CN111538238B - 一种开关切换序列控制和误差分析方法、设备、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于功率电子学中的功率开关控制技术领域，公开了一种一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法及系统，单相L型逆变器用于建立一阶离散开关系统模型；可控直流电源用于产生所需的控制输入变量u的幅值大小；控制板编写DSP程序使得逆变器中的功率开关元件按所设计的开关序列进行切换，并对采集到的电流信号进行离散化处理；带数字滤波功能的示波器用于观测电流信号和跟踪给定信号，并进行误差分析。本发明基于开关控制理论充分讨论整个电力系统的稳定性，其跟踪给定信号的动态响应快，在跟定信号发生改变时，有着精确的稳态误差。

Description

一种开关切换序列控制和误差分析方法、设备、存储介质

技术领域

本发明属于功率电子学中的功率开关控制技术领域，尤其涉及一种一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法及系统。

背景技术

目前，近几十年中，电力电子设备得到了较好的发展，大量功率开关元件广泛用于新能源并网系统中，例如：MOSFET，IGBT，SiC和KaN等。功率开关元件的高频开关量使得电力系统成为了开关系统。然而单个电力电子设备对整个电力系统的稳定性的影响没有确切的理论依据，只是通过精心设计的开关控制策略来实现电力系统良好的性能。

大量的电源开关元件连接到电网中时，这些元件之间会相互影响，电网的性能和稳定性会下降。传统的多用途并联转换器的PWM在电力系统中导致高频振荡。通过同步不同转换器中PWM的载波，全局同步PWM来抑制高次谐波。控制PWM载波的相位，以减少由不同电源开关系统引起的高频振荡。进一步证明，每个电力电子设备的开关控制策略对整个系统都有重大影响。但是，上述方法没有提供系统的理论来分析功率开关控制的稳定性和稳态精度。

模型预测控制(MPC)是一种众所周知的开关控制策略，MPC的模型是离散的，已广泛应用于多种电源开关系统中。在最近的几十年中，已有许多文献提供了大量先进的MPC，以提高各种电力电子设备的性能，并用Lyapunov函数证明所提出的MPC是有界的。然而这些文献没有给出稳态误差的准确分析。

上面提到的方法都是关于电源开关控制问题的。但是，没有文献在功率电子学领域用数学方法来描述串并联逆变器问题。因此，现有方法(如PWM， MPC)之间的关系尚未得到明确讨论。另外，还没有系统地提出关于功率开关控制的稳定性和稳态精度的理论。相比现有方法，所提方法具有更好的跟踪精度。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)目前的功率电子学中的功率开关控制中，对于稳态误差分析准确性差；造成整个电力系统的稳定性效果低下，跟踪给定信号的动态响应速度慢。

(2)传统的脉宽调制(PWM)方法其原理就是依托面积等效原理，当给定信号为时变信号时或者给定信号不稳定产生扰动时，其跟踪精度将下降，跟踪误差会增大。

解决以上问题及缺陷的难度为：现有PWM方法基于面积等效原理，而忽略了给定信号时变或扰动存在情况下，在调制方法上所带来的误差，甚至有可能使得跟踪误差达不到所要求的范围，跟踪精度受到了极大的限制。

解决以上问题及缺陷的意义为：创新了一种有效的新控制方法，相比于传统PWM，在扰动存在的情况下，能够有效的跟踪给定信号，跟踪精度增大，并能为功率系统在调制方法上提供借鉴意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法及系统。

本发明是这样实现的，一种开关切换序列控制和误差分析系统，包括：

单相L型逆变器，用于建立一阶离散开关系统模型；

可控直流电源，用于产生所需的控制输入变量u的幅值大小；

控制板，用于编写DSP程序使得逆变器中的功率开关元件按所设计的开关序列进行切换(导通和切断)，并对采集到的电流信号进行离散化处理；

带数字滤波功能的示波器，用于观测电流信号和跟踪给定信号，并进行误差分析。

本发明的另一目的在于提供一种开关切换序列控制和误差分析方法包括：

步骤一，建立一阶离散开关系统模型；一阶离散开关系统模型是由单相L 型逆变器来决定的；

步骤二，设计输入变量u；

步骤三，得到功率元件开关切换序列；

步骤四，得到跟踪误差并分析。

进一步，所述步骤二中，u满足如下关系：

(a)t∈[iT,iT+k_iT]时，u＝U；

(b)t∈[iT+k_iT,(i+1)T]时，u＝-U；

其中，0≤k_i≤1，U＞0，T为时间周期，i＝0，1，2…。

进一步，所述步骤三得到功率元件开关切换序列包括：

开环时开关时间序列k_i表达式：

其中，0≤k_i≤1，a＝1-λT，0＜a＜1，λ为一阶离散系统特征值，λ＞0，U和 b为常数，U＞0，T为时间周期，x^*(iT)为跟踪给定信号；

闭环时，开关时间序列k_i表达式：

其中，0＜a₁＜1。

进一步，所述步骤四得到的跟踪误差包括：

开环时，跟踪误差的表达式为：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值；

闭环时，跟踪误差的表达式为：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值；

当i→+∞时，

本发明的另一目的在于提供一种一种搭载所述开关切换序列控制和误差分析系统的电力电子设备。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述开关切换序列控制和误差分析系统的功能。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述开关切换序列控制和误差分析系统的功能。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

如图4(1)所示，本发明在开环时跟踪给定直流信号时的跟踪稳态仿真图，如图4(2)所示，本发明在开环时跟踪给定正弦(交流)信号时的跟踪稳态仿真图，如图4(3)所示，本发明在开环时跟踪给定直流信号时的跟踪动态仿真图；如图4(4) 所示，本发明在闭环时跟踪给定直流信号时的跟踪稳态仿真图，如图4(5)所示，本发明在闭环时跟踪给定正弦(交流)信号时的跟踪稳态仿真图，如图4(6)所示，本发明在闭环时跟踪给定直流信号时的跟踪动态仿真图；该检测方法具有良好的动态响应且有着精确的稳态误差。

本发明基于开关控制理论充分讨论整个电力系统的稳定性，在T＝0.00005s 时，其跟踪给定信号的动态响应快，在跟定信号发生改变时，其跟踪速度可达 0.5ms以内，且有着精确的稳态误差；而现有的技术只给出了设计的开关控制策略，并没有系统地提出关于功率开关控制的稳定性和稳态精度的理论。由此看来，该发明所提出的一阶离散开关系统的开关切换序列控制方法和跟踪误差分析方法系统的分析了一阶离散开关控制的稳定性和稳态精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例提供的一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法流程图。

图2是本发明实施例提供的一阶离散开关切换序列控制和误差分析系统结构示意图。

图中：1、单相L型逆变器；2、可控直流电源；3、控制板；4、示波器。

图3是本发明实施例提供的一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法实现流程图。

图4是本发明实施例提供的一阶离散开关切换序列控制方法在开、闭环下的电流跟踪仿真图。

图4(1)是在开环下的直流跟踪的稳态仿真图，图4(2)是开环下跟踪正弦信号的稳态仿真图，图4(3)是开环下跟踪直流的动态仿真图。图4(4)是在闭环下的直流跟踪的稳态仿真图，图4(5)是闭环下跟踪正弦信号的稳态仿真图，图4(6)是闭环下跟踪直流的动态仿真图。

图5是本发明实施例提供当跟踪信号为正弦信号时，PWM和本发明仿真对比示意图；

图中：(a)PWM(开环)；(b)本发明(开环)；(c)PWM(闭环)； (d)本发明(闭环)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前的功率电子学中的功率开关控制中，对于稳态误差分析准确性差；造成整个电力系统的稳定性效果低下，跟踪给定信号的动态响应速度慢。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的一阶离散开关切换序列控制和误差分析方法包括以下步骤：

S101：建立一阶离散开关系统模型。

S102：设计输入变量u。

S103：得到功率元件开关切换序列。

S104：得到开、闭环精确的跟踪误差并分析。

步骤S102中，u满足如下关系：

(a)t∈[iT,iT+k_iT]时，u＝U。

(b)t∈[iT+k_iT,(i+1)T]时，u＝-U。

其中，0≤k_i≤1，U＞0，T为时间周期，i＝0，1，2…。

步骤S103得到功率元件开关切换序列包括：

开环时开关时间序列k_i表达式：

其中，0≤k_i≤1，a＝1-λT，0＜a＜1，λ为一阶离散系统特征值，λ＞0，U和 b为常数，U＞0，T为时间周期，x^*(iT)为跟踪给定信号；

闭环时，开关时间序列k_i表达式：

其中，0＜a₁＜1。

步骤S104得到的跟踪误差包括：

开环时，跟踪误差的表达式为：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值；

闭环时，跟踪误差的表达式为：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值；

当i→+∞时，

如图2所示，本发明实施例提供的一阶功率开关切换序列控制和误差分析系统包括：

单相L型逆变器1，建立一阶离散开关系统模型。

可控直流电源2，用于产生算法中所需的控制输入变量u的幅值大小。

C2000 Microcontroller TMS320F28379D控制板3，编写DSP程序使得逆变器中的功率开关元件按所设计的开关序列进行切换(导通和关断)，并对采集到的电流信号进行离散化处理。

带数字滤波功能的示波器4，用于观测电流信号和跟踪给定信号，并对其进行误差分析；

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

如图3所示，本发明实施例提供的一阶离散开关系统的开关切换序列控制方法和跟踪误差分析方法包括以下步骤：

第一步：建立一阶离散开关系统模型；

第二步：设计输入变量u，u满足如下关系：

(a)t∈[iT,iT+k_iT]时，u＝U；

(b)t∈[iT+k_iT,(i+1)T]时，u＝-U；

其中，0≤k_i≤1，U＞0，T为时间周期，i＝0，1，2…。

第三步：得到功率元件开关切换序列：

开环：

闭环：

其中，0≤k_i≤1，a＝1-λT，0＜a＜1，0＜a₁＜1，λ为一阶离散系统特征值，λ＞0，U和b为常数，U＞0，T为时间周期，x^*(iT)为跟踪给定信号。

第四步：得到精确的跟踪误差并分析：

开环误差：

闭环误差：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值。

当i→+∞时，

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

如图4所示，图4(1)、图4(2)、图4(4)和图4(5)中从图中可以看出，在跟踪给定信号时，开、闭环有着精确的稳态误差，图4(3)和图4(6)中从图中可以看出,该发明所提出的开关切换序列控制方法的跟踪速度快。

如图5所示，当跟踪信号为正弦信号时，PWM和本发明仿真对比。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开关切换序列控制和误差分析方法，其特征在于，所述开关切换序列控制和误差分析方法使用的系统包括：

单相L型逆变器，用于建立一阶离散开关系统模型；

可控直流电源，用于产生所需的控制输入变量u的幅值大小；

控制板，用于编写DSP程序使得逆变器中的功率开关元件按所设计的开关序列进行切换，并对采集到的电流信号进行离散化处理；

带数字滤波功能的示波器，用于观测电流信号和跟踪给定信号，并进行误差分析；

所述开关切换序列控制和误差分析方法包括：

步骤一，建立一阶离散开关系统模型；

步骤二，设计输入变量u；

步骤三，得到功率元件开关切换序列；包括：

开环时开关时间序列k_i表达式：

其中，0≤k_i≤1，a＝1-λT，0＜a＜1，λ为一阶离散系统特征值，λ＞0，U和b为常数，U＞0，T为时间周期，x^*(iT)为跟踪给定信号；

闭环时，开关时间序列k_i表达式：

其中，0＜a₁＜1；

步骤四，得到跟踪误差并分析。

2.如权利要求1所述的开关切换序列控制和误差分析方法，其特征在于，所述步骤二中，u满足如下关系：

(a)t∈[iT,iT+k_iT]时，u＝U；

(b)t∈[iT+k_iT,(i+1)T]时，u＝-U；

其中，0≤k_i≤1，U＞0，T为时间周期，i＝0，1，2…。

3.如权利要求1所述的开关切换序列控制和误差分析方法，其特征在于，所述步骤四得到的跟踪误差包括：

开环时，跟踪误差的表达式为：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值；

闭环时，跟踪误差的表达式为：

其中，

为误差变量，x(0)，x^*(0)为初始值；

当i→+∞时，

4.一种实现权利要求1所述开关切换序列控制和误差分析方法的电力电子设备。

5.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1所述开关切换序列控制和误差分析方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1所述开关切换序列控制和误差分析方法。

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