CN113346785A - 一种逆变器自适应误差补偿控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种逆变器自适应误差补偿控制系统及方法,属于电力电子变流控制技术领域。该系统包括相位补偿单元、自抗扰控制单元、dq解耦控制单元和开关控制单元;本发明在dq电流解耦控制的基础上通过主动引入逆变器控制系统中的未知扰动及相位误差,在实现交流电压的零稳态误差控制的同时,有效的提高了系统的抗扰能力并降低了相位误差。本发明可广泛应用于光伏并网逆变器、单相变三相变换器等对输出电压要求较高的带逆变结构的电力电子设备的控制领域,具有良好的动态性能及抗扰能力。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变流控制技术领域,具体涉及一种逆变器自适应误差补偿控制系统及方法,尤其涉及一种可用于含有逆变电路的电力电子装置的自适应误差补偿控制系统及方法。
背景技术
随着微电子技术和电力电子技术的飞速发展,逆变电路因其能将直流电转变为定频定压或调频调压交流电的功能,在日常生产生活中被广泛使用。
对某些用户而言,要求逆变电源具有足够的输出精度,否则就会造成设备性能下降,甚至成为新的故障源。因此,对于某些输出精度具有严格要求的逆变电路来说,消除逆变器输出误差,提高逆变电源输出精度十分重要。
在控制系统设计过程中,考虑到PID控制器易放大噪声及引入扰动的缺陷,逆变电路的控制系统通常采用PI调节器。然而,在对交流信号进行实际控制过程中,由于采用PI调节器的控制系统的开环增益在交流信号的频率下的增益不为无穷大,无法实现给定电压与输出信号之间无静差跟踪。除此以外,IGBT正向管压降、开关延迟时间以及死区时间、模型参数偏差、负载扰动等未知扰动及锁相误差的存在,将在逆变器控制环节中引入误差,这对逆变电源的输出精度造成了不利影响。因此如何克服现有技术的不足是目前电力电子变流控制技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足,提供一种逆变器自适应误差补偿控制系统及方法。该方法在dq电流解耦控制的基础上通过主动引入逆变器控制系统中的未知扰动及锁相误差,在实现交流电压的零稳态误差控制的同时,有效的提高了系统的抗扰能力并降低了相位误差。本发明可广泛应用于光伏并网逆变器、单相变三相变换器等对输出电压要求较高的带逆变结构的电力电子设备的控制领域,具有良好的动态性能及抗扰能力。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种逆变器自适应误差补偿控制方法,包括如下步骤:
步骤(3),测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
步骤(4),步骤(3)的输出的信号经反Park变换后输出作为SPWM的参考信号,控制开关通断,从而实现对逆变器输出电压的控制。
进一步,优选的是,步骤(1)的具体方法为:
其中,μ为逆变器移相角度;
进一步,优选的是,步骤(2)的具体方法为:
线性自抗扰控制器自带线性扩张状态观测器;
单相逆变器的数学模型为:
式中,Sd、Sq为开关函数在dq些标系下的d、q轴分量;id、iq为电感电流在dq坐标系下的d、q轴分量,即有功电流分量和无功电流分量;ed、eq为输入电压在dq坐标系下的d,q轴分量;ud、uq为输出电压在dq坐标系下的d、q轴分量;u0为逆变器输出电压;iL为滤波电感电流;i0为负载电流,即逆变器输出电流;L为滤波电感;r为输出侧等效内阻;ω为逆变器输出信号的角频率;R为负载;C为滤波电容;
通过对上式求导化简可得:
将上式的微分方程转化为状态空间形式:
式中,
式中,状态变量x1,x2分别为输出y=u0及其微分;x3为扩张状态变量,表示为系统的总扰动;h为f的微分;
电压外环的三阶LESO为:
当参数ω0准确整定时,状态观测器的输出z1,z2和z3分别收敛于输出y=u0及其微分以及总扰动f;
ωc为整定参数。
进一步,优选的是,步骤(3)的具体方法为:
单相逆变器输出电流的正交分量通过延时1/4周期获得,将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行坐标变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,αβ/dq坐标变换公式为:
通过αβ/dq坐标变换公式获得的单相逆变器在dq坐标系下的电流状态方程具体为:
其中,udc 为直流侧电压;
进一步,优选的是,步骤(4)的具体方法为:
根据逆变器输出信号的角度θ将d轴电压指令信号和q轴电压指令信号进行反Park变换,获得静止坐标系下的调制波信号,dq/αβ坐标变换公式为:
将获得的静止坐标系下的调制波信号uα_pwm作为最终的调制信号,使用正弦脉宽调制技术进行调制,生成开关信号驱动单相PWM逆变器工作,从而实现对逆变器输出电压的控制。
一种逆变器自适应误差补偿控制系统,包括相位补偿单元、自抗扰控制单元、dq解耦控制单元和开关控制单元;
dq解耦控制单元用于测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
开关控制单元,用于将dq解耦控制单元的输出的信号经反Park变换后输出作为SPWM的参考信号,控制开关通断,从而实现对逆变器输出电压的控制。
本发明建立逆变器在dq坐标系下的数学模型,基于电流矢量通过滞后1/4周期构造与之正交的信号;
本发明相位补偿单元测量基准电压及输出电压计算相位误差,并对输出电压的相位进行实时校正;
本发明引入自抗扰控制技术:采用自抗扰控制单元取代传统电压外环采用的PI控制器,并将模型参数偏差、负载扰动、控制延时等扰动变量作为未知扰动,通过估计所述未知扰动对逆变器控制系统的干扰,对未知扰动进行补偿;
本发明dq解耦控制单元通过控制输出电流d轴、q轴分量,实现输出电流的零静差跟踪。
本发明与现有技术相比,其有益效果为:
本发明提供一种逆变电路自适应误差补偿控制系统方法,该方法在dq电流解耦控制的基础上通过主动引入逆变器控制系统中的未知扰动及锁相误差,在实现交流电压的零稳态误差控制的同时,有效的提高了系统的抗扰能力并降低了相位误差。
与传统方法相比,本方法及系统弥补了以往误差补偿需要建立误差补偿表,计算量较大且适用性低的技术缺陷;在收到外界扰动时,控制效果也优于基于PI控制的控制方法;此外,本方法考虑了自抗扰控制外存在的相位误差,进一步的提高了逆变器性能。
附图说明:
为了更加清楚直观地说明本发明实施例中的技术方案,下面对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍。
图1为本发明实施例提供的单相逆变电路结构图;
图2为本发明实施例提供的dq电流解耦控制框图;
图3为本发明实施例提供的二阶LADRC结构原理图;
图4为本发明实施例提供的相位补偿控制框图;
图5为本发明实施例提供的单相逆变器误差补偿控制框图;
图6为本发明逆变器自适应误差补偿控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者,均为可以通过购买获得的常规产品。
参照图1~5,一种逆变器自适应误差补偿控制方法,包括如下步骤:
步骤(3),测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
步骤(4),步骤(3)的输出的信号经反Park变换后输出作为SPWM的参考信号,控制开关通断,从而实现对逆变器输出电压的控制。
进一步,优选的是,步骤(1)的具体方法为:
逆变器参考电压通过基准电压uΔ获取:通过提取基准电压uΔ的相位信息,经过计算与正弦化后与目标幅值Um相乘获得。
为了消除获取参考电压过程中的相位误差,将基准电压uΔ与输出电压u0作为相位补偿单元的输入,校正后的相位作为相位补偿单元的输出,并作为后续构建逆变器参考电压相位参数。
其中,μ为逆变器移相角度;
进一步,优选的是,步骤(2)的具体方法为:
线性自抗扰控制器自带线性扩张状态观测器(LESO)这个核心部件,能够实时估计并补偿系统中的扰动。
单相逆变器的数学模型为:
式中,Sd、Sq为开关函数在dq坐标系下的d、q轴分量;id、iq为电感电流在dq坐标系下的d、q轴分量,即有功电流分量和无功电流分量;ed、eq为输入电压在dq坐标系下的d,q轴分量;ud、uq为输出电压在dq些标系下的d、q轴分量;u0为逆变器输出电压;iL为滤波电感电流;i0为负载电流,即逆变器输出电流;L为滤波电感;r为输出侧等效内阻;ω为逆变器输出信号的角频率;R为负载;C为滤波电容;
通过对上式求导化简可得:
将上式的微分方程转化为状态空间形式:
式中,
式中,状态变量x1,x2分别为输出y=u0及其微分;x3为扩张状态变量,表示为系统的总扰动;h为f的微分;
电压外环的三阶LESO为:
当参数ω0准确整定时,状态观测器的输出z1,z2和z3分别收敛于输出y=u0及其微分以及总扰动f;
ωc为整定参数。
思路是:
S21.线性自抗提控制器(LADRC)将模型参数偏差、负载扰动、控制延时等扰动变量作为未知扰动,基于未知扰动建立LADRC的微分方程;
S22.获取三阶线性扩张状态观测器(LESO)的特征方程,根据单相逆变器在dq坐标系下的数学模型对三阶LESO进行参数整定;
S23.根据未知扰动的估计值对系统控制量进行校正,得到含有抗扰信息的控制量。
当未知扰动中系统参数误差及未建模动态的相位滞后较大时,由于LESO的相位滞后特性会使得总扰动估计无法实现相位的完全补偿;此外,当逆变器参考电压通过基准电压uΔ获取并与基准电压存在相位差时,需通过锁相环获取基准电压相位信息,这将在控制中引入锁相误差。
进一步,优选的是,步骤(3)的具体方法为:
单相逆变器输出电流的正交分量通过延时1/4周期获得,将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行坐标变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,αβ/dq坐标变换公式为:
通过αβ/dq坐标变换公式获得的单相逆变器在dq坐标系下的电流状态方程具体为:
其中,udc 为直流侧电压;
思路是:
S31.通过广义二阶积分器构造逆变器输出电压、电流的正交信号;
S32.将逆变器输出电压、电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,建立单相逆变器在αβ静止坐标系中的状态方程;
S33.进行坐标变换,获得单相逆变器在dq坐标系下的状态方程,之后进行计算输出。
进一步,优选的是,步骤(4)的具体方法为:
根据逆变器输出信号的角度θ将d轴电压指令信号和q轴电压指令信号进行反Park变换,获得静止坐标系下的调制波信号,dq/αβ坐标变换公式为:
将获得的静止坐标系下的调制波信号uα_pwm作为最终的调制信号,使用正弦脉宽调制技术进行调制,生成开关信号驱动单相PWM逆变器工作,从而实现对逆变器输出电压的控制。
如图6,一种逆变器自适应误差补偿控制系统,包括相位补偿单元、自抗扰控制单元、dq解耦控制单元和开关控制单元;
dq解耦控制单元103用于测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
开关控制单元104,用于将dq解耦控制单元的输出的信号经反Park变换后输出作为SPWM的参考信号,控制开关通断,从而实现对逆变器输出电压的控制。
本发明所述系统为电压电流双闭环控制系统;电压外环为自抗扰控制单元,电流内环为dq解耦控制单元。
图1为本发明实施例提供的传统单相逆变电路结构图;所述单相逆变电路包括直流母线电压udc、IGBT开关管组、滤波电感L、滤波电容C以及等效负载R,两桥臂中点的电压差为uinv。IGBT开关管组后经由滤波电感L、滤波电容C构成的低通滤波器滤波后输出电压u0,iL、iC、i0分别为滤波电感电流、电容电流及负载电流。
根据电路状态方程的Laplace变换,可获得逆变器输出电压u0与两桥臂中点电压差uinv传递函数为:
单相逆变器输出电流的正交分量通过延时1/4周期获得,将逆变器输出电压、电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行坐标变换;
由图1可知,通过αβ/dq坐标变换公式获得的单相逆变器在dq坐标系下的电流状态方程具体为:
其中,udc 直流侧电压;
图2为dq电流解耦控制框图,为了消除耦合电压ωLid、ωLid以及输出电压ud、uq扰动的影响,对其进行前馈解耦,其中,d轴和q轴上的控制结构以及控制器参数完全一致。
图3为二阶线性自抗扰控制器(LADRC)结构图。LADRC能将外部扰动、模型参数误差和耦合等扰动变量作为未知扰动,通过线性扩张状态观测器(LESO)进行估计和补偿,将系统补偿为纯积分串联型,以后的良好的控制性能。
当未知扰动中系统参数误差及未建模动态的相位滞后较大时,由于LESO的相位滞后特性会使得总扰动估计无法实现相位的完全补偿;此外,当逆变器参考电压通过基准电压uΔ获取并与基准电压存在相位差时,需通过锁相环获取基准电压相位信息,这将在控制中引入锁相误差。
图5为本发明实施例提供的单相逆变器误差补偿控制框图。所述电压外环为自抗 扰控制单元,电流内环为dq解耦控制单元。
dq解耦控制单元用于测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
由图5可知,逆变器参考电压通过基准电压uΔ获取:通过提取基准电压uΔ的相位信息,经过计算与正弦化后与目标幅值Um相乘获得。
为了消除相位误差,将基准电压uΔ与输出电压u作为相位补偿单元的输入,校正后的相位作为相位补偿单元的输出,作为后续构建逆变器参考电压相位参数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种逆变器自适应误差补偿控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤(3),测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
步骤(4),步骤(3)的输出的信号经反Park变换后输出作为SPWM的参考信号,控制开关通断,从而实现对逆变器输出电压的控制。
3.根据权利要求1所述的逆变器自适应误差补偿控制方法,其特征在于,步骤(2)的具体方法为:
线性自抗扰控制器自带线性扩张状态观测器;
单相逆变器的数学模型为:
式中,Sd、Sq为开关函数在dq坐标系下的d、q轴分量;id、iq为电感电流在dq坐标系下的d、q轴分量,即有功电流分量和无功电流分量;ed、eq为输入电压在dq坐标系下的d,q轴分量;ud、uq为输出电压在dq坐标系下的d、q轴分量;u0为逆变器输出电压;iL 为滤波电感电流;i0为负载电流,即逆变器输出电流;L为滤波电感;r为输出侧等效内阻;ω为逆变器输出信号的角频率;R为负载;C为滤波电容;
通过对上式求导化简可得:
将上式的微分方程转化为状态空间形式:
式中,
式中,状态变量x1,x2分别为输出y=u0及其微分;x3为扩张状态变量,表示为系统的总扰动;h为f的微分;
电压外环的三阶LESO为:
当参数ω0准确整定时,状态观测器的输出z1,z2和z3分别收敛于输出y=u0及其微分以及总扰动f;
ωc为整定参数。
6.一种逆变器自适应误差补偿控制系统,其特征在于,包括相位补偿单元、自抗扰控制单元、dq解耦控制单元和开关控制单元;
dq解耦控制单元用于测量逆变器输出电流i0,并通过1/4周期延时生成输出电流的正交向量;将逆变器输出电流作为α轴分量,所获得的正交信号作为β轴分量,进行Park变换,得到有功电流分量id和无功电流分量iq,将有功电流分量id和无功电流分量iq分别与d轴参考电流0做差比较后,将结果输入比例电流控制器,比例电流控制器输出得到d轴电压指令信号和q轴电压指令信号;
开关控制单元,用于将dq解耦控制单元的输出的信号经反Park变换后输出作为SPWM的参考信号,控制开关通断,从而实现对逆变器输出电压的控制。
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