CN111262460A - 一种基于耦合电感的五电平整流器滑模pir控制方法 - Google Patents

一种基于耦合电感的五电平整流器滑模pir控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，包括对所述单相五电平PWM整流器进行双闭环控制的电压外环滑模控制算法和电流内环PIR控制算法，电压外环滑模控制算法包括根据单相五电平PWM整流器的d‑q同步旋转坐标系下的状态方程设计电压外环滑模控制器，电流内环PIR控制算法包括在内环PI控制器上并联若干个准谐振控制器构成多PIR控制器，该方法利用滑模控制来提升单相五电平PWM整流器的抗干扰能力和鲁棒性，提高系统的动态性能，对于直流侧二次纹波造成的网侧电流中的低次谐波采用PIR控制器进行抑制，进而降低网侧输入电流谐波总谐波畸变含量。

Description

一种基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是一种基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的快速发展，电力电子装置功率等级不断提高，由于受到耐压等级的限制，在高压大容量的场合多电平PWM整流器受到了人们的关注。多电平PWM整流器具有提高电压等级和减小网侧电流谐波的特点，在电力机车牵引、船舶推进、不间断电源、电力系统无功补偿等领域得到了广泛的应用。基于耦合电感的单相五电平PWM整流器是一种新型的多电平整流器，相比较传统多电平整流器拓扑具有开关管个数少、不需要电容电压平衡控制等优势，具有广阔的发展前景。由于基于耦合电感的单相五电平PWM整流器具有诸多优势，对其控制策略的研究也具有着重要意义。
PWM整流器性能的优劣和其控制策略息息相关，不同的控制策略对整流器性能的影响较大。在以往的研究中，很多的多电平PWM整流器控制技术都是直接来源于传统两电平PWM整流器的控制算法，相对来说，这些PWM整流器控制技术在两电平整流器中已经成熟应用多年，经过一定的变化都可以应用到多电平整流器当中。
针对PWM整流器的控制策略，相关专家学者进行了大量的研究。主要包括有滞环电流控制、瞬态电流控制、比例谐振控制、d-q坐标系PI电流解耦控制等。其中，滞环电流控制实现简单，系统响应快速，但开关频率不固定，造成电流谐波的分布广，不利于滤波器的设计；瞬态电流控制可以固定开关频率，但由于内环采用PI控制器，会存在稳态误差；比例谐振控制能够有效消除电流稳态误差，但控制效果对网侧电压变化非常敏感；d-q坐标系PI电流解耦控制采用常规的PI控制器，实现简单，但难以满足理想的控制效果，系统的动态性能较差，难以实现电流电压的快速跟踪，且存在网侧输入电流的总谐波畸变率(THD)较大的问题。
滑模变结构控制技术是20世纪60年代，前苏联学者S.v.Emelynaov和V.Utkin等人提出的，因其具有较强的鲁棒性和抗干扰性，而且控制简单易于实现，在很多工程领域得到应用。国内外学者将PI控制器并联谐振控制器的方法进行研究，作为一种新的PIR控制器，用于逆变器控制当中能够有效降低电网电压畸变时出现的扰动状况。这两种技术应用虽然广泛，但在多电平整流器控制当中仍需进一步研究。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，该方法以基于耦合电感的单相五电平PWM整流器为研究对象，利用滑模控制来提升单相五电平PWM整流器的抗干扰能力和鲁棒性，提高系统的动态性能，对于直流侧二次纹波造成的网侧电流中的低次谐波采用PIR控制器进行抑制，进而降低网侧输入电流谐波总谐波畸变含量。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，该控制方法包括对所述单相五电平PWM整流器进行双闭环控制的电压外环滑模控制算法和电流内环PIR控制算法；所述电压外环滑模控制算法包括根据单相五电平PWM整流器的d-q同步旋转坐标系下的状态方程设计电压外环滑模控制器，所述电流内环PIR控制算法包括在内环PI控制器上并联若干个准谐振控制器构成多PIR控制器；所述基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法具体包括以下步骤：
S1：根据基于耦合电感的单相五电平PWM整流器拓扑，通过开关函数定义，建立与之对应的数学模型：
Figure BDA0002384935590000021
其中，us、is分别为单相五电平PWM网侧的电压、电流值，Ls为单相五电平PWM网侧等效电感，Rs为单相五电平PWM网侧等效电阻，uad为单相五电平PWM整流器输入端电压值，udc为单相五电平PWM整流器直流侧负载的电压，idc为单相五电平PWM整流器直流侧负载的电流，Si为定义的单相五电平PWM整流器电路开关状态函数；
S2：根据步骤S1中基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的数学模型，将其转换到d-q同步旋转坐标系下，得到基于耦合电感的单相五电平PWM整流器d-q同步旋转坐标系下的状态方程为：
Figure BDA0002384935590000031
其中，ud、uq分别为单相五电平PWM整流器网侧电压的d、q轴分量，id、iq分别为单相五电平PWM整流器网侧电流的d、q轴分量，uadd、uadq分别为单相五电平PWM整流器输入端电压d、q轴分量，Sd、Sq为单相五电平PWM整流器系统开关函数Si转换到d-q坐标系下的变量；
S3：根据基于耦合电感的单相五电平PWM整流器d-q同步旋转坐标系下的状态方程设计单相五电平PWM整流器的电压外环滑模控制器，选择udc、iq为输出变量。设：
Figure BDA0002384935590000032
选取滑模面为：
Figure BDA0002384935590000041
其中，β为滑模控制反馈系数；
所述电压外环滑模控制器的滑模控制率为：
Figure BDA0002384935590000042
整流器系统稳态时有
Figure BDA0002384935590000043
即
Figure BDA0002384935590000044
则可得电流内环指令电流
Figure BDA0002384935590000045
为：
Figure BDA0002384935590000046
S4：采用PI控制器并联谐振控制器构成PIR控制器，为降低网侧电流THD，在内环控制设计中采用若干个准谐振控制器并联，构成多PIR控制器，从而完成电流内环PIR控制器设计，在d-q坐标系下将PI控制器替换为PIR控制器，可得电流内环控制方程为：
Figure BDA0002384935590000047
S5：将得到的d轴电压指令信号uadd和q轴电压指令信号uadq进行由同步旋转坐标系到静止坐标系的变换，得到调制波信号，送入调制模块产生PWM信号波，完成基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的控制。
作为对上述技术方案的改进，所述基于耦合电感的单相五电平PWM整流器包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，一个耦合电感M，所述开关管S1和S2串联后构成第一桥臂，所述开关管S3和S4串联后构成第二桥臂，所述开关管S5和S6串联后构成第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂构成相互并联的桥式结构，所述耦合电感M的两端Lb、Lc分别接入第二桥臂S3和S4、第三桥臂S5和S6的中间位置。
作为对上述技术方案的改进，所述单相五电平PWM整流器在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，其中内环控制设计中采用两个准谐振控制器并联，所述电压外环滑模控制器中控制反馈系数β＝0.0045，谐振控制器截止频率为ωc＝5rad/s，所述两个准谐振控制器的仿真参数相同。
作为对上述技术方案的改进，所述网侧电压us＝310V，等效输入电感Ls＝3.5mH，等效电阻Rs＝0.05Ω，耦合电感M的两端Lb＝Lc＝3mH。
与现有的技术相比，本发明有益的效果为：
1、将滑模变结构控制方法引入单相PWM整流器控制系统，提升了单相PWM整流器的鲁棒性、抗干扰性和动态响应能力；2、在单相PWM整流器电流内环控制中采用PIR控制器，对整流器直流侧电压脉动引起的网侧电流谐波进行了抑制。
附图说明
图1为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器滑模PIR控制结构图；
图2为电流内环PIR控制器内部示意图；
图3为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器拓扑图；
图4为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器传统PI电流解耦控制方法网侧电压电流波形图；
图5为基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法网侧电压电流波形图；
图6为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器传统PI电流解耦控制方法网侧输入电流的傅里叶分析图；
图7为基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法网侧输入电流的傅里叶分析图；
图8为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器传统PI电流解耦控制方法直流电压动态响应波形图；
图9为基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法直流电压动态响应波形图；
图10为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器传统PI电流解耦控制方法网侧电压电流实验图；
图11为基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法网侧电压电流实验图；
图12为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器传统PI电流解耦控制方法负载突变直流侧电压和网侧输入电流实验图；
图13为基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法负载突变直流侧电压和网侧输入电流实验图；
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。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明的基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，如图1所示，该控制方法包括电压外环滑模控制算法和电流内环PIR控制算法，该控制方法采用电压外环滑模控制算法和电流内环PIR控制算法对所述单相五电平PWM整流器进行双闭环控制，所述电压外环滑模控制算法包括根据单相五电平PWM整流器的d-q同步旋转坐标系下的状态方程设计电压外环滑模控制器，所述电流内环PIR控制算法包括在内环PI控制器上并联若干个准谐振控制器构成多PIR控制器，所述基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法具体包括以下步骤：
步骤一：根据基于耦合电感的单相五电平PWM整流器拓扑，通过开关函数定义，建立与之对应的数学模型：
Figure BDA0002384935590000071
其中，us、is分别为单相五电平PWM网侧电压电流值，Ls为单相五电平PWM网侧等效电感，Rs为单相五电平PWM网侧等效电阻，uad为单相五电平PWM整流器输入端电压值，udc为单相五电平PWM整流器直流侧负载的电压，idc为单相五电平PWM整流器直流侧负载的电流，Si为定义的单相五电平PWM整流器电路开关状态函数；
单相系统仅有一个自由度，无法直接进行坐标变换，通过采样延迟90°法构造一个与实际电压、电流正交的虚拟量，稳态情况下网侧电压、电流在两相静止坐标系下可以表示为：
Figure BDA0002384935590000072
Figure BDA0002384935590000073
其中，Um、Im分别为网侧电压、电流峰值，ω为网侧电压角频率，
Figure BDA0002384935590000074
为网侧电流滞后电压相位角。
将两相静止坐标系下的网侧电压、电流信号，转换到同步旋转坐标系下，同步旋转坐标系下的网侧电压、网侧电流d、q分量可以表示为：
Figure BDA0002384935590000075
Figure BDA0002384935590000076
步骤二：根据步骤一中基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的数学模型，将其转换到d-q同步旋转坐标系下，得到基于耦合电感的单相五电平PWM整流器d-q同步旋转坐标系下的状态方程为：
Figure BDA0002384935590000081
其中，ud、uq、id、iq分别为单相五电平PWM整流器网侧电压、电流d、q轴分量，uadd、uadq分别为单相五电平PWM整流器输入端电压d、q轴分量，Sd、Sq为单相五电平PWM整流器系统开关函数转换到d-q坐标系下的变量；
步骤三：根据PWM整流器的控制目标要求，在系统稳态时有
Figure BDA0002384935590000082
Figure BDA0002384935590000083
选择iq、udc为输出变量，设：
Figure BDA0002384935590000084
根据单相五电平PWM整流器d-q同步旋转坐标系下的状态方程设计单相五电平PWM整流器的电压外环滑模控制器，选择滑模面为：
Figure BDA0002384935590000085
其中，β为滑模控制反馈系数，根据滑模控制理论，系统响应速度与β取值有关。
根据单相PWM整流器d-q坐标系下的数学模型和选取的滑模面函数可得电压外环滑模控制器的滑模控制率：
Figure BDA0002384935590000091
当系统稳定时，在d-q坐标系下有iq＝0、uq＝0、
Figure BDA0002384935590000092
d(id/dt)＝d(iq/dt)＝0，根据单相五电平PWM整流器在d-q坐标系下的数学模型，得到整流器开关函数：
Figure BDA0002384935590000093
根据公式(10)和公式(9)可得：
Figure BDA0002384935590000094
整流器系统稳态时有
Figure BDA0002384935590000095
即
Figure BDA0002384935590000096
则可得电流内环指令电流
Figure BDA0002384935590000097
为：
Figure BDA0002384935590000098
步骤四：采用PI控制器并联谐振控制器构成PIR控制器，为降低网侧电流THD，在内环控制设计中采用多个准谐振控制器并联，构成多PIR控制器，从而完成电流内环PIR控制器设计，在d-q坐标系下，传统PI电流解耦控制算法的控制方程为：
Figure BDA0002384935590000099
其中，
Figure BDA00023849355900000910
为d-q坐标系内环输入给定电流，Kp、Ki为PI控制器参数；
为减少网侧电流谐波，在内环PI控制器上并联谐振控制器，构成PIR控制器，理想的谐振控制器传递函数为：
Figure BDA00023849355900000911
其中，kr为谐振系数，ω0为谐振频率；
为减少电网波动对输出增益的影响，使用改进型的准谐振控制器，其传递函数为：
Figure BDA0002384935590000101
其中，ωc为谐振控制器截止频率；
使用改进型的准谐振控制器构成PIR控制器，其传递函数为：
Figure BDA0002384935590000102
如图2所示，为尽可能多的降低网侧电流的谐波含量，在单相五电平PWM整流器内环控制中采用多个准谐振控制器并联，构成多PIR控制器，在d-q坐标系下将PI控制器替换为PIR控制器，可得电流内环控制方程为：
Figure BDA0002384935590000103
步骤五：将得到的d轴电压指令信号和q轴电压指令信号进行同步旋转坐标系到静止坐标系的变换，得到调制波信号，送入调制模块产生PWM信号波，完成基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的控制。
如图3所示，所述基于耦合电感的单相五电平PWM整流器包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，一个耦合电感M，所述开关管S1和S2串联后构成第一桥臂，所述开关管S3和S4串联后构成第二桥臂，所述开关管S5和S6串联后构成第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂构成相互并联的桥式结构，所述耦合电感M的两端Lb、Lc分别接入第二桥臂S3和S4、第三桥臂S5和S6的中间位置。
所述单相五电平PWM整流器在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，其中内环控制设计中采用两个准谐振控制器并联，所述电压外环滑模控制器中控制反馈系数β＝0.0045，谐振控制器截至频率为ωc＝5rad/s，所述两个准谐振控制器的仿真参数相同。
所述网侧电压us＝310V，等效输入电感Ls＝3.5mH，等效电阻Rs＝0.05Ω，耦合电感M的两端Lb＝Lc＝3mH。
图4-图9为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器仿真波形图。
图4和图5可知传统PI电流解耦控制和本发明滑模PIR控制算法都能够实现单相五电平PWM整流器单位功率因数运行。
图6和图7可知，传统PI电流解耦控制网侧输入电流谐波畸变傅里叶分析结果为4.73％，而本发明滑模PIR控制算法网侧输入电流谐波畸变傅里叶分析结果为2.83％；说明基于耦合电感的单相五电平PWM整流器采用滑模PIR控制算法可以减少网侧电流谐波含量。
图8和图9可知，相比于传统PI电流解耦控制算法，本发明滑模PIR控制算法在系统启动的时候直流侧无超调，且当负载发生突变时，滑模PIR控制算法的单相五电平PWM整流器具有更快的动态性能。
图10-图13为基于耦合电感的单相五电平PWM整流器实验波形。
图10-图11可以看出传统PI电流解耦控制算法和本发明滑模PIR控制算法都能实现整流器单位功率因数运行，但相对来说滑模PIR控制的单相五电平PWM整流器网侧输入电流正弦度更高。
图12-图13为负载突变时，单相五电平PWM整流器的直流侧负载实验波形图，由图可知，本发明滑模PIR控制算法相对于传统PI电流解耦控制算法具有更快速的动态响应能力。
本发明结合滑模控制和比例积分谐振控制器的优点，提出滑模PIR控制算法，不仅能够提升基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的鲁棒性、抗干扰能力和动态响应，还能够降低多电平整流器网侧电流谐波含量，该控制算法简单，容易数字化实现，具有很强的实用性。

Claims (4)

1.一种基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，其特征在于，该控制方法包括对所述单相五电平PWM整流器进行双闭环控制的电压外环滑模控制算法和电流内环PIR控制算法；所述电压外环滑模控制算法包括根据单相五电平PWM整流器的d-q同步旋转坐标系下的状态方程设计电压外环滑模控制器，所述电流内环PIR控制算法包括在内环PI控制器上并联若干个准谐振控制器构成多PIR控制器；所述基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法具体包括以下步骤：
S1：根据基于耦合电感的单相五电平PWM整流器拓扑，通过开关函数定义，建立与之对应的数学模型：
Figure FDA0002384935580000011
其中，us、is分别为单相五电平PWM网侧的电压、电流值，Ls为单相五电平PWM网侧等效电感，Rs为单相五电平PWM网侧等效电阻，uad为单相五电平PWM整流器输入端电压值，udc为单相五电平PWM整流器直流侧负载的电压，idc为单相五电平PWM整流器直流侧负载的电流，Si为定义的单相五电平PWM整流器电路开关状态函数；
S2：根据步骤S1中基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的数学模型，将其转换到d-q同步旋转坐标系下，得到基于耦合电感的单相五电平PWM整流器d-q同步旋转坐标系下的状态方程为：
Figure FDA0002384935580000012
其中，ud、uq分别为单相五电平PWM整流器网侧电压的d、q轴分量，id、iq分别为单相五电平PWM整流器网侧电流的d、q轴分量，uadd、uadq分别为单相五电平PWM整流器输入端电压d、q轴分量，Sd、Sq为单相五电平PWM整流器系统开关函数Si转换到d-q坐标系下的变量；
S3：根据基于耦合电感的单相五电平PWM整流器d-q同步旋转坐标系下的状态方程设计单相五电平PWM整流器的电压外环滑模控制器，选择udc、iq为输出变量；设：
Figure FDA0002384935580000021
选取滑模面为：
Figure FDA0002384935580000022
其中，β为滑模控制反馈系数；
所述电压外环滑模控制器的滑模控制率为：
Figure FDA0002384935580000023
整流器系统稳态时有
Figure FDA0002384935580000024
即
Figure FDA0002384935580000025
则可得电流内环指令电流
Figure FDA0002384935580000026
为：
Figure FDA0002384935580000027
S4：采用PI控制器并联谐振控制器构成PIR控制器，为降低网侧电流THD，在内环控制设计中采用若干个准谐振控制器并联，构成多PIR控制器，从而完成电流内环PIR控制器设计，在d-q坐标系下将PI控制器替换为PIR控制器，可得电流内环控制方程为：
Figure FDA0002384935580000031
S5：将得到的d轴电压指令信号uadd和q轴电压指令信号uadq进行由同步旋转坐标系到静止坐标系的变换，得到调制波信号，送入调制模块产生PWM信号波，完成基于耦合电感的单相五电平PWM整流器的控制。
2.根据权利要求1所述基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，其特征在于，所述基于耦合电感的单相五电平PWM整流器包括六个开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，一个耦合电感M；所述开关管S1和S2串联后构成第一桥臂，所述开关管S3和S4串联后构成第二桥臂，所述开关管S5和S6串联后构成第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂构成相互并联的桥式结构，所述耦合电感M的两端Lb、Lc分别接入第二桥臂S3和S4、第三桥臂S5和S6的中间位置。
3.根据权利要求2所述基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，其特征在于，所述单相五电平PWM整流器在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，其中内环控制设计中采用两个准谐振控制器并联，所述电压外环滑模控制器中控制反馈系数β＝0.0045，谐振控制器截至频率为ωc＝5rad/s，所述两个准谐振控制器的仿真参数相同。
4.根据权利要求3所述基于耦合电感的五电平整流器滑模PIR控制方法，其特征在于，所述网侧电压us＝310V，等效输入电感Ls＝3.5mH，等效电阻Rs＝0.05Ω，耦合电感M的两端Lb＝Lc＝3mH。
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