CN111679582A - 双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统及方法 - Google Patents

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CN111679582A CN202010557944.4A CN202010557944A CN111679582A CN 111679582 A CN111679582 A CN 111679582A CN 202010557944 A CN202010557944 A CN 202010557944A CN 111679582 A CN111679582 A CN 111679582A
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Abstract

本公开提出了双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统及方法，包括：电压环及功率环；所述电压环包括第一控制器，所述第一控制器被配置为：根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值；所述功率环包括第二控制器，所述第二控制器被配置为：根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制。

Description

双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统及方法
技术领域
本公开属于电力电子控制技术领域，尤其涉及双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
三相电压型PWM整流器具有单位功率因数运行、电网电流正弦化和能量双向流动等优点，适合用作电动汽车双向充电机的前端整流器。
发明人在研究中发现现有的充电工况十分复杂，基于线性模型的传统比例积分控制方法调节速度慢；特别是在充电负载功率时变和电网不确定扰动下，整流器直流电压和功率会出现大的超调，恢复至稳态的时间长，严重影响充电质量。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统，实现三相电压型PWM整流器直流电压和功率的高抗扰、快速小超调跟踪控制，保障充电系统安全高效运行。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一方面，公开了双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统，包括：
电压环及功率环；
所述电压环包括第一控制器，所述第一控制器被配置为：根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值；
所述功率环包括第二控制器，所述第二控制器被配置为：根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制。
另一方面，公开了双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，包括：
根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值；
根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值，步骤简单，易于实现。
本公开技术方案根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制，在直流负载电阻突变等不确定扰动发生时，本公开技术方案在反步控制方法的基础上，引入了有限时间控制技术和自适应律来实现了整流器直流电压和功率恢复到稳定值的速度快，直流电压和功率超调小，抗扰强，有助于提高充电质量，保障充电设备安全稳定运行。
本公开技术方案所提控制方法在两相静止坐标系下设计控制器，无需使用锁相环，实时性好，易于推广应用。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子所提控制方法的控制框图；
图2a为本公开实施例子直流电压参考值突变时的输出直流电压波形；
图2b为本公开实施例子直流电压参考值突变时的无功功率波形；
图3a为本公开实施例子负载电阻突变时的输出直流电压波形；
图3b为本公开实施例子负载电阻突变时的无功功率波形。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例为了解决整流器PI控制方法调节速度慢和抗扰动性能差的问题，本发明提出了一种双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法。所提方法在两相静止坐标系下设计了电压环+功率环的有限时间反步控制器，不仅实现了快速跟踪控制，而且无需使用锁相环，结构简单，易于推广应用；通过在控制器中引入自适应项和分数幂项来提高整流器系统鲁棒性，在负载电阻时变等不确定扰动下，直流电压和功率超调量小，恢复至稳态的时间短，有助于提高充电质量。
本实施例公开了双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，包括：
计算有功功率和无功功率，设计参数自适应律和电压环有限时间反步控制器，设计功率环有限时间反步控制器，生成PWM调制信号。
具体步骤为：
步骤1：测量整流器的三相电网电流ia,ib,ic、三相电网电压ua,ub,uc和直流电压Vdc；根据Clark坐标变换得到两相静止坐标系下的电网电流iα,iβ和电网电压uα,uβ。
由瞬时功率理论，有功功率P和无功功率Q为：
Figure BDA0002545158270000041
步骤2：根据测量的直流电压Vdc和给定的直流电压参考值
Figure BDA0002545158270000042
进行整流器有限时间反步控制，设计参数自适应律
Figure BDA0002545158270000043
和电压环有限时间反步控制器P*。设计自适应律用来计算负载侧未知参数θ1的估计值
Figure BDA0002545158270000044
然后将
Figure BDA0002545158270000045
前馈补偿到电压环控制器中来抵消负载变化的影响(具体结构见公式(5))。设计电压环控制器P*用于实现直流电压跟踪参考值。同时，P*也被用于功率环，作为有功功率P的参考值。
首先，在两相静止坐标系下，建立三相电压型PWM整流器的动态模型为
Figure BDA0002545158270000046
其中，[u1,u2]T＝A[vα,vβ]T，A＝[uα,uβ；-uβ,uα]，vα,vβ是两相静止坐标系下的调制电压。ω为三相电压的角频率，L是滤波电感，R是线路等效电阻，C是直流侧电容，负载电阻RL由未知部分
Figure BDA0002545158270000047
和标称值RL0组成，未知参数
Figure BDA0002545158270000048
是由负载变化引起的。
定义直流电压跟踪误差
Figure BDA0002545158270000049
有功功率跟踪误差z2＝P-P*，未知参数的估计误差
Figure BDA0002545158270000051
Figure BDA0002545158270000052
是θ1的估计值，
Figure BDA0002545158270000053
为正常数。
为使直流电压跟踪误差趋于零，选取Lyapunov函数
Figure BDA0002545158270000054
根据式(2)中整流器的动态模型，对V1求导可得：
Figure BDA0002545158270000055
结合有限时间稳定性原理，根据反步控制理论设计，即结合有限时间稳定性原理，根据反步控制方法，构建自适应律和有限时间反步控制器(5)和(7)，使得
Figure BDA0002545158270000056
符合公式(11)形式即可。得到参数自适应律
Figure BDA0002545158270000057
和电压环有限时间反步控制器P*为，
Figure BDA0002545158270000058
式中控制器参数r1,m1,k1,s1为正常数，γ＝0.6。将式(5)代入式(4)中，可得
Figure BDA0002545158270000059
当有功功率跟踪误差z2趋于零时，则V1的导数将满足有限时间稳定性条件，也就是说直流电压可以快速精确地跟踪其参考值。
在发明内容的步骤2中引入了自适应律，并在公式(5)中设计了自适应律的具体结构。针对有限时间分数幂项的问题，具体在电压环的控制器(公式5)和功率环的控制器(公式7)中引入了有限时间分数幂项来提高了系统的响应速度和鲁棒性。
步骤3：根据计算的有功功率P，无功功率Q以及给定的无功功率参考值Q*，进行整流器有限时间反步控制，设计出功率环有限时间反步控制器u1,u2。
定义无功功率跟踪误差z3＝Q-Q*，无功功率参考值Q*＝0。为使有功功率误差和无功功率误差趋于零，选取整个闭环系统的Lyapunov函数为
Figure BDA0002545158270000061
结合有限时间稳定性原理，根据反步控制理论设计功率环有限时间反步控制器u1,u2为
Figure BDA0002545158270000062
式中控制器参数k2,s2,k3,s3为正常数。另外，由杨氏不等式得
Figure BDA0002545158270000063
根据式(2)中整流器的动态模型和设计的功率环有限时间反步控制器u1,u2，对V求导可得
Figure BDA0002545158270000064
当
Figure BDA0002545158270000065
时，
Figure BDA0002545158270000066
当
Figure BDA0002545158270000067
时，
Figure BDA0002545158270000068
根据式(9)和式(10)，式(8)可以重新写为
Figure BDA0002545158270000069
上式中
a＝min{k1,k2,k3,m1-1},b＝min{2βs1,2βs2,2βs3,1},
Figure BDA00025451582700000610
β＝(1+γ)/2。根据有限时间Lyapunov稳定性原理，存在一个时间常数T0，使z1,z2和z3在T0内趋于零的邻域，即实现了双向充电机前端整流器直流电压和功率的高抗扰、快速跟踪控制。
步骤4：根据步骤3中设计的功率环有限时间反步控制器u1,u2，获得两相静止坐标系下的调制电压[vα,vβ]T＝A-1[u1,u2]T，进而生成PWM调制信号，实现对三相桥式整流器IGBT的导通和关断控制。
本公开技术方案结合有限时间稳定性原理，根据反步控制理论设计了电压环有限时间反步控制器(公式5，步骤2)和功率环有限时间控制器(公式7，步骤3)。提出的有限时间反步控制方法具有良好动静态控制性能，对电网和系统参数不确定具有很强的抗扰能力，使得整流器直流电压和功率恢复到稳定值的速度快、超调小。
在具体实施方式步骤2中引入了自适应律，并在公式(5)中设计了自适应率的具体结构。设计的参数自适应律用来估计负载侧的功率变化，将其引入到电压环有限时间控制器中来抵抗负载时变的影响。
综上，针对双向充电机前端整流器的有限时间反步控制在充电负载功率时变和电网不确定扰动下，整流器直流电压和功率恢复至稳态的速度快，超调小，有利于充电质量的提高。
本公开实施例子在两相静止坐标系下设计控制器，无需使用锁相环，实时性好。在控制器中引入参数自适应项和有限时间分数幂项，提高了系统鲁棒性。
在直流负载电阻突变等不确定扰动发生时，本发明所提方法直流电压和功率超调小，恢复至稳定值的速度快，抗扰强。
本本公开实施例子所提控制方法步骤简单，控制器参数调整难度低，易于实现，便于推广应用。
基于同样的发明构思，公开了双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统，包括：
电压环及功率环；
所述电压环包括第一控制器，所述第一控制器被配置为：根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值；
所述功率环包括第二控制器，所述第二控制器被配置为：根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制。
具体实施例子中，第一控制器即为电压环有限时间反步控制器，第二控制器即为功率环有限时间反步控制器。
设计参数自适应律和电压环有限时间反步控制器，具体为：
定义输出直流电压跟踪误差
Figure BDA0002545158270000081
Vdc是测量的直流电压，
Figure BDA0002545158270000082
是给定的直流电压参考值。进行整流器有限时间反步控制，设计参数自适应律
Figure BDA0002545158270000083
和电压环有限时间反步控制器P*为
Figure BDA0002545158270000084
Figure BDA0002545158270000085
其中，控制器参数r1,m1,k1,s1为正常数，γ＝0.6。C是直流侧电容，RL0是负载电阻标称值。θ1是未知参数，
Figure BDA0002545158270000086
是θ1的估计值。
设计功率环有限时间反步控制器，具体为：
定义有功功率、无功功率跟踪误差为z2＝P-P*,z3＝Q-Q*，无功功率参考值Q*＝0。进行整流器有限时间反步控制，设计的功率环有限时间反步控制器u1,u2为
Figure BDA0002545158270000087
Figure BDA0002545158270000088
其中，控制器参数k2,s2,k3,s3为正常数。ω为三相电压的角频率，L是滤波电感，R是线路等效电阻。
计算两相静止坐标系下的调制信号，具体为：
根据设计的功率环有限时间反步控制器u1,u2，两相静止坐标系下的调制电压vα,vβ为[vα,vβ]T＝A-1[u1,u2]T。
其中，A＝[uα,uβ；-uβ,uα]，uα,uβ是两相静止坐标系下的电网电压。
所述进行整流器有限时间反步控制，具体为
1)在两相静止坐标系下，建立三相电压型PWM整流器的动态模型为
Figure BDA0002545158270000091
未知参数
Figure BDA0002545158270000092
负载电阻RL包括不确定值
Figure BDA0002545158270000093
和标称值RL0。
2)定义未知参数的估计误差为
Figure BDA0002545158270000094
选取Lyapunov函数
Figure BDA0002545158270000095
并对其求导。选取的应当是包含误差信息z1和
Figure BDA0002545158270000096
的正定函数，进而根据有限时间稳定性理论，设计电压环有限时间反步控制器P*和参数自适应律
Figure BDA0002545158270000097
选取整个闭环系统的Lyapunov函数为
Figure BDA0002545158270000098
并对其求导。此处需要说明的是，选取的Lyapunov函数是正定的且包含闭环系统所有的误差信息：z1,z2,z3和
Figure BDA0002545158270000099
3)进而根据有限时间稳定性理论，设计功率环有限时间反步控制器u1和u2。
4)通过稳定性分析可得
Figure BDA00025451582700000910
其中a>0,b>0,c∈(0,+∞),β＝(1+γ)/2。根据有限时间Lyapunov稳定性原理，存在一个时间常数T0，z1,z2和z3在T0内趋于零的邻域，即实现了双向充电机前端整流器直流电压和功率的高抗扰、快速小超调跟踪控制。
在另一实施例子中，公开了一种双向充电机前端整流器，所述整流器为三相桥式整流器，整流器被配置为基于上述实施例子中的所述的有限时间反步控制方法进行工作。
图1为本发明所提控制方法的控制框图，如图1所示，控制器是电压环+功率环的有限时间反步控制器。为了进一步验证本发明所提控制方法的性能，在Matlab/Simulink中搭建了系统仿真模型，进行仿真研究。整流器主电路参数设置：三相电网电压峰值为100V，滤波电感L＝3mH，线路等效电阻R＝0.18Ω，三相角频率ω＝100πrad/s，直流侧电容C＝470μF，开关频率fs＝10kHz。
在输出直流电压参考值突变和负载电阻突变的情况下，对所提控制方法、dq坐标系下PI控制和αβ坐标系下PI控制的仿真结果进行对比。当t＝0.5s，给定的输出直流电压参考值突变为300V。图2a为此时的输出直流电压响应波形，图2b为此时的无功功率响应波形。当t＝1s，在负载侧并联一个150Ω的电阻。图3a为此时的输出直流电压响应波形，图3b此时的无功功率响应波形。
从仿真结果中看出，当整流器存在不确定扰动时，所提控制方法与两种PI控制方法相比，输出直流电压和功率恢复到稳定值的速度更快，超调更小，鲁棒性更强，达到了预期控制效果。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.双向充电机前端整流器的有限时间反步控制系统，其特征是，包括：
电压环及功率环；
所述电压环包括第一控制器，所述第一控制器被配置为：根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值；
所述功率环包括第二控制器，所述第二控制器被配置为：根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制。
2.双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，包括：
根据整流器直流电压测量值及给定值，结合参数自适应律进行整流器有限时间反步控制，输出值作为有功功率的给定值；
根据整流器的有功功率及无功功率的计算值及给定值进行整流器有限时间反步控制，获得整流器调制电压，实现对三相桥式整流器的控制。
3.如权利要求2所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，整流器的有功功率及无功功率的计算值获取方式为：
测量整流器的三相电网电流、三相电网电压和直流电压；
将测量值进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电网电流和电网电压；
基于变换后的电压及电流计算其有功功率和无功功率。
4.如权利要求2所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，所获得的整流器调制电压以使整流器开关管的导通和关断。
5.如权利要求2所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，基于参数自适应律和第一控制器对整流器进行有限时间反步控制。
6.如权利要求5所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，参数自适应律和第一控制器的获取过程为：
在两相静止坐标系下，建立整流器的动态模型；
基于动态模型及有限时间稳定性，获得参数自适应律及电压环有限时间反步控制器。
7.如权利要求6所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，建立整流器的动态模型之后，定义未知参数即参数自适应律的估计误差，选取Lyapunov函数并对其求导，获得参数自适应律及第一控制器。
8.如权利要求2所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，基于第二控制器对整流器进行有限时间反步控制，获得整流器调制电压。
9.如权利要求8所述的双向充电机前端整流器的有限时间反步控制方法，其特征是，第二控制器获取过程为：
在两相静止坐标系下，建立整流器的动态模型；
选取整个闭环系统的Lyapunov函数，并对其求导，进而根据有限时间稳定性，获得第二控制器。
10.一种双向充电机前端整流器，其特征是，所述整流器为三相桥式整流器，整流器被配置为执行权利要求2-9任一所述的有限时间反步控制方法。
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