CN112968615B - 面向双向充电机前端ac/dc整流器的直接增益控制方法及系统 - Google Patents

面向双向充电机前端ac/dc整流器的直接增益控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子控制技术领域，提供了一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法及系统。其中，该方法包括获取PWM整流器的负载电流；将负载电流前馈至含有第一待设计增益参数的状态变换中；其中，状态变换中构建了变换后的参数与PWM整流器状态变量的关系；PWM整流器状态变量包括直流电压的平方值、无功功率和有功功率；状态变换后的参数经含有第二待设计增益参数的单环直接增益规律的控制，输出在两相静止坐标系下的调制电压以调制PWM整流器；其中，单环直接增益规律包括直流电压控制律和无功功率控制律；第一待设计增益参数大于
Figure DDA0002934751060000011
C是直流侧电容，RL是负载电阻，M是正定Lyapunov加权矩阵，n0为任意正常数；第二待设计增益参数大于0。

Description

面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法及 系统
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
传统单向充电机存在能量流动方向单一、输入功率因数低、电流畸变大等缺陷，已成为制约电动汽车发展的主要瓶颈。三相PWM整流器结构简单，既能从电网吸收能量供给动力电池，又能将动力电池存储的能量反馈到电网，是电动汽车双向充电机前端AC/DC整流器的首选。
然而，作为电网和电动汽车的直连装置，即会被不平衡、谐波等复杂电网工况影响，又会受不同特性动力电池负载充电特性干扰。常规的比例积分控制(PI)方法，多基于线性化小信号模型，无法保障双向充电机在如此复杂的工况下安全稳定运行。除此之外，发明人发现，现有三相PWM整流器控制方案大多采用电压外环、电流/功率内环的双闭环级联结构，控制器参数调整过程繁琐，难以满足负载频繁切换的工况。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法及系统，其能够优化直流电压和无功功率跟踪性能，保障三相PWM整流器的安全稳定运行，具有单环控制结构，控制律参数少且整定方便，易于工程实现的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法。
一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，包括：
获取PWM整流器的负载电流；
将负载电流前馈至含有第一待设计增益参数的状态变换中；其中，状态变换中构建了变换后的状态变量与PWM整流器状态变量的关系；PWM整流器状态变量包括直流电压的平方值、无功功率和有功功率；
状态变换后的状态变量经含有第二待设计增益参数的单环直接增益规律的控制，输出在两相静止坐标系下的调制电压以调制PWM整流器；其中，单环直接增益规律包括直流电压控制律和无功功率控制律；第一待设计增益参数大于
Figure BDA0002934751040000021
C是直流侧电容，RL是负载电阻，M是正定Lyapunov加权矩阵，n0为任意正常数；第二待设计增益参数大于0。
本发明的第二个方面提供一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器。
一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器，包括存储器，所述存储有计算机程序，该程序所述直接增益控制器执行时实现如上述所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法中的步骤。
本发明的第三个方面提供一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制系统。
一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制系统，包括如上述所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法及系统，通过引入含有待设计增益参数的状态变换，将给定PWM整流器系统等价地转化为一个含增益参数的系统，通过选取合适的增益参数保障闭环系统稳定性，从而实现了PWM整流器的安全稳定运行；在本发明的所提控制方法下，PWM整流器可以快速精确地跟踪直流电压并实现单位功率因数运行。
本发明的技术方案所提控制方法在负载变化等扰动下，仍有较好的控制效果，动态响应速度快，抗扰能力强；具有单环控制结构，参数整定方便，易于工程实现；在两相静止坐标系下设计控制律，无需使用锁相环，实时性好，易于推广应用。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法的实现框图；
图2是本发明实施例的直流电压响应波形；
图3(a)是本发明实施例的直接增益控制的无功功率响应波形；
图3(b)是本发明实施例的传统比例积分控制的无功功率响应波形；
图4(a)是本发明实施例的直接增益控制的网侧A相电流响应波形；
图4(b)是本发明实施例的传统比例积分控制的网侧A相电流响应波形。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
实施例一
参照图1，本实施例的一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，包括：
步骤S101：获取PWM整流器的负载电流。
例如：PWM整流器的负载电流通过传感器检测得到。
根据三相PWM整流器的工作原理，本实施例的PWM整流器的动态数学模型为：
Figure BDA0002934751040000041
Vdc是直流电压实测值，uα,uβ是两相静止坐标系下的电网电压，ω是三相电压的角频率，C是直流侧电容，L是滤波电感，R是线路等效电阻，RL是负载电阻。P和Q分别为PWM整流器有功功率和无功功率，根据瞬时功率理论有
Figure BDA0002934751040000051
其中iα,iβ是两相静止坐标系下的电网电流。直流电压控制律uP和无功功率控制律uQ定义为
Figure BDA0002934751040000052
其中vα,vβ是PWM整流器在两相静止坐标系下的调制电压。为便于控制器设计，定义PWM整流器状态变量为
Figure BDA0002934751040000053
x2＝P；x3＝Q。则PWM整流器动态数学模型重新描述为
Figure BDA0002934751040000054
PWM整流器的控制目标，一是实现直流电压Vdc跟踪其参考值
Figure BDA0002934751040000055
二是实现网侧电流正弦化，确保系统单位功率因数运行，即无功功率Q趋于0。步骤S102：将负载电流前馈至含有第一待设计增益参数H1的状态变换中；其中，状态变换中构建了变换后的状态变量与PWM整流器状态变量的关系；PWM整流器状态变量包括直流电压的平方值、无功功率和有功功率。
具体地，步骤S102中，引入含有待定增益参数H1的状态变换为
Figure BDA0002934751040000056
其中，直流电压参考值
Figure BDA0002934751040000061
一般为常数。对公式(3)中状态变换后的状态变量求导可得
Figure BDA0002934751040000062
为进一步优化PWM整流器在负载扰动下的直流电压控制效果，在控制器实现过程中将公式(5)中的状态变换替换为
Figure BDA0002934751040000063
其中，iL为实测的负载电流。使用式(5)中新的状态变换可将负载信息前馈给控制器，进而可实现在负载扰动下良好的直流电压跟踪控制效果。
步骤S103：状态变换后的状态变量经含有第二待设计增益参数的单环直接增益规律的控制，输出在两相静止坐标系下的调制电压以调制PWM整流器；其中，单环直接增益规律包括直流电压控制律和无功功率控制律；第一待设计增益参数大于
Figure BDA0002934751040000064
C是直流侧电容，RL是负载电阻，M是正定Lyapunov加权矩阵，n0为任意正常数；第二待设计增益参数大于0。
根据直接增益控制原理和公式(6)，构造直流电压控制律uP和无功功率控制律uQ为
Figure BDA0002934751040000065
H2是第二待定增益参数。
将式(8)中的直流电压控制律uP和无功功率控制律uQ代入式(6)，可得
Figure BDA0002934751040000071
其中z、A和G分别为
Figure BDA0002934751040000072
当选取k1,k2使矩阵A为Hurwitz矩阵，则存在正定Lyapunov加权矩阵M满足MA+ATM＜-I，I是单位矩阵。在本实施例中，根据Lyapunov稳定性原理，求取第一待设计增益参数和第二待设计增益参数的选择范围。
选取Lyapunov函数V1＝zTMz，求导可得
Figure BDA0002934751040000073
根据Lyapunov稳定性原理，当
Figure BDA0002934751040000074
时(n0为任意正常数)，z1以指数速度趋于零，即实现了直流电压Vdc快速精准地跟踪参考信号
Figure BDA0002934751040000075
选取Lyapunov函数
Figure BDA0002934751040000076
对V2求导并代入公式(8)中的无功功率控制律uQ，可得
Figure BDA0002934751040000077
根据Lyapunov稳定性原理，当H2>0时z3以指数速度趋于零，即无功功率Q趋于零，实现了单位功率因数的控制目标。
图1为本公开所提控制方法的实现框图，如图1所示，PWM整流器直接增益控制实现主要由状态变换和单环直接增益控制律两部分组成。为了进一步阐述所提控制方法的有效性，在Matlab中搭建了系统仿真模型，进行仿真研究。主电路参数设置：三相电网电压幅值为100V，滤波电感L＝1.6mH，线路等效电阻R＝0.12Ω，三相角频率ω＝100πrad/s，直流侧电容C＝470μF，开关频率fs＝10kHz，直流电压参考值
Figure BDA0002934751040000081
对所提控制方法和传统比例积分控制方法进行对比，结果如图2、图3(a)、图3(b)、图4(a)和图4(b)所示。具体的说，0s时直流电压参考值变为230V，当0.3s时，负载电阻从60Ω变为37.5Ω。图2为直流电压响应波形。
从仿真结果中看出，当PWM整流器直流电压参考值变化或存在较大负载扰动时，所提控制方法与传统比例积分控制方法相比，输出直流电压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。此外，无功功率和网侧电流波动值较小，有利于保障PWM整流器安全稳定运行。
实施例二
本实施例提供了一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器，其包括存储器，所述存储有计算机程序，该程序所述直接增益控制器执行时实现如上述实施例一所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法中的步骤。
实施例三
本实施例提供了一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制系统，其包括如上述实施例二所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，其特征在于，包括：
获取PWM整流器的负载电流；
将负载电流前馈至含有第一待设计增益参数的状态变换中；其中，状态变换中构建了变换后的状态变量与PWM整流器状态变量的关系；PWM整流器状态变量包括直流电压的平方值、无功功率和有功功率；
含有第一待定增益参数的状态变换为：
Figure FDA0003389056930000011
其中，
Figure FDA0003389056930000012
为直流电压的参考值，RL是负载电阻，H1为第一待定增益参数，
Figure FDA0003389056930000013
x2＝P；x3＝Q为PWM整流器状态变量，P和Q分别为PWM整流器有功功率和无功功率，z1、z2和z3为变换后的PWM整流器状态变量；
状态变换后的状态变量经含有第二待设计增益参数的单环直接增益规律的控制，输出在两相静止坐标系下的调制电压以调制PWM整流器；其中，单环直接增益规律包括直流电压控制律和无功功率控制律；直流电压控制律uP和无功功率控制律uQ表示为：
Figure FDA0003389056930000014
其中，H2是第二待定增益参数，uα,uβ是两相静止坐标系下的电网电压，ω是三相电压的角频率，L是滤波电感，R是线路等效电阻；
第一待设计增益参数大于
Figure FDA0003389056930000015
C是直流侧电容，RL是负载电阻，M是正定Lyapunov加权矩阵，n0为任意正常数；第二待设计增益参数大于0。
2.如权利要求1所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，其特征在于，在两相静止坐标系下的直流电压控制律uP和无功功率控制律uQ为：
Figure FDA0003389056930000021
其中vα,vβ是PWM整流器在两相静止坐标系下的调制电压，uα,uβ是两相静止坐标系下的电网电压。
3.如权利要求1所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，其特征在于，直流电压控制律的目的是使得直流电压跟踪其参考值。
4.如权利要求1所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，其特征在于，无功功率控制律的目的是实现网侧电流正弦化，确保系统单位功率因数运行，即无功功率趋于0。
5.如权利要求1所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，其特征在于，含有第一待定增益参数的状态变换是根据直接增益控制原理和PWM整流器动态数学模型而构建的。
6.如权利要求1所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法，其特征在于，根据Lyapunov稳定性原理，求取第一待设计增益参数和第二待设计增益参数的选择范围。
7.一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器，其特征在于，包括存储器，所述存储有计算机程序，其特征在于，该程序所述直接增益控制器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制方法中的步骤。
8.一种面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的面向双向充电机前端AC/DC整流器的直接增益控制器。
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