器控制中，由于电容电压的不均衡现象导致系统的控制性能降低，如何改善电容电压不平衡带来的不利影响成了四开关逆变器控制需要解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种UPS系统中逆变器的容错控制装置及其控制方法，对UPS系统精度要求不高，建模方便，提高了UPS系统的动态特性和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种UPS系统中逆变器的容错控制装置，所述装置包括：Park变换模块、Clark变换模块、电压预测模块、PLL锁相环模块、电压补偿模块、价值函数模块、母线电容电压偏移计算模块、三相四开关逆变器模块、负载模块；其中，
所述三相四开关逆变器模块输出端依次与所述电压预测模块和所述负载模块相连接，所述Clark变换模块一端与所述Park变换模块，一端与所述电压预测模块；所述Park变换模块分别与所述PLL锁相环模块和所述价值函数模块相连接；所述电压补偿模块分别与所述母线电容电压偏移计算模块和所述价值函数模块相连接；所述价值函数模块的输出端与所述三相四开关逆变器模块相连接。
可选的，所述容错控制装置还包括空心电感线圈；
所述空心电感线圈设置在所述三相四开关逆变器模块与所述负载模块之间；所述三相四开关逆变器模块的输出端在未与所述空心电感线圈连接前与所述电压预测模块相连接；所述空心电感线圈输出端通过电容器与所述电压预测模块相连接；以及所述空点电感线圈输出端与所述电压预测模块相连接。
可选的，所述电压预测模块用于将输入的电压和电流转化为自然坐标系下的电压预测模型和电流预测模型输入至所述Clark变换模块；
所述电压预测模型和所述电流预测模型经过所述Clark变换模块得到α-β坐标系下k+1时刻的电压离散方程，并同时与所述PLL锁相环模块得到α轴与d轴之间的角度差θ输入所述Park变换模块；
通过所述Park变换模块得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；
以及以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值形式的价值函数；
将k+1时刻的d-q轴预测电压与d-q轴电压参考值经过价值函数模块得到最优电压矢量所对应的开关状态并输入所述三相四开关逆变器模块。
可选的，所述母线电容电压偏移计算模块用于根据采用直流母线上下电容电压值获得电容电压偏差值的预测模型，并将k+1时刻的电容电压偏差值输入所述价值函数模块的价值函数中。
可选的，一种UPS系统中逆变器的容错控制方法，所述方法包括：
采用三相四开关逆变器的滤波电流、输出电流和输出电压，并通过Clark变换模块获得α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程；
将三相电流通过PLL锁相环模块得到α轴与d轴之间的角度差θ，通过Park变换模块得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；
以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值最小的价值函数；
采样资料模型上下电容电压值，根据三相四开关逆变器模块拓扑建立直流母线电容的电流方程，通过前向差分放对其进行离散化，获得电容电压偏差值的预测模型；
将k+1时刻的电容电压偏差值加入到上述建立的价值函数中，得到一个包含电容电压偏差预测的更新价值函数；
通过更新价值函数的最优电压矢量以及电容电压偏差最小所对应的开关状态并应用到下一采样时刻，实现对逆变器包含电容电压补偿的容错控制。
可选的，所述采用三相四开关逆变器的滤波电流、输出电流和输出电压，并通过Clark变换模块获得α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程，包括：
建立三相四开关逆变器交流测相电压与开关函数的关系；
基于所述关系进行Clark变换模块的变换得到α-β坐标系下的电压；
建立系统在连续域的数学模型；
对所述数学模型进行离散化以及通过Clark变换模块变换处理，得到α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程。
可选的，所述采样资料模型上下电容电压值，根据三相四开关逆变器模块拓扑建立直流母线电容的电流方程，通过前向差分放对其进行离散化，获得电容电压偏差值的预测模型，包括：
建立直流母线电流方程和指令模型电容电流方程；
基于直流母线电流方程和指令模型电容电流方程进行结合，获取结合方程；
基于前向差分法对所述结合方程进行离散化处理，获取电容电压偏差值的预测模型。
在本发明实施例中，本发明对UPS系统中的逆变器采用基于模型预测的容错控制，并考虑对母线电容的电压补偿，减小了直流侧母线电容电压偏移对系统性能的影响；以d-q坐标系下的电压为控制目标，与普通的控制方法相比，易操作，对系统精度要求不高，建模方便，提高了系统的动态特性和可靠性。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的UPS系统中逆变器的容错控制装置的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的故障的逆变器容错拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例中的UPS系统中逆变器的容错控制方法的流程示意图。
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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1和图2，图1是本发明实施例中的UPS系统中逆变器的容错控制装置的结构组成示意图；图2是本发明实施例中的故障的逆变器容错拓扑结构示意图。
如图1和图2所示，一种UPS系统中逆变器的容错控制装置，所述装置包括：Park变换模块4、Clark变换模块2、电压预测模块1、PLL锁相环模块3、电压补偿模块7、价值函数模块5、母线电容电压偏移计算模块6、三相四开关逆变器模块8、负载模块9；其中，所述三相四开关逆变器模块8输出端依次与所述电压预测模块1和所述负载模块9相连接，所述Clark变换模块2一端与所述Park变换模块4，一端与所述电压预测模块1；所述Park变换模块4分别与所述PLL锁相环模块3和所述价值函数模块5相连接；所述电压补偿模块7分别与所述母线电容电压偏移计算模块6和所述价值函数模块5相连接；所述价值函数模块5的输出端与所述三相四开关逆变器模块8相连接。
在本发明具体实施过程中，所述容错控制装置还包括空心电感线圈；所述空心电感线圈设置在所述三相四开关逆变器模8块与所述负载模块9之间；所述三相四开关逆变器模块8的输出端在未与所述空心电感线圈连接前与所述电压预测模块1相连接；所述空心电感线圈输出端通过电容器与所述电压预测模块1相连接；以及所述空点电感线圈输出端与所述电压预测模块1相连接。
在本发明具体实施过程中，所述电压预测模块1用于将输入的电压和电流转化为自然坐标系下的电压预测模型和电流预测模型输入至所述Clark变换模块2；所述电压预测模型和所述电流预测模型经过所述Clark变换模块2得到α-β坐标系下k+1时刻的电压离散方程，并同时与所述PLL锁相环模块3得到α轴与d轴之间的角度差θ输入所述Park变换模块4；通过所述Park变换模块4得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；以及以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值形式的价值函数；将k+1时刻的d-q轴预测电压与d-q轴电压参考值经过价值函数模块5得到最优电压矢量所对应的开关状态并输入所述三相四开关逆变器模块8。
进一步的，所述母线电容电压偏移计算模块6用于根据采用直流母线上下电容电压值获得电容电压偏差值的预测模型，并将k+1时刻的电容电压偏差值输入所述价值函数模块5的价值函数中。
具体的，采样三相四开关逆变器模块8输出电流、输出电流以及输出电压通过电压预测模块1得到自然坐标系下的电压预测模型，再通过Clark变换模块2得到α-β坐标系下k+1时刻的电压离散方程；同时将三相电流通过PLL锁相环模块3得到α轴与d轴之间的角度差θ，再通过Park变换模块4得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值最小的价值函数。k+1时刻的d-q轴预测电压与d-q轴电压参考值经过价值函数模块5得到最优电压矢量所对应的开关状态Sabc，开关状态Sabc经过三相四开关逆变器模块8从而实现对逆变器的容错控制。
采样直流母线上下电容电压值，通过母线电容电压偏移计算模块6可得到电容电压偏差值的预测模型；将k+1时刻的电容电压偏差值加入到上述建立的价值函数中，得到一个包含电容电压偏差预测的新的价值函数，通过价值函数最优化选取最优电压矢量同时电容电压偏差最小所对应的开关状态并应用到下一采样时刻，实现对逆变器母线电容的电压补偿。
实施例
请参阅图3，图3是本发明实施例中的UPS系统中逆变器的容错控制方法的流程示意图。
如图3所示，一种UPS系统中逆变器的容错控制方法，所述方法包括：
S31：采用三相四开关逆变器的滤波电流、输出电流和输出电压，并通过Clark变换模块获得α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程；
在本发明具体实施过程中，所述采用三相四开关逆变器的滤波电流、输出电流和输出电压，并通过Clark变换模块获得α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程，包括：建立三相四开关逆变器交流测相电压与开关函数的关系；基于所述关系进行Clark变换模块的变换得到α-β坐标系下的电压；建立系统在连续域的数学模型；对所述数学模型进行离散化以及通过Clark变换模块变换处理，得到α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程。
具体的，建立三相四开关逆变器交流测相电压与开关函数之间的关系：具体如下公式：
Figure BDA0002292571680000071
式中：vaN,vbN和vcN分别表示逆变器的三相输出点电位、指令侧负极N点电位之差；Uc1和Uc2分别为电容C1和C2两端的电压；Sb和Sc为逆变器桥臂b和c的开关信号。
对(1)式进行Clark变换模块的变换得到α-β坐标系下的电压，如下公式：
Figure BDA0002292571680000072
式中：；viα和viβ分别表示αβ坐标系下的逆变器输出的电压。
建立系统在连续域的数学模型，模型如下公式：
Figure BDA0002292571680000073
其中，L和C分别为滤波器的电感和电容，if为滤波器电流，vo为负载相电压，io表示负载电流。
对所述数学模型进行离散化以及通过Clark变换模块变换处理，得到α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程；具体如下公式：
其中，if(k+1)和if(k)分别表示k+1和k时刻的滤波电流，vi(k)表示k时刻的逆变器输出的电压，vo(k+1)和vo(k)分别表示(k+1)和k时刻的负载相电压矢量，Ts为采样周期，io(k)表示k时刻的负载电流。
在式(4)中可以发现，vi项只出现在了电感的KCL方程中，所以只能预测下一采样时刻的if，而不能预测下一采样时刻的输出电压v0，因此需要对式(4)做如下变换：
Figure BDA0002292571680000081
式中：if(k)和if(k-1)分别表示k和k-1时刻的滤波电流。
通过Clark变换模块的变换得到α-β坐标系下的电流电压方程：
Figure BDA0002292571680000082
式中：ifα(k)和ifβ(k)分别表示k时刻的αβ坐标系下的滤波电流；ioα(k)和ioβ(k)分别表示k时刻的αβ坐标系下的负载电流；voα(k)和voβ(k)分别表示k时刻的αβ坐标系下的负载相电压；voα(k+1)和voβ(k+1)分别表示k+1时刻的αβ坐标系下的负载相电压；viα(k)和viβ(k)分别表示k时刻的αβ坐标系下的逆变器输出的电压；voα(k+1)和voβ(k+1)分别表示k+1时刻的αβ坐标系下的逆变器输出的电压。
S32：将三相电流通过PLL锁相环模块得到α轴与d轴之间的角度差θ，通过Park变换模块得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；
在本发明具体实施过程中，该电压离散方程如下：
Figure BDA0002292571680000084
式中：vod(k+1)和voq(k+1)分别表示k+1时刻的dq坐标系下的负载相电压；
S33：以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值最小的价值函数；
在本发明具体实施过程中，最小的价值函数如下：
g0＝|vod *-vod|2+|voq *-voq|2 (9)
其中，
Figure BDA0002292571680000091
分别为参考电压矢量在d轴、q轴的电压分量；vod、voq分别为电压矢量预测值的d轴、q轴的电压分量。
S34：采样资料模型上下电容电压值，根据三相四开关逆变器模块拓扑建立直流母线电容的电流方程，通过前向差分放对其进行离散化，获得电容电压偏差值的预测模型；
在本发明具体实施过程中，所述采样资料模型上下电容电压值，根据三相四开关逆变器模块拓扑建立直流母线电容的电流方程，通过前向差分放对其进行离散化，获得电容电压偏差值的预测模型，包括：建立直流母线电流方程和指令模型电容电流方程；基于直流母线电流方程和指令模型电容电流方程进行结合，获取结合方程；基于前向差分法对所述结合方程进行离散化处理，获取电容电压偏差值的预测模型。
具体的，建立直流母线电流方程和母线电容电流方程：
Figure BDA0002292571680000092
Figure BDA0002292571680000093
其中，iC1和iC2分别为流入直流母线电容的电流，idC1和idC2分别为流过桥臂开关的电流。
结合式(10)和(11)可得：
Figure BDA0002292571680000094
利用前向差分法对式(12)进行离散化可得：
Figure BDA0002292571680000095
式中：ΔU_p为电容电压差值。
对式(6)进行反Clark变换可得：
Figure BDA0002292571680000096
式(14)结合式(6)可以得到k+1时刻流入α相的电流值：
Figure BDA0002292571680000101
式中：ifa(k+1)表示k+1时刻α相电流值。
S35：将k+1时刻的电容电压偏差值加入到上述建立的价值函数中，得到一个包含电容电压偏差预测的更新价值函数；
在本发明具体实施过程中，更新价值函数如下：
g＝|vod *-vod|2+|voq *-voq|2+ΔU_p| (16)
式中：g为价值函数。
S36：通过更新价值函数的最优电压矢量以及电容电压偏差最小所对应的开关状态并应用到下一采样时刻，实现对逆变器包含电容电压补偿的容错控制。
在本发明实施例中，本发明对UPS系统中的逆变器采用基于模型预测的容错控制，并考虑对母线电容的电压补偿，减小了直流侧母线电容电压偏移对系统性能的影响；以d-q坐标系下的电压为控制目标，与普通的控制方法相比，易操作，对系统精度要求不高，建模方便，提高了系统的动态特性和可靠性。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种UPS系统中逆变器的容错控制装置及其控制方法进行了详细介绍，本文中应采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 (7)

1.一种UPS系统中逆变器的容错控制装置，其特征在于，所述装置包括：Park变换模块、Clark变换模块、电压预测模块、PLL锁相环模块、电压补偿模块、价值函数模块、母线电容电压偏移计算模块、三相四开关逆变器模块、负载模块；其中，
所述三相四开关逆变器模块输出端依次与所述电压预测模块和所述负载模块相连接，所述Clark变换模块一端与所述Park变换模块，一端与所述电压预测模块；所述Park变换模块分别与所述PLL锁相环模块和所述价值函数模块相连接；所述电压补偿模块分别与所述母线电容电压偏移计算模块和所述价值函数模块相连接；所述价值函数模块的输出端与所述三相四开关逆变器模块相连接。
2.根据权利要求1所述的UPS系统中逆变器的容错控制装置，其特征在于，所述容错控制装置还包括空心电感线圈；
所述空心电感线圈设置在所述三相四开关逆变器模块与所述负载模块之间；所述三相四开关逆变器模块的输出端在未与所述空心电感线圈连接前与所述电压预测模块相连接；所述空心电感线圈输出端通过电容器与所述电压预测模块相连接；以及所述空点电感线圈输出端与所述电压预测模块相连接。
3.根据权利要求1所述的UPS系统中逆变器的容错控制装置，其特征在于，所述电压预测模块用于将输入的电压和电流转化为自然坐标系下的电压预测模型和电流预测模型输入至所述Clark变换模块；
所述电压预测模型和所述电流预测模型经过所述Clark变换模块得到α-β坐标系下k+1时刻的电压离散方程，并同时与所述PLL锁相环模块得到α轴与d轴之间的角度差θ输入所述Park变换模块；
通过所述Park变换模块得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；
以及以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值形式的价值函数；
将k+1时刻的d-q轴预测电压与d-q轴电压参考值经过价值函数模块得到最优电压矢量所对应的开关状态并输入所述三相四开关逆变器模块。
4.根据权利要求3所述的UPS系统中逆变器的容错控制装置，其特征在于，所述母线电容电压偏移计算模块用于根据采用直流母线上下电容电压值获得电容电压偏差值的预测模型，并将k+1时刻的电容电压偏差值输入所述价值函数模块的价值函数中。
5.一种UPS系统中逆变器的容错控制方法，其特征在于，所述方法包括：
采用三相四开关逆变器的滤波电流、输出电流和输出电压，并通过Clark变换模块获得α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程；
将三相电流通过PLL锁相环模块得到α轴与d轴之间的角度差θ，通过Park变换模块得到d-q坐标系下k+1时刻的电压离散方程；
以k+1时刻的电压矢量为控制量，建立参考电压矢量和k+1时刻电压矢量差值最小的价值函数；
采样资料模型上下电容电压值，根据三相四开关逆变器模块拓扑建立直流母线电容的电流方程，通过前向差分放对其进行离散化，获得电容电压偏差值的预测模型；
将k+1时刻的电容电压偏差值加入到上述建立的价值函数中，得到一个包含电容电压偏差预测的更新价值函数；
通过更新价值函数的最优电压矢量以及电容电压偏差最小所对应的开关状态并应用到下一采样时刻，实现对逆变器包含电容电压补偿的容错控制。
6.根据权利要求5所述的UPS系统中逆变器的容错控制方法，其特征在于，所述采用三相四开关逆变器的滤波电流、输出电流和输出电压，并通过Clark变换模块获得α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程，包括：
建立三相四开关逆变器交流测相电压与开关函数的关系；
基于所述关系进行Clark变换模块的变换得到α-β坐标系下的电压；
建立系统在连续域的数学模型；
对所述数学模型进行离散化以及通过Clark变换模块变换处理，得到α-β坐标系下k+1时刻的电压和电流离散方程。
7.根据权利要求5所述的UPS系统中逆变器的容错控制方法，其特征在于，所述采样资料模型上下电容电压值，根据三相四开关逆变器模块拓扑建立直流母线电容的电流方程，通过前向差分放对其进行离散化，获得电容电压偏差值的预测模型，包括：
建立直流母线电流方程和指令模型电容电流方程；
基于直流母线电流方程和指令模型电容电流方程进行结合，获取结合方程；
基于前向差分法对所述结合方程进行离散化处理，获取电容电压偏差值的预测模型。
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