CN113300624A - 一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，所述的优化方法为：通过数字相位补偿技术优化中频逆变电源系统中电容电流反馈回路带宽。本发明还公开了一种中频逆变电源数字控制系统。本发明在采用数字状态反馈控制的中频逆变电源等效输出阻抗模型的基础上，通过优化数字控制系统等效改善逆变电源系统输出阻抗特征，从而改善系统的抗扰动能力与控制系统的参数适应能力。

Description

一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法
技术领域
本发明属于逆变电源控制技术领域，具体涉及一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法。
背景技术
中频逆变电源以其体积小、重量轻的优势，被广泛应用于航空航天领域。并且，随着数字控制技术的普遍使用以及其良好的复杂算法的可实现性、灵活配置性等特点，中频逆变电源的数字化控制技术已获得广泛的应用。
传统的中频逆变电源通常在电容电流与电容电压双闭环控制的基础上引入幅值控制，从而构成所谓的“三环控制”结构。其中，电容电流反馈环节一方面用于抑制由于滤波器造成的谐振峰，另一方面能够将负载变化情况快速有效的反馈至控制系统；电压瞬时值环用以将电压瞬时误差转化为电容电流内环电流参考。由于逆变桥开关器件的等效延迟影响，即使在模拟控制条件下，系统的极点也无法任意配置，电流与电压控制环路参数存在互限因素，还会存在显见的控制误差，因此通常会引入电压幅值环，并采用PI控制以保证逆变器输出幅值。然而由于幅值环时间常数较大，对逆变器输出波形质量的控制并没有贡献。另外，由于数字控制延迟的引入，这将导致系统的带宽受到限制、谐波含量增加以及存在相位滞后，严重影响中频逆变电源系统的稳定性和抗扰性。
数字化控制的逆变电源虽然能够采用重复控制等方法，实现良好的稳态供电质量，但是由于数字控制带宽的限制，系统在高频抗扰性方面还无法达到传统模拟控制器的效果。特别是数字控制器在离散化过程中引入的等效延时环节，降低了系统的可控性，从而使得数字化控制的逆变电源易受到滤波器参数变化、控制器参数调整等的影响，甚至会破坏系统的稳定运行特征。
因此，状态反馈控制是改善系统动、静态运行特征的一类重要手段，但在数字控制条件下，其控制性能还需要进一步优化。另外，对优化的效果需要建立科学的评价体系，中频逆变电源系统本质上是电压源系统，电压源系统的抗扰动性通常可以由其等效输出阻抗进行评价。
有鉴于此，本发明提出一种新的用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，用于提升400Hz中频逆变电源抗扰性能的改进数字状态反馈控制算法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，在采用数字状态反馈控制的中频逆变电源等效输出阻抗模型的基础上，通过优化数字控制系统等效改善逆变电源系统输出阻抗特征，从而改善系统的抗扰动能力与控制系统的参数适应能力。
为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，所述的优化方法为：通过引入数字相位补偿环节，来优化中频逆变电源系统中电流内环反馈回路带宽。
进一步地，所述的优化方法包括以下步骤：
(1)建立中频逆变电源的主电路拓扑和等效输出阻抗模型，求出采用状态反馈控制方法时系统的等效输出阻抗，以及分析控制器结构和参数对系统等效输出阻抗的影响
所述的状态反馈为电压外环和电流内环双闭环反馈控制；
(2)电流内环反馈回路在比例控制器的基础上，引入相位补偿环节。
进一步地，所述的相位补偿环节的数字表达式为：
Figure BDA0003135599480000021
其中，β为补偿系数，ic(k)为经比例放大器后的电容电流，
Figure BDA0003135599480000022
为相位补偿后的电容电流。
再进一步地，所述的优化方法还包括：
(3)引入相位补偿环节后，形成系统控制信号；
(4)经过直流母线电压解耦后生成调制信号D，调制信号D经过PWM调制产生驱动波形控制逆变器的开关管。
再进一步地，所述的中频逆变电源系统中电流内环给定值与其反馈信号的差值为系统控制信号u(k)，其表达式为：
Figure BDA0003135599480000031
其中，vref为给定400Hz交流电压，vc(k)为电容电压采样值，
Figure BDA0003135599480000032
为相位补偿后的电容电流。
再进一步地，所述的调制信号D的表达式为：
Figure BDA0003135599480000033
再进一步地，所述的直流母线电压的利用率为1。
本发明的另一个目的在于提供一种中频逆变电源数字控制系统，具有较好的系统抗扰动能力与控制系统的参数适应能力。
为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
一种中频逆变电源数字控制系统，包括：主电路部分和控制电路部分；
所述的主电路部分以滤波电容的电压和电流作为控制系统的状态变量；
所述的控制电路部分包括：控制CPU及外围的信号调理电路和保护电路，用于产生主电路中各开关管的驱动信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明是一种用于提升中频逆变电源抗扰性能的改进型数字控制算法，其本质是通过对电容电流状态反馈通道实时数字相位补偿，从而拓展电流环控制带宽，为电压状态反馈控制提供更大的裕度空间，进而提高系统的抗扰性，缓解非线性等负荷造成逆变器输出电压畸变的问题。
附图说明
图1是实施例1中频逆变电源的结构拓扑；
图2是实施例1中频逆变电源的简化等效电路和等效输出阻抗模型；
图3是实施例2状态反馈控制算法改进设计的流程图；
图4是实施例2控制系统的状态空间结构图以及考虑采样延时而加入一拍滞后环节后的状态空间结构图；
图5是实施例2采用状态反馈控制方法的状态空间结构图；
图6是实施例2电流内环引入相位补偿措施后的状态空间结构图；
图7是实施例3状态反馈控制算法的流程图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，达到预期发明目的，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
下面将结合具体的实施例，对本发明一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法做进一步的详细介绍：
本发明通过数字相位补偿技术优化电容电流反馈回路带宽，从而提升对高频扰动的超前检测能力与控制器的参数适应能力，进而起到系统等效输出阻抗优化与系统抗扰性提升的目的。本发明的技术方案为：
一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，所述的优化方法为：通过引入数字相位补偿环节，优化中频逆变电源系统中电容电流反馈回路带宽。
优选地，所述的优化方法包括以下步骤：
(1)建立中频逆变电源的主电路拓扑和等效输出阻抗模型，求出采用状态反馈控制方法时系统的等效输出阻抗，以及分析控制器结构和参数对系统等效输出阻抗的影响
所述的状态反馈为电压外环和电流内环双闭环反馈控制；
(2)电流内环反馈回路在比例控制器的基础上，引入相位补偿环节。
优选地，所述的相位补偿环节的数字表达式为：
Figure BDA0003135599480000041
其中，β为补偿系数，ic(k)为经比例放大器后的电容电流，
Figure BDA0003135599480000051
为相位补偿后的电容电流。
进一步优选地，所述的优化方法还包括：
(3)引入相位补偿环节后，形成系统控制信号；
(4)经过直流母线电压解耦后生成调制信号D，调制信号D经过PWM调制产生驱动波形控制逆变器的开关管。
进一步优选地，所述的中频逆变电源系统中电流内环给定值与其反馈信号的差值为系统控制信号u(k)，其表达式为：
Figure BDA0003135599480000052
其中，vref为给定400Hz交流电压，vc(k)为电容电压采样值，
Figure BDA0003135599480000053
为相位补偿后的电容电流。
进一步优选地，所述的调制信号D的表达式为：
Figure BDA0003135599480000054
进一步优选地，所述的直流母线电压的利用率为1。
一种中频逆变电源数字控制系统，包括：主电路部分和控制电路部分；
所述的主电路部分以滤波电容的电压和电流作为控制系统的状态变量；
所述的控制电路部分包括：控制CPU及外围的信号调理电路和保护电路，用于产生主电路中各开关管的驱动信号。
400Hz给定交流电压与经比例控制器放大后电容电压反馈值的误差作为电流内环的给定值，其与电容电流经比例控制器和相位补偿环节反馈值的误差作为系统的控制信号u，其通过直流母线电压解耦和PWM调制后，产生驱动信号控制逆变器的开关管。
实施例1.
本发明中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法中，中频逆变电源数字控制系统主要包括主电路部分和控制电路部分。
主电路拓扑如图1所示，其由三个独立的单相全桥逆变电源通过三相中频隔离变压器级联而成，用于实现对三相不平衡负荷的解耦供电。三台独立的逆变单元共享一组公共直流母线，由于其完全解耦特征，对系统的分析可以按单相系统进行，据此，得到简化后的逆变电源拓扑和系统相应的等效输出阻抗模型如图2所示。
图2(a)中，直流母线电压经单相全桥逆变电路转换为交流电能后，经LC滤波器滤除谐波后输出给负载。图中iload为负载电流，可将其视为扰动输入。由于采用电压源逆变器为电路拓扑，其输入测为电压源，所以等效输出阻抗模型为电压源串阻抗的戴维南等效电路结构，如图2(b)所示。其中，等效输出阻抗的值是由电路本身硬件结构和参数、控制器结构和参数决定。而由阻抗模型可知，系统等效输出阻抗的值可由扰动输入iload求出，即zo＝vc/(-iload)。
控制电路部分则包括控制CPU及外围的信号调理电路和各类保护电路等，控制电路主要产生主电路中各开关管的驱动信号。
实施例2.
本发明具体算法改进步骤如图3所示。
步骤1：基于状态反馈控制方案，求出以滤波电容电压、电流为状态变量的状态空间方程并进行离散化，其状态空间结构图如图4(a)所示。考虑采样延时的存在而加入一拍滞后环节，此时，状态空间结构图如图4(b)所示，其中，系统的输入量由vi(k)变为vod(k)，且vi(k+1)＝vod(k)。其次，采用状态反馈控制，系统的状态空间结构图如图5所示，其状态空间方程为：
Figure BDA0003135599480000061
其中，x2＝[vc ic vi]T，C2＝[1 0 0]，
Figure BDA0003135599480000062
令
Figure BDA0003135599480000063
则有：
Figure BDA0003135599480000064
Figure BDA0003135599480000065
图5中状态反馈矩阵Kf＝[ku ki kc]，其中ku是电容电压vc的反馈系数，ki是电容电流ic的反馈系数，kc是输入电压vi的反馈系数。传统控制方式下，中频逆变电源采用状态反馈控制方案要求对电容电压、电流进行控制，所以此时令kc＝0。
步骤2：控制系统抗扰性的改善是在系统稳定的前提下展开研究，所以首先求出系统闭环特征多项式(4)，然后利用朱利判据求出系统稳定的充要条件，从而得到状态反馈系数的取值范围。
Δ(z)＝z3-2z2cosωTs+(1+ks1+ks2)z+ks1-ks2 (4)
其中，为便于计算，令ks1＝ku(1-cosωTs)，ks2＝kisinωTs/ωL。可见，一般情况下总是存在：ks1>0，ks2>0。
步骤3：结合图4求出系统的等效输出阻抗(5)，并根据等效输出阻抗对系统抗扰性进行分析。
Figure BDA0003135599480000071
步骤4：电流状态反馈回路引入相位补偿环节，其在离散域下的传递函数为(6)，此时，控制系统的状态空间结构图如图6所示。
Figure BDA0003135599480000072
其中，β为补偿系数，为了在进行相位补偿的基础上保证控制器的稳定性，β取值范围为：[0,1)。
步骤5：加入相位补偿后系统的闭环特征多项式为(7)，由此可利用朱利判据求出优化后反馈系数的取值范围。加入相位补偿后反馈系数的取值范围可获得拓展，从而使系统的动态误差减小。而此时系统等效输出阻抗为(8)，对其进行频域分析可知，相位补偿环节对系统的等效输出阻抗特征有一定的改善效果。
Δ(z)＝z4+(β-2cosωTs)z3+[1-2βcosωTs+ks1+ks2(1+β)]z2+[β+(ks1-ks2)(1+β)]z+ks1β (7)
Figure BDA0003135599480000073
实施例3.
本发明具体控制算法步骤如图7所示。
步骤1：对滤波电容的电压vc(k)和电流ic(k)进行采样，对其采用状态反馈控制。状态反馈本质上是比例控制器在反馈回路中的双闭环控制，其外环为电压环，即给定400Hz交流电压vref与经比例控制器放大后电容电压的差值作为电流内环给定值，其值为：
Δv＝vref-kuvc(k) (9)
步骤2：电流内环反馈回路在比例控制器的基础上引入相位补偿环节，其数字表达式为：
Figure BDA0003135599480000081
其中，β为补偿系数，ic(k)为经比例放大器后的电容电流，
Figure BDA0003135599480000082
为相位补偿后的电容电流。电流内环给定值与其反馈信号的差值为系统控制信号u(k)，其表达式为：
Figure BDA0003135599480000083
其中，vref给定400Hz交流电压，vc(k)为电容电压采样值，
Figure BDA0003135599480000084
为相位补偿后的电容电流。
步骤3：由图2单相逆变电源的电路拓扑可知，直流母线电压的利用率为1，所以控制信号u经过直流母线电压解耦后生成调制信号D，其值为：
Figure BDA0003135599480000085
调制信号D经过PWM调制产生驱动波形控制逆变器的开关管。
本发明的特点还在于：
图3步骤1中加入一拍滞后环节后，离散域下的状态方程由(13)变为(14)。系统的输入量变为vod(k)，且存在vi(k+1)＝vod(k)，控制系统的状态变量由x1(k)＝[vc,ic]T变为x2(k)＝[vc,ic,vi]T。
Figure BDA0003135599480000086
Figure BDA0003135599480000087
图3步骤3中等效输出阻抗值具体求解步骤如下，列出状态反馈系统扰动作用下的状态方程：
x2(k+1)＝G2fx2(k)+H22vr(k) (15)
其中G2f＝G2-H21Kf，系统扰动输入为
Figure BDA0003135599480000091
分别对其进行分析。
(16)为负载电流作为扰动输入时的闭环传递函数Gd1，它反应了系统的输出阻抗值，但由于H22a＝[0,0,0]T，所以Gd1＝0。而(17)是负载电流的变化量作为输入时的闭环传递函数Gd2，因为输出阻抗的定义为zL＝vc/(-iload)，所以需要对其进行转化，得出此时系统的输出阻抗为sGd2。由于Gd1＝0，所以zL1＝sGd2即为整个中频逆变电源系统的输出阻抗。
Figure BDA0003135599480000092
Figure BDA0003135599480000093
图7步骤2中电流内环反馈回路在比例控制器的基础上引入相位补偿环节，其数字表达式为：
Figure BDA0003135599480000094
系统控制信号u(k)的表达式为：
Figure BDA0003135599480000095
本发明的一种中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，提出了一种用于提升400Hz中频逆变电源抗扰性能的改进数字状态反馈控制算法。首先，建立中频逆变电源的主电路拓扑和等效输出阻抗模型。其次，求出了采用状态反馈控制方法时系统的等效输出阻抗，以及分析了控制器结构和参数对系统等效输出阻抗的影响。通过对电容电流状态反馈通道实时数字相位补偿，从而拓展电流环控制带宽，为电压状态反馈控制提供更大的裕度空间，进而改善系统的抗扰动能力与控制系统的参数适应能力。本发明对系统延迟有补偿效果，加入相位补偿可在不影响系统稳定性的情况下拓展了系统的带宽和控制器增益，削弱了由谐振产生的阻抗尖峰，从而改善了系统的高频抗扰性。
以上所述，仅是本发明实施例的较佳实施例而已，并非对本发明实施例作任何形式上的限制，依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明实施例技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于中频逆变电源等效输出阻抗的优化方法，其特征在于，所述的优化方法为：通过引入数字相位补偿环节，来优化中频逆变电源系统中电流内环反馈回路带宽。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述的优化方法包括以下步骤：
(1)建立中频逆变电源的主电路拓扑和等效输出阻抗模型，求出采用状态反馈控制方法时系统的等效输出阻抗，以及分析控制器结构和参数对系统等效输出阻抗的影响
所述的状态反馈为电压外环和电流内环双闭环反馈控制；
(2)电流内环反馈回路在比例控制器的基础上，引入相位补偿环节。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
所述的相位补偿环节的数字表达式为：
Figure FDA0003135599470000011
其中，β为补偿系数，ic(k)为经比例放大器后的电容电流，
Figure FDA0003135599470000012
为相位补偿后的电容电流。
4.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于，
所述的优化方法还包括：
(3)引入相位补偿环节后，形成系统控制信号；
(4)经过直流母线电压解耦后生成调制信号D，调制信号D经过PWM调制产生驱动波形控制逆变器的开关管。
5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，
所述的中频逆变电源系统中电流内环给定值与其反馈信号的差值为系统控制信号u(k)，其表达式为：
Figure FDA0003135599470000013
其中，vref为给定400Hz交流电压，vc(k)为电容电压采样值，
Figure FDA0003135599470000014
为相位补偿后的电容电流。
6.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，
所述的调制信号D的表达式为：
Figure FDA0003135599470000021
7.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，
所述的直流母线电压的利用率为1。
8.一种中频逆变电源数字控制系统，其特征在于，所述的中频逆变电源数字控制系统包括：主电路部分和控制电路部分；
所述的主电路部分以滤波电容的电压和电流作为控制系统的状态变量；
所述的控制电路部分包括：控制CPU及外围的信号调理电路和保护电路，用于产生主电路中各开关管的驱动信号。
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