CN114938153A - 三相pwm变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统 - Google Patents

三相pwm变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统，包括：根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，得到有功功率参考值；构建命令滤波器以得到有功功率参考值的导数；根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。保证三相PWM变流器控制系统的动静态控制性能。

Description

三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统
技术领域
本发明涉及三相PWM变流器控制技术领域，特别是涉及一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统。
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。
三相PWM变流器是一个复杂的多变量、强耦合的非线性系统，再加上其本身的模型不确定性、外部扰动等，传统的基于PI的矢量控制方法，对系统在局部进行线性化近似处理，已无法满足当前众多领域对三相PWM变流器控制系统的动静态性能要求。
随着现代控制理论的发展，一些新型控制方法逐步应用在三相PWM变流器控制系统中。反步控制作为一种非线性控制方法，可将复杂的高阶系统分解为若干个子系统，通过引入虚拟控制器和递推设计，保障闭环控制系统大范围稳定，实现直流电压和功率的跟踪控制。
但是，传统反步控制是一种渐近收敛的控制方法，动态响应能力不足；另外，反步控制需对虚拟控制器进行迭代求导，加重计算负担，进一步限制了其在实际中的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统，保证三相PWM变流器控制系统的动静态控制性能，降低计算负担，解决现有控制方法中存在的动态响应能力不足、计算负担重的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，包括：
根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，并以此构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，确定控制器参数，以此得到有功功率参考值；
根据有功功率参考值构建命令滤波器，以在固定时间内得到有功功率参考值的导数；
根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；
由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。
作为可选择的实施方式，获取三相PWM变流器的三相电网电流和三相电网电压，并根据Clark坐标变换得到两相静止坐标系下的电网电流和电网电压；根据瞬时功率理论以及两相静止坐标系下的电网电流和电网电压得到有功功率和无功功率。
作为可选择的实施方式，所述电压环固定时间控制器为：
Figure BDA0003646162430000021
其中，Vdc是直流电压实测值，iL是直流电流实测值，C是直流侧电容，a1,b1是控制器参数，α,β是分数幂参数，z1是直流电压跟踪误差。
作为可选择的实施方式，所述命令滤波器为：
Figure BDA0003646162430000031
Figure BDA0003646162430000032
Figure BDA0003646162430000033
其中，λ1,λ2,λ3,λ4是滤波器参数，P*是电压环固定时间控制器，也是功率环中的有功功率参考值，α,β是分数幂参数。
作为可选择的实施方式，功率环固定时间控制器为：
Figure BDA0003646162430000034
Figure BDA0003646162430000035
其中，a2,b2,a3,b3是功率环固定时间控制器参数，L是滤波电感，R是线路等效电阻，α,β是分数幂参数，ω是三相电压的角频率，P和Q分别为有功功率和无功功率，U是三相电网电压的幅值，ι是有功功率参考值的导数，z2是有功功率跟踪误差，z3是无功功率跟踪误差。
作为可选择的实施方式，三相PWM变流器的控制输入uP和uQ变换为两相静止坐标系下的调制电压的过程为：
Figure BDA0003646162430000036
其中，vα,vβ是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。
作为可选择的实施方式，获取调制电压后，经PWM调制产生调制波，以实现对三相PWM变流器的控制。
第二方面，本发明提供一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制系统，包括：
电压环模块，被配置为根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，并以此构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，确定控制器参数，以此得到有功功率参考值；
命令滤波器估计模块，被配置为根据有功功率参考值构建命令滤波器，以在固定时间内得到有功功率参考值的导数；
功率环模块，被配置为根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；
控制模块，被配置为由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统，实现三相PWM变流器跟踪控制系统固定时间稳定，响应快、精度高，保障直流电压稳定和系统稳定运行，保证三相PWM变流器控制系统的动静态控制性能，降低计算负担，解决现有控制方法中存在的动态响应能力不足、计算负担重的问题。
本发明提出一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统，引入命令滤波器用于估计有功功率参考值的导数，避免了繁琐的求导运算。
本发明提出一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法及系统，无需电流环以及同步锁相环节，控制结构简单，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为本发明实施例1提供的固定时间命令滤波控制方法流程示意图；
图2为本发明实施例1提供的直流电压跟踪效果图；
图3为本发明实施例1提供的直流电压跟踪误差效果图；
图4为本发明实施例1提供的无功功率跟踪效果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，如图1所示，包括：电压环固定时间控制器、功率环固定时间控制器和命令滤波器；通过电压环固定时间控制器计算有功功率参考值，通过命令滤波器实现对有功功率参考值导数
Figure BDA0003646162430000061
的估计，并将其补偿给功率环固定时间控制器，最后由功率环固定时间控制器输出三相PWM变流器的控制输入uP和uQ，并将其变换为两相静止坐标系下的调制电压vα,vβ后，由PWM调制产生调制波，实现对三相PWM变流器的控制。
具体包括如下步骤：
根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，并以此构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，确定控制器参数，以此得到有功功率参考值；
根据有功功率参考值构建命令滤波器，以在固定时间内得到有功功率参考值的导数；
根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；
由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。
在本实施例中，获取三相PWM变流器的三相电网电流ia,ib,ic和三相电网电压ua,ub,uc，并根据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；同时根据三相PWM变流器的工作原理，构建三相PWM变流器的动态数学模型：
Figure BDA0003646162430000071
其中，Vdc是直流电压实测值，iL是直流电流实测值，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，U是三相电网电压的幅值，P和Q分别为有功功率和无功功率，uP和uQ是定义的三相PWM变流器的控制输入。
根据瞬时功率理论以及两相静止坐标系下的电网电流iα,iβ和电网电压uα,uβ得到有功功率P和无功功率Q。
三相PWM变流器的控制输入uP和uQ定义为：
Figure BDA0003646162430000081
其中，vα,vβ是三相PWM变流器在两相静止坐标系下的调制电压。
在本实施例中，该控制方法的控制目标为：使直流电压Vdc维持在其直流电压参考值
Figure BDA0003646162430000085
使无功功率Q跟踪其无功功率参考值Q*，以获得可调的功率因数。
本实施例为三相PWM变流器设计了固定时间命令滤波控制方法，以实现快速的动态响应和良好的控制精度。具体地：
首先，根据反步控制设计原理，定义直流电压跟踪误差、有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差，分别为：
Figure BDA0003646162430000082
其中，P*是反步控制设计步骤中引入的虚拟电压环控制器，其也作为功率环中的有功功率参考值。
其次，设计电压环固定时间控制器；为使直流电压跟踪误差趋于零，选取直流电压子系统Lyapunov函数为：
Figure BDA0003646162430000083
对于三相PWM变流器，有功功率响应动态远快于直流电压动态。根据奇异摄动理论，在直流电压子系统中可近似认为
Figure BDA0003646162430000084
则式(1)中三相PWM变流器直流电压子系统可重写为：
Figure BDA0003646162430000091
结合(3)-(5)，对V1求导可得：
Figure BDA0003646162430000092
通过构建电压环固定时间控制器P*，使得
Figure BDA0003646162430000093
满足固定时间Lyapunov稳定性定理，则直流电压跟踪误差z1在固定时间内趋于0，即实现直流电压快速精准跟踪控制。构建的电压环固定时间控制器P*为：
Figure BDA0003646162430000094
式中，控制器参数a1>0,b1>0；分数幂参数α＝5/7,β＝5/3。
将式(7)中设计的电压环固定时间控制器代入式(6)中，可得：
Figure BDA0003646162430000095
本实施例在电压环固定时间控制器中引入两种跟踪误差分数幂项，以提高控制系统的响应速度和控制精度。
根据固定时间Lyapunov稳定性定理，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，当选取的控制器参数使得直流电压跟踪子系统在固定时间内稳定，且在固定时间内V1趋于零，直流电压快速精确地跟踪其参考值。获取此时的有功功率参考值。
由于构造功率环固定时间控制器需要用到有功功率参考值的导数
Figure BDA0003646162430000096
然而对P*求导需要大量的运算，易导致计算爆炸，带来计算负担。因此，本实施例引入命令滤波器，以实现对有功功率参考值导数
Figure BDA0003646162430000101
的精确估计，避免计算爆炸问题。
在本实施例中，命令滤波器为：
Figure BDA0003646162430000102
其中，λ1,λ2,λ3,λ4是滤波器参数。
当选取滤波器参数λ1>0,λ2>0,λ3>0,λ4>0时，在固定时间瞬态内，根据式(9)可得：
Figure BDA0003646162430000103
滤波器参数选取准则为选取足够大的λ1,λ2,λ3,λ4，可先选取λ3,λ4，后选取λ1,λ2。
故上述命令滤波器可实现
Figure BDA0003646162430000104
的精确估计，无需对P*进行复杂的求导运算，降低计算负担。
最后，设计功率环固定时间控制器；根据有功功率P、无功功率Q以及设定的无功功率参考值Q*，构造功率环固定时间控制器uP,uQ。
与电压环类似，为使有功功率跟踪误差z2和无功功率跟踪误差z3趋于0，选取功率子系统的Lyapunov函数为
Figure BDA0003646162430000105
结合三相PWM变流器动态模型，对V2求导可得：
Figure BDA0003646162430000106
为使式(10)满足固定时间稳定性原理，设计功率环固定时间控制器uP,uQ为：
Figure BDA0003646162430000111
其中，控制器参数a2>0,b2>0,a3>0,b3>0。
将式(11)中的功率环固定时间控制器代入(10)中，
Figure BDA0003646162430000112
可重写为：
Figure BDA0003646162430000113
其中，
Figure BDA0003646162430000114
根据固定时间Lyapunov稳定性定理，式(12)表明功率跟踪子系统也是固定时间实际稳定的；在固定的时间内，z2和z3趋于零，实现了三相PWM变流器有功功率和无功功率的快速精准跟踪控制。
在本实施例中，由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入uP和uQ，并将其变换为两相静止坐标系下的调制电压的过程为：
Figure BDA0003646162430000115
继而，由PWM调制产生调制波，实现对三相PWM变流器的控制。
为了进一步阐述固定时间命令滤波控制方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了系统仿真模型，进行仿真研究。主电路参数设置为：三相电网电压幅值为100V，滤波电感L＝1mH，线路等效电阻R＝0.1Ω，负载电阻RL＝60Ω，三相角频率ω＝100πrad/s，直流侧电容C＝470μF，开关频率fs＝10kHz，直流电压参考值设定为
Figure BDA0003646162430000121
无功功率参考值Q*＝0。
对固定时间命令滤波控制方法、反步控制方法和PI+前馈控制方法进行对比，如图2所示为三种方法的直流电压跟踪效果图，如图3所示为直流电压跟踪误差的绝对值，如图4所示为三种方法的无功功率跟踪效果图；当t＝0.3s时，负载电阻从60Ω变为40Ω；当t＝0.8s时，无功功率参考值从0变为500Var。
根据图2和图3，固定时间命令滤波控制方法在初始时刻直流电压响应速度为5ms，反步控制方法为10ms，PI+前馈控制方法为50ms；此外，固定时间命令滤波控制方法的直流电压跟踪精度也高于反步控制方法。
在负载从60Ω变为40Ω的扰动下，固定时间命令滤波控制方法的直流电压响应速度仅为2ms，直流电压跌落<1V；反步控制方法约8ms，直流电压超调量是2V；PI+前馈控制方法为50ms，直流电压超调量近10V。且根据图4可以看出，固定时间命令滤波控制方法也表现出了更快的无功功率响应速度和更小的跟踪误差。
由此，从仿真结果中可以看出，本实施例的固定时间命令滤波控制方法的直流电压响应速度更快，精度更高，超调更小；即使在负载变化等扰动下，仍表现出良好的控制效果，达到了预期控制效果。
实施例2
本实施例提供一种三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制系统，包括：
电压环模块，被配置为根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，并以此构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，确定控制器参数，以此得到有功功率参考值；
命令滤波器估计模块，被配置为根据有功功率参考值构建命令滤波器，以在固定时间内得到有功功率参考值的导数；
功率环模块，被配置为根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；
控制模块，被配置为由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，包括：
根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，并以此构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，确定控制器参数，以此得到有功功率参考值；
根据有功功率参考值构建命令滤波器，以在固定时间内得到有功功率参考值的导数；
根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；
由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。
2.如权利要求1所述的三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，获取三相PWM变流器的三相电网电流和三相电网电压，并根据Clark坐标变换得到两相静止坐标系下的电网电流和电网电压；根据瞬时功率理论以及两相静止坐标系下的电网电流和电网电压得到有功功率和无功功率。
3.如权利要求1所述的三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，所述电压环固定时间控制器为：
Figure FDA0003646162420000011
其中，Vdc是直流电压实测值，iL是直流电流实测值，C是直流侧电容，a1,b1是控制器参数，α,β是分数幂参数，z1是直流电压跟踪误差。
4.如权利要求1所述的三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，所述命令滤波器为：
Figure FDA0003646162420000021
Figure FDA0003646162420000022
Figure FDA0003646162420000023
其中，λ1,λ2,λ3,λ4是滤波器参数，P*是有功功率参考值，α,β是分数幂参数。
5.如权利要求1所述的三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，功率环固定时间控制器为：
Figure FDA0003646162420000024
Figure FDA0003646162420000025
其中，a2,b2,a3,b3是功率环固定时间控制器参数，L是滤波电感，R是线路等效电阻，α,β是分数幂参数，ω是三相电压的角频率，P和Q分别为有功功率和无功功率，U是三相电网电压的幅值，ι是有功功率参考值的导数，z2是有功功率跟踪误差，z3是无功功率跟踪误差。
6.如权利要求1所述的三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，三相PWM变流器的控制输入uP和uQ变换为两相静止坐标系下的调制电压的过程为：
Figure FDA0003646162420000026
其中，vα,vβ是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。
7.如权利要求1所述的三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制方法，其特征在于，获取调制电压后，经PWM调制产生调制波，以实现对三相PWM变流器的控制。
8.三相PWM变流器的固定时间命令滤波控制系统，其特征在于，包括：
电压环模块，被配置为根据直流电压实测值和直流电压参考值确定直流电压跟踪误差，并以此构建电压环固定时间控制器，以直流电压跟踪误差在固定时间内趋于零为目标，确定控制器参数，以此得到有功功率参考值；
命令滤波器估计模块，被配置为根据有功功率参考值构建命令滤波器，以在固定时间内得到有功功率参考值的导数；
功率环模块，被配置为根据获取的有功功率、无功功率和设定的无功功率参考值，以有功功率跟踪误差和无功功率跟踪误差趋于零为目标，构建功率环固定时间控制器，并将导数补偿至功率环固定时间控制器；
控制模块，被配置为由功率环固定时间控制器得到三相PWM变流器的控制输入，并将控制输入变换为两相静止坐标系下的调制电压，以实现对三相PWM变流器的控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
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