CN110855173A - 一种基于预测模型的ups系统逆变器的控制方法 - Google Patents

一种基于预测模型的ups系统逆变器的控制方法 Download PDF

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石瑞才
罗家勇
覃斌志
王成成
王朋
赵祖鑫
钟志东
黄翰民
杨鹏
王愚
李元良
鲍海波
李绍坚
雷文东
魏薇
王清成
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Abstract

本发明公开了一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法，其中，所述方法包括：分析UPS系统的逆变器的拓扑，建立所述UPS系统在离散域的数学模型，获得参考电压矢量；基于滤波器电流和负载电压对所述数学模型进行前向欧拉离散处理，获得负载电压的预测模型；将测量滤波器获得的电流以及电压矢量代入所述预测模型中，得到下一刻的电压矢量预测值；将参考电压矢量和电压矢量预测值代入目标函数中，计算获得对应的函数值；选出所述对应的函数值最小的参考电压矢量，并得到施加所述最小的参考电压矢量对应的开关信号，将所述开关信号输出作用于所述逆变器。在本发明实施例中，降低控制器设计的复杂性，提高了逆变器的工作性能。

Description

一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及UPS系统的逆变器控制技术领域，尤其涉及一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法。
背景技术
UPS主要由整流器、逆变器和蓄电池三大部分组成。作为一种电力电子设备，其被广泛用作重要负载的紧急备用电源，如电脑、通讯系统、应急照明系统以及医学设备等。由于UPS应用广泛且十分重要，因此一大批研究人员专注于提升其工作性能；现如今，UPS正朝着智能化、模块化和网络化的方向发展；逆变器作为UPS的核心部分，其性能好坏直接影响到了整个UPS系统的工作表现；因此，在过去的几十年间，逆变器的控制研究获得了科研工作者的广泛关注；为了追求更加优越的性能，各种传统的控制策略被相继应用于UPS系统的逆变器中；虽然这些传统的控制方法也可以实现控制目的，但是仍然存在一些问题；例如在PI闭环控制中，系统的静动态特性取决于PI参数的调节，而参数调节在大多时候非常复杂、费时费力；就目前而言，这些传统的方法都需要一个外部调制模块来产生逆变器中电力电子器件所需要的触发脉冲，还没有相关文献提出可以省去外部模块，对逆变器控制进行改进的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法，降低控制器设计的复杂性，提高了逆变器的工作性能。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法，所述方法包括：
分析UPS系统的逆变器的拓扑，建立所述UPS系统在离散域的数学模型，获得参考电压矢量；
基于滤波器电流和负载电压对所述数学模型进行前向欧拉离散处理，获得负载电压的预测模型；
将测量滤波器获得的电流以及电压矢量代入所述预测模型中，得到下一刻的电压矢量预测值；
将参考电压矢量和电压矢量预测值代入目标函数中，计算获得对应的函数值；
选出所述对应的函数值最小的参考电压矢量，并得到施加所述最小的参考电压矢量对应的开关信号，将所述开关信号输出作用于所述逆变器。
可选的，所述逆变器拥有8个开关状态。
可选的，将所述逆变器的8个开关状态，转化成向量形式为：
Figure BDA0002292568360000021
其中，a＝ej(2π/3)；
因此，逆变器输出的电压向量表示为：
Figure BDA0002292568360000022
其中，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；
同理，可得负载相电压用向量表示如下：
Figure BDA0002292568360000023
其中，Sa、Sb和Sc为三相逆变器桥臂的开关信号；vi表示逆变器输出的电压向量；vo表示负载相电压矢量；voa,vob和voc分别表示负载电压在三相线上的分电压。
可选的，所述UPS系统在离散域的数学模型为：
Figure BDA0002292568360000024
其中，L和C分别表示滤波器的电感和电容；if为滤波器电流，io表示负载电流。
可选的，所述负载电压的预测模型为：
Figure BDA0002292568360000031
其中，if为滤波器电流，Ts为采样周期，L和C分别为滤波器的电感和电容，vo为负载相电压，vi为逆变器输出的电压；if(k)和if(k-1)分别表示k和k-1时刻的滤波电流，io(k)表示k时刻的负载电流；vi(k-1)表示k-1时刻的逆变器输出的电压向量，vo(k)和vo(k-1)分别表示k和k-1时刻的负载相电压矢量Ts为采样周期。
可选的，所述目标函数为：
Figure BDA0002292568360000032
其中，
Figure BDA0002292568360000033
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。
在本发明实施例中，实施本发明实施例能降低控制器设计的复杂性，提高了逆变器的工作性能；本发明提出的方法计算量小、易于实现、准确度高、是一种能够有效提高UPS系统安全和可靠性的控制方法。
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基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的基于预测模型的UPS系统逆变器的控制系统的结构组成示意图。
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，图1是本发明实施例中的基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法的流程示意图。
如图1所示，一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法，所述方法包括：
S11：分析UPS系统的逆变器的拓扑，建立所述UPS系统在离散域的数学模型，获得参考电压矢量；
在本方具体实施过程中，所述逆变器拥有8个开关状态。
将所述逆变器的8个开关状态，转化成向量形式为：
Figure BDA0002292568360000041
其中，a＝ej(2π/3)；Sa、Sb和Sc为三相逆变器桥臂的开关信号。
因此，逆变器输出的电压向量vi表示为：
Figure BDA0002292568360000042
其中，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；
同理，可得负载相电压用向量vo表示如下：
Figure BDA0002292568360000043
voa,vob和voc分别表示负载电压在三相线上的分电压。
通过UPS系统的原理和上述(1)-(3)的公式，可以到处UPS系统在离散域的数学模型如下：
Figure BDA0002292568360000044
其中，L和C分别为滤波器的电感和电容，if为滤波器电流，io表示负载电流。
S12：基于滤波器电流和负载电压对所述数学模型进行前向欧拉离散处理，获得负载电压的预测模型；
在本发明具体实施过程中，所述负载电压的预测模型为：
所述负载电压的预测模型为：
Figure BDA0002292568360000051
其中，if为滤波器电流，Ts为采样周期，L和C分别为滤波器的电感和电容，vo为负载相电压矢量，vi为逆变器输出的电压；if(k)和if(k-1)分别表示k和k-1时刻的滤波电流，io(k)表示k时刻的负载电流；vi(k-1)表示k-1时刻的逆变器输出的电压向量，vo(k)和vo(k-1)分别表示k和k-1时刻的负载相电压矢量Ts为采样周期。
具体的，对式(4)进行前向欧拉离散处理，可得：
其中，其中，if为滤波器电流，Ts为采样周期，L和C分别为滤波器的电感和电容，vo为负载相电压矢量，vi为逆变器输出的电压；if(k)和if(k+1)分别表示k和k+1时刻的滤波电流，io(k)表示k时刻的负载电流；vi(k)表示k时刻的逆变器输出的电压向量，vo(k)和vo(k+1)分别表示k和k+1时刻的负载相电压矢量Ts为采样周期。
在式(5)中，可以发现vi项只出现在电感的方程中，所以仅能预测下一采样时刻if，不能进一步预测输出电压vo(k+1)，因此，需要对式(5)做如下变换：
Figure BDA0002292568360000053
其中，if为滤波器电流，Ts为采样周期，L和C分别为滤波器的电感和电容，vo为负载相电压矢量，vi为逆变器输出的电压；if(k)和if(k-1)分别表示k和k-1时刻的滤波电流，io(k)表示k时刻的负载电流；vi(k-1)表示k-1时刻的逆变器输出的电压向量，vo(k)和vo(k-1)分别表示k和k-1时刻的负载相电压矢量Ts为采样周期。
S13：将测量滤波器获得的电流以及电压矢量代入所述预测模型中，得到下一刻的电压矢量预测值；
在本发明具体实施过程中，在公式(5)中，可以发现vi项只出现在电感的方程中，所以仅能预测下一采样时刻的if，不能进一步预测输出电压vo(k+1)，因此需要对式(5)做如下变换：
Figure BDA0002292568360000061
式中：vo(k+1)和vo(k)分别表示k+1时刻的负载相电压矢量。
将公式(6)转换到αβ坐标系下有：
Figure BDA0002292568360000063
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。
将公式(8)转换到dq坐标系下有：
Figure BDA0002292568360000064
式中：vo(k+1)和vo(k+1)分别表示k+1时刻的qq坐标系下的负载相电压；
S14：将参考电压矢量和电压矢量预测值代入目标函数中，计算获得对应的函数值；
在本发明具体实施过程中，所述目标函数为：
Figure BDA0002292568360000071
其中，
Figure BDA0002292568360000072
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。
具体的，通过将上述得到的参考电压矢量和电压矢量预测值代入目标函数中，从而计算得到对应的函数值
S15：选出所述对应的函数值最小的参考电压矢量，并得到施加所述最小的参考电压矢量对应的开关信号，将所述开关信号输出作用于所述逆变器。
在本发明具体实施过程中，在计算获得函数值之后，选取这些函数值中最小的参考电压矢量，并获得施加该最小的参考电压矢量对应的开关信号，将该开关信号输出作用于该逆变器，进而实现对UPS系统的控制。
实施例
请参阅图2，图2是本发明实施例中的基于预测模型的UPS系统逆变器的控制系统的结构组成示意图。
如图2所示，一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制系统，包括价值函数、逆变器、LC滤波器、预测模型、PLL、负载和开关模块，该开关模块用于产生8个开关状态并转换为向量形式；该控制系统用于实施执行上述实施例中的控制方法。
具体的实施方式请参详上述实施例，在此不再赘述。
在本发明实施例中，实施本发明实施例能降低控制器设计的复杂性，提高了逆变器的工作性能；本发明提出的方法计算量小、易于实现、准确度高、是一种能够有效提高UPS系统安全和可靠性的控制方法。
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基于预测模型的UPS系统逆变器的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 (6)

1.一种基于预测模型的UPS系统逆变器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
分析UPS系统的逆变器的拓扑，建立所述UPS系统在离散域的数学模型，获得参考电压矢量；
基于滤波器电流和负载电压对所述数学模型进行前向欧拉离散处理，获得负载电压的预测模型；
将测量滤波器获得的电流以及电压矢量代入所述预测模型中，得到下一刻的电压矢量预测值；
将参考电压矢量和电压矢量预测值代入目标函数中，计算获得对应的函数值；
选出所述对应的函数值最小的参考电压矢量，并得到施加所述最小的参考电压矢量对应的开关信号，将所述开关信号输出作用于所述逆变器。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述逆变器拥有8个开关状态。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，将所述逆变器的8个开关状态，转化成向量形式为：
其中，a＝ej(2π/3)；
因此，逆变器输出的电压向量表示为：
Figure FDA0002292568350000012
其中，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；
同理，可得负载相电压矢量用向量表示如下：
Figure FDA0002292568350000021
其中，Sa、Sb和Sc为三相逆变器桥臂的开关信号；vi表示逆变器输出的电压向量；vo表示负载相电压矢量；voa,vob和voc分别表示负载电压在三相线上的分电压。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述UPS系统在离散域的数学模型为：
其中，L和C分别表示滤波器的电感和电容；if为滤波器电流，io表示负载电流。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述负载电压的预测模型为：
Figure FDA0002292568350000023
其中，if为滤波器电流，Ts为采样周期，L和C分别为滤波器的电感和电容，vo为负载相电压矢量，vi为逆变器输出的电压；if(k)和if(k-1)分别表示k和k-1时刻的滤波电流，io(k)表示k时刻的负载电流；vi(k-1)表示k-1时刻的逆变器输出的电压向量，vo(k)和vo(k-1)分别表示k和k-1时刻的负载相电压矢量Ts为采样周期。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述目标函数为：
Figure FDA0002292568350000024
其中，
Figure FDA0002292568350000025
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。
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