CN113904383A - 基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统，属于分布式电源并网逆变器控制技术领域，方法包括采用复变量建立了dq坐标系下三相逆变器时域状态空间模型；设计了状态反馈控制，作为功率控制输入，用以改善系统动态响应；同时设计了参考值动态前馈控制，定义动态前馈增益为信号控制输入，创新利用积分谐振控制器，自适应调节动态前馈增益，即信号控制输入，从而达到无静差控制；本发明专利成功在自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿。本发明将自适应控制、状态反馈控制以及多重谐振控制进行结合，使得逆变器电压控制兼具强鲁棒性、良好的动态性能及低谐波输出。

Description

基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统

技术领域

本发明属于新能源并网逆变器控制技术领域，具体涉及基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统。

背景技术

分布式能源多为直流电源，往往需经由电力电子变换器接入电网，其中逆变器控制技术因其具备智能电网支持功能的特点而得到了广泛的应用。近年来随着电网构成型并网逆变器的应用研究，逆变器电压控制又重新受到关注。高渗透率是新能源发电进一步发展的必然趋势，考虑到分布式发电系统多采用长距离输电线路和多台变压器将系统互连并接入公共电网，此时这种高渗透率的分布式发电系统表现出低短路比。通过改变现有逆变器控制方式，即采用电压控制型并网逆变器接入系统，是解决系统惯量降低问题的有效方法之一。由于逆变器电压控制在并网功率控制中拥有可脱离电网独立运行、增强系统惯量等特点优良的特型，因此对于电压控制型逆变器，获得了广泛的研究和应用。

发明内容

针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统。

与现有技术相比，本发明采用以下技术方案：

基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统，包括状态空间模型、状态反馈控制模块、参考值静态前馈模块和参考值动态前馈模块，其特征在于，所述状态空间模型为三相逆变器电路在dq坐标系下的时域状态空间模型，其包括系统矩阵A_p、B_p1、B_p2和C_p、加法器和积分器；状态反馈控制模块包括控制反馈控制系数k_p1和k_p2；参考值静态前馈模块包括参考值前馈系数k_r0；参考值动态前馈模块包括谐振控制器及各次谐波控制器的复增益k_n，其中电压参考值y_ref作为静态前馈模块的输入，电压参考值y_ref与控制系统输出y的差值作为参考值动态前馈模块的输入，静态前馈增益的输出和动态前馈增益的输出以及状态反馈增益k_p1和k_p2后的输出相加后作为状态反馈控制模块的输入v_c，v_c经过脉宽调制后实现逆变器的桥臂中点电压，与逆变电路形成闭环反馈控制系统。

基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)对于三相LC型逆变器电路，基于复变量在dq坐标系下建立其状态空间模型

(2)设计状态反馈单独作用于功率控制输入，以改善系统状态变量的动态响应。利用前馈复增益k_r调节系统输入输出传递函数为单位增益。

(3)自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿。

进一步的，步骤(1)中在dq坐标系下建立基于复变量的状态空间模型为(逆变器拓扑电路如图1所示)：

其中，x_p:[i_Ldq u_Cdq]^T＝[i_Ld+ji_Lq u_Cd+ju_Cq]^T表示dq轴坐标系下的电感电流和电容电压，w:i_wdq＝i_wd+ji_wq表示负载电流扰动，v_c表示逆变器桥臂中点电压，并定义其为功率控制输入，与后文中提出的信号控制输入相区分。

若定义a₁＝1/L，a₂＝1/C，由基本电路定律可得到状态空间模型中的矩阵为：

进一步的，步骤(2)中设计状态反馈单独作用于功率控制输入，以改善系统状态变量的动态响应。利用前馈复增益k_r调节系统输入输出传递函数为单位增益。考虑到系统模型参数等不确定性，静态前馈增益k_r往往无法达到实时运行时的单位增益效果，因此设计复增益k_r分为静态与动态两部分：k_r＝k_r0+k_ra。静态增益k_r0使得系统输入输出传递函数在指定频率处(采用dq轴控制时，由于dq轴电压为直流量，因此该频率为0Hz)的理论增益为单位一；动态自适应复增益k_ra则通过输出反馈自适应调节，以使得输入输出传递函数在实际运行时始终保持为单位增益，以提高系统抗干扰能力，此时k_ra可以视为一个实时信号，本专利定义为信号控制输入，通过对该信号的调节，控制输入输出传递函数在指定频率处为单位增益。显然该动态复增益k_ra的自适应调节可补偿系统参数不确定性和负载变化引起的增益变化，并消除稳态误差。

首先忽略动态自适应前馈增益，在dq坐标系下的功率控制输入为v_c＝-Kx_p+k_r0y_ref，其中K＝[k_p1 k_p2]，将此控制律带入原系统方程，可得其输出电压如下：

其中，Tr(s)表示系统参考值到输出闭环传递函数。由上式可知，状态反馈可调节系统极点分布，因此可改善系统自然极点，从而提高系统的动态性能。

为了保证传递函数在dq坐标系下0Hz处取得单位增益，即输出能够完全跟踪输入，实现无稳态误差跟踪控制，复系数k_r0可由下式确定：

并进一步得到：

k_r0＝1+k_p2-ω²/(a₁a₂)+j(r+k_p1)ω/a₂；

实际上，由于系统参数的不确定性和负载的变化，k_r0并不能完全确保传递函数T_r(s)|_s＝0＝1。为了补偿不确定性，本专利利用动态自适应复增益k_ra来响应逆变器电压信号的幅值偏差和相角偏差。如此形成的自适应控制策略如图2所示。

考虑动态部分后，复变量前馈增益k_r可表示为幅角形式：

由于传递函数T_r的幅值与A_r相关，与θ_r无关，相反，T_r的相角与θ_r相关，与A_r无关，因此，可通过输出电压的幅值反馈调节T_r的幅值，输出电压的相角反馈调节T_r的相角：

其中E_ref、

分别表示参考电压的幅值和相角；E_C、

分别表示输出电压的幅值和相角。然而，如果采用上式所示的控制率，则为k_r的计算过程为非线性计算，且输出电压的相位无法获得，这给自适应控制增益系数k_m和k_ph的整定带来困难。考虑复变量前馈增益k_r的直角坐标形式：

在实际的三相逆变器系统中ω²/(a1a2)＜＜1+k₂，可忽略不计，且(r+k₁)ω/a₂＜＜1+k₂，即k_r0Im<<k_r0Re，因此θ_r0→0，又由于动态自适应复系数k_ra较小，同理可得θ_r→0，因此：

因此A_ra可由k_raRe代替，θ_ra可由k_raIm代替。此外，以参考值相角为基准，变换到dq坐标系下后，输出电压变为

因此u_Cd、u_Cq分别包含了输出电压的幅值信息和相角差信息，因此，自适应控制律可线性化为下列形式：

上述线性化后的自适应控制律可统一为：

k_ra＝k₁∫(y_ref-u_c)dt；

其中y_ref＝E_refe^j0＝E_ref，u_c＝u_Cdq，k₁扩展为复系数。

进一步的，步骤(3)中的自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿。为提高非线性负载带载能力，借鉴传统多重谐振控制器思想，同时得益于前文中自适应控制律的线性化数学处理，使得本发明专利可以在自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿，从而使信号控制输入k_ra具备较强的谐波补偿能力，自适应非线性负载的变化，提升电压质量。考虑如下传递函数的谐振控制器：

其中ω表示谐振频率，同时为系统电压参考频率，(n-1)ω为各次谐波在dq轴坐标系的下的角频率。如图3所示，可配置多重谐振控制器，k_n为各次谐波控制器的复增益。

有益效果：

(1)本发明将参考值前馈分离为静态参考值前馈和动态参考值前馈，使得动态参考值前馈可以自适应调节可补偿系统参数不确定性和负载变化引起的增益变化，并消除稳态误差。

(2)传统自适应控制一般从数学模型的角度设计，寻求Lyapunov稳定，此过程往往伴随着高度非线性，控制增益的设计较为复杂，因而谐振控制器难以施加，且需要较多的数学知识，一般缺乏物理意义。本发明专利得益于自适应控制的线性化，成功将多重谐振控制纳入自动态参考值前馈中，进行谐波补偿，从而使信号控制输入具备较强的谐波补偿能力，自适应非线性负载的变化，提升电压质量。

(3)本发明将自适应控制、状态反馈控制以及多重谐振控制进行结合，各功能模块均具备物理意义明确，使得逆变器电压控制兼具强鲁棒性、良好的动态性能及低谐波输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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为多重谐振控制自适应控制算法控制框图；

图2为三相LC型逆变器电路拓扑图；

图3为自适应控制策略示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施方法来详细说明本发明技术方案。

本发明提供了基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统，包括状态空间模型、状态反馈控制模块、参考值静态前馈模块和参考值动态前馈模块，状态空间模型为三相逆变器电路在dq坐标系下的时域状态空间模型，其包括系统矩阵A_p、B_p1、B_p2和C_p、加法器和积分器；状态反馈控制模块包括控制反馈控制系数k_p1和k_p2；参考值静态前馈模块包括参考值前馈系数k_r0；参考值动态前馈模块包括谐振控制器及各次谐波控制器的复增益k_n。其中电压参考值y_ref作为静态前馈模块的输入，电压参考值y_ref与控制系统输出y的差值作为参考值动态前馈模块的输入。静态前馈增益的输出和动态前馈增益的输出以及状态反馈增益k_p1和k_p2后的输出相加后作为状态反馈控制模块的输入v_c，v_c经过脉宽调制后实现逆变器的桥臂中点电压，与逆变电路形成闭环反馈控制系统。

本发明还公开了一种基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采用复变量方法建立逆变器状态空间模型。主要实施步骤如下所述：

三相LC型逆变器电路如图2所示，基于复变量在dq坐标系下建立其状态空间模型：

其中，x_p:[i_Ldq u_Cdq]^T＝[i_Ld+ji_Lq u_Cd+ju_Cq]^T表示dq轴坐标系下的电感电流和电容电压，w:i_wdq＝i_wd+ji_wq表示负载电流扰动，v_c表示逆变器桥臂中点电压，并定义其为功率控制输入，与后文中提出的信号控制输入相区分。

若定义a₁＝1/L，a₂＝1/C，由基本电路定律可得到状态空间模型中的矩阵为：

步骤2：设计状态反馈、静态前馈增益和动态前馈增益，主要实施步骤如下所述：

首先设计状态反馈单独作用于功率控制输入，以改善系统状态变量的动态响应。利用前馈复增益k_r调节系统输入输出传递函数为单位增益。考虑到系统模型参数等不确定性，静态前馈增益k_r往往无法达到实时运行时的单位增益效果，因此设计复增益k_r分为静态与动态两部分：k_r＝k_r0+k_ra。静态增益k_r0使得系统输入输出传递函数在指定频率处(采用dq轴控制时，由于dq轴电压为直流量，因此该频率为0Hz)的理论增益为单位一；动态自适应复增益k_ra则通过输出反馈自适应调节，以使得输入输出传递函数在实际运行时始终保持为单位增益，以提高系统抗干扰能力，此时k_ra可以视为一个实时信号，本专利定义为信号控制输入，通过对该信号的调节，控制输入输出传递函数在指定频率处为单位增益。显然该动态复增益k_ra的自适应调节可补偿系统参数不确定性和负载变化引起的增益变化，并消除稳态误差。

首先忽略动态自适应前馈增益，在dq坐标系下的功率控制输入为v_c＝-Kx_p+k_r0y_ref，其中K＝[k_p1 k_p2]，将此控制律带入原系统方程，可得其输出电压如下：

其中，T_r(s)表示系统参考值到输出闭环传递函数。由上式可知，状态反馈可调节系统极点分布，因此可改善系统自然极点，从而提高系统的动态性能。

为了保证传递函数在dq坐标系下0Hz处取得单位增益，即输出能够完全跟踪输入，实现无稳态误差跟踪控制，复系数k_r0可由下式确定：

并进一步得到：

k_r0＝1+k_p2-ω²/(a₁a₂)+j(r+k_p1)ω/a₂；

实际上，由于系统参数的不确定性和负载的变化，k_r0并不能完全确保传递函数T_r(s)|_s＝0＝1。为了补偿不确定性，本专利利用动态自适应复增益k_ra来响应逆变器电压信号的幅值偏差和相角偏差。如此形成的自适应控制策略如图3所示。

考虑动态部分后，复变量前馈增益k_r可表示为幅角形式：

由于传递函数T_r的幅值与A_r相关，与θ_r无关，相反，T_r的相角与θ_r相关，与A_r无关，因此，可通过输出电压的幅值反馈调节T_r的幅值，输出电压的相角反馈调节T_r的相角：

其中E_ref、

分别表示参考电压的幅值和相角；E_C、

分别表示输出电压的幅值和相角。然而，如果采用上式所示的控制率，则为k_r的计算过程为非线性计算，且输出电压的相位无法获得，这给自适应控制增益系数k_m和k_ph的整定带来困难。考虑复变量前馈增益k_r的直角坐标形式：

在实际的三相逆变器系统中ω²/(a1a₂)＜＜1+k₂，可忽略不计，且(r+k₁)ω/a₂＜＜1+k₂，即k_r0Im<<k_r0Re，因此θ_r0→0，又由于动态自适应复系数k_ra较小，同理可得θ_r→0，因此：

因此A_ra可由k_raRe代替，θ_ra可由k_raIm代替。此外，以参考值相角为基准，变换到dq坐标系下后，输出电压变为

因此u_Cd、u_Cq分别包含了输出电压的幅值信息和相角差信息，因此，自适应控制律可线性化为下列形式：

上述线性化后的自适应控制律可统一为：

k_ra＝k₁∫(y_ref-u_c)dt；

其中y_ref＝E_refe^j0＝E_ref，u_c＝u_Cdq，k₁扩展为复系数。

步骤3：在自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿。主要实施步骤如下所述：

为提高非线性负载带载能力，借鉴传统多重谐振控制器思想，同时得益于前文中自适应控制律的线性化数学处理，使得本发明专利可以在自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿，从而使信号控制输入k_ra具备较强的谐波补偿能力，自适应非线性负载的变化，提升电压质量。考虑如下传递函数的谐振控制器：

其中ω表示谐振频率，同时为系统电压参考频率，(n-1)ω为各次谐波在dq轴坐标系的下的角频率。如图1所示，可配置多重谐振控制器，k_n为各次谐波控制器的复增益。

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。

Claims (5)

1.基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统，包括状态空间模型、状态反馈控制模块、参考值静态前馈模块和参考值动态前馈模块，其特征在于，所述状态空间模型为三相逆变器电路在dq坐标系下的时域状态空间模型，其包括系统矩阵A_p、B_p1、B_p2和C_p、加法器和积分器；状态反馈控制模块包括控制反馈控制系数k_p1和k_p2；参考值静态前馈模块包括参考值前馈系数k_r0；参考值动态前馈模块包括谐振控制器及各次谐波控制器的复增益k_n，其中电压参考值y_ref作为静态前馈模块的输入，电压参考值y_ref与控制系统输出y的差值作为参考值动态前馈模块的输入，静态前馈增益的输出和动态前馈增益的输出以及状态反馈增益k_p1和k_p2后的输出相加后作为状态反馈控制模块的输入v_c，v_c经过脉宽调制后实现逆变器的桥臂中点电压，与逆变电路形成闭环反馈控制系统。

2.基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对于三相LC型逆变器电路，基于复变量在dq坐标系下建立其状态空间模型；

(2)设计状态反馈单独作用于功率控制输入，以改善系统状态变量的动态响应，利用前馈复增益调节系统输入输出传递函数为单位增益；

(3)自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿。

3.基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中dq坐标系下建立基于复变量的状态空间模型为：

其中，x_p:[i_Ldq u_Cdq]^T＝[i_Ld+ji_Lq u_Cd+ju_Cq]^T表示dq轴坐标系下的电感电流和电容电压，w:i_wdq＝i_wd+ji_wq表示负载电流扰动，v_c表示逆变器桥臂中点电压，并定义其为功率控制输入，与后文中提出的信号控制输入相区分，

若定义a₁＝1/L，a₂＝1/C，由基本电路定律可得到状态空间模型中的矩阵为：

4.根据权利要求2所述的基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中设计状态反馈单独作用于功率控制输入，以改善系统状态变量的动态响应，利用前馈复增益k_r调节系统输入输出传递函数为单位增益，考虑到系统模型参数等不确定性，静态前馈增益k_r往往无法达到实时运行时的单位增益效果，因此设计复增益k_r分为静态与动态两部分：k_r＝k_r0+k_ra，静态增益k_r0使得系统输入输出传递函数在指定频率处(采用dq轴控制时，由于dq轴电压为直流量，因此该频率为0Hz)的理论增益为单位一；动态自适应复增益k_ra则通过输出反馈自适应调节，以使得输入输出传递函数在实际运行时始终保持为单位增益，以提高系统抗干扰能力，此时k_ra可以视为一个实时信号，本专利定义为信号控制输入，通过对该信号的调节，控制输入输出传递函数在指定频率处为单位增益，显然该动态复增益k_ra的自适应调节可补偿系统参数不确定性和负载变化引起的增益变化，并消除稳态误差，

首先忽略动态自适应前馈增益，在dq坐标系下的功率控制输入为v_c＝-Kx_p+k_r0y_ref，其中K＝[k_p1 k_p2]，将此控制律带入原系统方程，可得其输出电压如下：

其中，T_r(s)表示系统参考值到输出闭环传递函数，由上式可知，状态反馈可调节系统极点分布，因此可改善系统自然极点，从而提高系统的动态性能，

为了保证传递函数在dq坐标系下0Hz处取得单位增益，即输出能够完全跟踪输入，实现无稳态误差跟踪控制，复系数k_r0可由下式确定：

并进一步得到：

k_r0＝1+k_p2-ω²/(a₁a₂)+j(r+k_p1)ω/a₂；

实际上，由于系统参数的不确定性和负载的变化，k_r0并不能完全确保传递函数T_r(s)|_s＝0＝1，为了补偿不确定性，本专利利用动态自适应复增益k_ra来响应逆变器电压信号的幅值偏差和相角偏差，

考虑动态部分后，复变量前馈增益k_r可表示为幅角形式：

由于传递函数T_r的幅值与A_r相关，与θ_r无关，相反，T_r的相角与θ_r相关，与A_r无关，因此，可通过输出电压的幅值反馈调节T_r的幅值，输出电压的相角反馈调节T_r的相角：

其中E_ref、

分别表示参考电压的幅值和相角；E_C、

分别表示输出电压的幅值和相角，然而，如果采用上式所示的控制率，则为k_r的计算过程为非线性计算，且输出电压的相位无法获得，这给自适应控制增益系数k_m和k_ph的整定带来困难，考虑复变量前馈增益k_r的直角坐标形式：

在实际的三相逆变器系统中ω²/(a₁a₂)＜＜1+k₂，可忽略不计，且(r+k₁)ω/a₂＜＜1+k₂，即k_r0Im<<k_r0Re，因此θ_r0→0，又由于动态自适应复系数k_ra较小，同理可得θ_r→0，因此：

因此A_ra可由k_raRe代替，θ_ra可由k_raIm代替，此外，以参考值相角为基准，变换到dq坐标系下后，输出电压变为

因此u_Cd、u_Cq分别包含了输出电压的幅值信息和相角差信息，因此，自适应控制律可线性化为下列形式：

上述线性化后的自适应控制律可统一为：

k_ra＝k₁∫(y_ref-u_c)dt；

其中y_ref＝E_refe^j0＝E_ref，u_c＝u_Cdq，k₁扩展为复系数。

5.根据权利要求2所述的基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应逆变器控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：

自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿，为提高非线性负载带载能力，借鉴传统多重谐振控制器思想，同时得益于前文中自适应控制律的线性化数学处理，使得本发明专利可以在自适应计算环路中引入多重谐振控制器，用于动态调节前馈增益，进行谐波补偿，从而使信号控制输入k_ra具备较强的谐波补偿能力，自适应非线性负载的变化，提升电压质量，考虑如下传递函数的谐振控制器：

其中ω表示谐振频率，同时为系统电压参考频率，(n-1)ω为各次谐波在dq轴坐标系的下的角频率，可配置多重谐振控制器，k_n为各次谐波控制器的复增益。

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