CN116247946B - 一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法及装置 - Google Patents

一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法及装置 Download PDF

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CN116247946B CN202310525348.1A CN202310525348A CN116247946B CN 116247946 B CN116247946 B CN 116247946B CN 202310525348 A CN202310525348 A CN 202310525348A CN 116247946 B CN116247946 B CN 116247946B
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Abstract

本发明公开了一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法及装置，包括第一电压采样电路VS1、第二电压采样电路VS2、第三电压采样电路VS3、第一电流采样电路CS1、第二电流采样电路CS2、第一驱动放大单元DR1、第二驱动放大单元DR2、第一静止正交坐标变换单元SOCT1、第二静止正交坐标变换单元SOCT2、第一旋转坐标变换单元RCTU1、第二旋转坐标变换单元RCTU2、第一滑模计算单元SMC1、第二滑模计算单元SMC2、第三滑模计算单元SMC3、第四滑模计算单元SMC4、定时器CLK、锁相计算单元PLL、比较器CMP、解耦单元DCU和滞环比较器HCMP。具有优异的瞬态响应特性和鲁棒性，同时功率因素可调范围广，输入电流及输出电压谐波畸变率低，能量回馈特性佳。

Description

一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体是一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法及装置。
背景技术
随着高频脉冲宽度PWM、电力电子器件以及整流AC-DC、逆变DC-AC等电能变换技术的高速发展，大功率开关电源的研发也具有突破性进展，广泛应用于航天航空、汽车等领域。电源在出厂之前，会进行一系列老化和带载测试，以验证电源产品的性能指标。但是传统的电源测试方式存在诸多弊端，如负载大小只能有级调节、改变负载的性质不方便，在测试过程中存在有功功率消耗导致负载发热老化的问题，需要额外对负载进行降温和人工维护以保证负载的精度，从而增加了测试的成本。并且专用于电源测试的负载为了具备良好的散热性能，通常体积庞大，测试很不方便。
现阶段的单相交流电子负载仍存在一定的研究瓶颈：在PWM前级（负载模拟单元），存在动态响应速度慢、电流控制精度低，导致不能精确模拟带一定阻抗角以及阻抗值负载的问题。在电子负载输入端的滤波电路设计问题方面，传统的单L型单相交流电子负载存在对高频开断动作产生的高频谐波抑制能力较弱，致使电子负载输入端电流存在很大的谐波分量并降低了电子负载的模拟精度。为此在输入端采用LCL滤波电路以滤除高频的谐波分量，但由于硬件本身的拓扑结构原因导致存在谐振现象，反而降低了系统稳定性。在PWM后级（能量回馈单元），存在并网谐波电流、谐波电压以及间谐波电压大等问题，并网电网电能质量将降低。目前主流的交流电子负载的拓扑由两级全控H桥PWM电路级联而成，基本的调制方式有双极性和单极性之分。双极性因控制方式简单、易生成期望的PWM驱动信号，但存在开关损耗较大的问题，而后者调制方式也成为当下的一个研究热点。上述所陈述的问题暴露出现阶段的交流电子负载在效率、输入电流质量、并网谐波畸变率、模拟精度等性能方面均有较大提升空间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置，包括第一电压采样电路VS1、第二电压采样电路VS2、第三电压采样电路VS3、第一电流采样电路CS1、第二电流采样电路CS2、第一驱动放大单元DR1、第二驱动放大单元DR2、第一静止正交坐标变换单元SOCT1、第二静止正交坐标变换单元SOCT2、第一旋转坐标变换单元RCTU1、第二旋转坐标变换单元RCTU2、第一滑模计算单元SMC1、第二滑模计算单元SMC2、第三滑模计算单元SMC3、第四滑模计算单元SMC4、定时器CLK、锁相计算单元PLL、比较器CMP、解耦单元DCU和滞环比较器HCMP；
锁相计算单元PLL的输入端、第一静止正交坐标变换单元SOCT1的输入端、第一旋转坐标变换单元RCTU1的输入端和第四滑模计算单元SMC4的输入端分别与第一电压采样电路VS1的输出端连接；
锁相计算单元PLL输出端和第一静止正交坐标变换单元SOCT1的输出端分别与第一旋转坐标变换单元RCTU1输入端连接；
第一电流采样电路CS1的输出端与第二静止正交坐标变换单元SOCT2的输入端连接；锁相计算单元PLL的输出端、第一电流采样电路CS1的输出端、第二静止正交坐标变换单元SOCT2的输出端分别与第二旋转坐标变换单元RCTU2的输入端连接；
第二电压采样单元VS2的输出端和第二电流采样单元CS2的输出端分别与第一滑模计算单元SMC1的输入端连接；
第一滑模计算单元SMC1的输出端、第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端及第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端分别与第三滑膜计算单元SMC3的输入端连接；
第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端与第二滑模计算单元SMC2的输入端连接；第二滑模计算单元SMC2的输出端、第三滑模计算单元SMC3的输出端及第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端分别与解耦单元DCU的输入端连接；
解耦单元DCU的输出端及定时器CLK分别与比较器CMP的输入端连接；比较器CMP输出经第一驱动放大单元DR1输出PWM1信号；
第一电压采样电路VS1的输出端及第三电压采样电路VS3的输出端分别与第四滑模计算单元SMC4的输入端相连接；第四滑模计算单元SMC4的输出端与滞环比较器HCMP的输入端连接，再经第二驱动放大电路DR2输出PWM2信号。
应用于所述的一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置的一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法，包括如下过程：
通过第一电压采样电路VS1得到输入侧交流电压瞬时值
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本发明的有益效果是：本发明所提供的技术方案具有优异的瞬态响应特性和鲁棒性，同时功率因素可调范围广，输入电流及输出电压谐波畸变率低，能量回馈特性佳。
附图说明
图1为种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置的原理示意图；
图2为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载输入侧交流电压电流波形图对比示意图；
图3为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载输出侧交流电压波形图对比示意图；
图4为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载输入侧的功率因数对比示意图；
图5为控制装置增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载输入侧交流电流的总谐波畸变率示意图；
图6为控制装置增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载输出侧交流电压的总谐波畸变率示意图；
图7为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载模拟阻容性负载输入侧交流电压电流波形图对比示意图；
图8为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载模拟阻容性负载输出侧交流电压波形图对比示意图；
图9为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载模拟阻感性负载输入侧交流电压电流波形图对比示意图；
图10为控制装置中增加滑模控制和未加滑模控制时能馈型交流电子负载模拟阻感性负载输出侧交流电压波形图对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示，一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置，包括第一电压采样电路VS1、第二电压采样电路VS2、第三电压采样电路VS3、第一电流采样电路CS1、第二电流采样电路CS2、第一驱动放大单元DR1、第二驱动放大单元DR2、第一静止正交坐标变换单元SOCT1、第二静止正交坐标变换单元SOCT2、第一旋转坐标变换单元RCTU1、第二旋转坐标变换单元RCTU2、第一滑模计算单元SMC1、第二滑模计算单元SMC2、第三滑模计算单元SMC3、第四滑模计算单元SMC4、定时器CLK、锁相计算单元PLL、比较器CMP、解耦单元DCU和滞环比较器HCMP；
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第二电压采样单元VS2的输出端和第二电流采样单元CS2的输出端分别与第一滑模计算单元SMC1的输入端连接；
第一滑模计算单元SMC1的输出端、第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端及第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端分别与第三滑膜计算单元SMC3的输入端连接；
第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端与第二滑模计算单元SMC2的输入端连接；第二滑模计算单元SMC2的输出端、第三滑模计算单元SMC3的输出端及第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端分别与解耦单元DCU的输入端连接；
解耦单元DCU的输出端及定时器CLK分别与比较器CMP的输入端连接；比较器CMP输出经第一驱动放大单元DR1输出PWM1信号；
第一电压采样电路VS1的输出端及第三电压采样电路VS3的输出端分别与第四滑模计算单元SMC4的输入端相连接；第四滑模计算单元SMC4的输出端与滞环比较器HCMP的输入端连接，再经第二驱动放大电路DR2输出PWM2信号。
所述的第三电压采样电路VS3包括：
应用于一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置的一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法，包括如下过程：
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具体的，低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制及其装置，包括第一电压采样电路VS1、第二电压采样电路VS2、第三电压采样电路VS3、第一电流采样电路CS1、第二电流采样电路CS2、第一驱动放大单元DAU1、第二驱动放大单元DAU2、第一静止正交坐标变换单元SOCT1、第二静止正交坐标变换单元SOCT2、第一旋转坐标变换单元RCTU1、第二旋转坐标变换单元RCTU2、第一滑模计算单元SMC1、第二滑模计算单元SMC2、第三滑模计算单元SMC3、第四滑模计算单元SMC4、定时器CLK、锁相计算单元PLL、比较器CMP、解耦单元DCU、滞环比较器HCMP。所述第一电压采样电路VS1用于检测负载特性侧交流输入电压并实时获得电压相位角，第二电压采样电路VS2用于检测负载特性侧负载电压，第三电压采样电路VS3用于检测能量回馈侧输出电压，第一电流采样电路CS1用于检测负载特性侧交流输入电流，第二电流采样电路CS2用于检测负载特性侧负载电流。第一电压采样电路VS1的输出端与锁相计算单元PLL、第一静止正交坐标变换单元SOCT1、第一旋转坐标变换单元RCTU1及第四滑模计算单元SMC4的输入端相连接；锁相计算单元PLL、第一电压采样电路VS1和第一静止正交坐标变换单元SOCT1的输出端与第一旋转坐标变换单元RCTU1相连接，从而得到同步旋转坐标系下的输入电压；第一电流采样电路CS1作为第二静止正交坐标变换单元SOCT2的输入；锁相计算单元PLL、第一电流采样电路CS1、第二静止正交坐标变换单元SOCT2的输出端与第二旋转坐标变换单元RCTU2相连接，从而得到同步旋转坐标系下的输入电流；第二电压采样单元VS2和第二电流采样单元CS2的输出端与第一滑模计算单元SMC1的输入端相连；第一滑模计算单元SMC1、第一旋转坐标变换单元RCTU1及第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端与第三滑膜计算单元SMC3的输入端相连接；第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端作为第二滑模计算单元SMC2的输入；第二滑模计算单元SMC2、第三滑模计算单元SMC3及第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端与解耦单元DCU的输入端相连接；解耦单元DCU及定时器CLK与比较器CMP的输入端相连接；比较器CMP输出经第一驱动放大单元DAU1输出PWM1信号用以驱动主回路交流特性侧开关管的开通与关断，实现对交流特性侧的控制作用；第一电压采样电路VS1及第三电压采样电路VS3的输出端与第四滑模计算单元SMC4的输入端相连接；第四滑模计算单元SMC4的输出作为滞环比较器HCMP的输入，再经第二驱动放大电路DAU2输出PWM2信号用以驱动主回路能量回馈侧开关管的开通与关断，实现对能量回馈侧的控制作用。
在负载特性侧每个开关周期内，第一电压采样电路VS1检测网侧交流电压的瞬时值信息
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结合附图2，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，滑模控制大约在0.07s时可以实现电压电流同相位。
结合附图3，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，滑模控制大约在0.01s时达到稳态，输出电压与输入电压同频同相且幅值为其1.5倍，未加滑模控制的能馈型交流电子负载在0.05s时达到稳态，但由于PI的作用，输出电压始终与输入电压存在相位差，无法实现能量回馈电网。在0.25s时负载阶跃，加入滑模控制的能馈型交流电子负载的输出电压几乎不变，输出电压幅值仍为输入电压的1.5倍，且与其同频同相；而未加滑模控制的能馈型交流电子负载在负载阶跃后输出电压幅值下降，且无法控制其为输入电压的1.5倍。可见加入滑模控制后，交流电子负载具有优异的动态响应和鲁棒性，且能够使输出电压为设定的工频正弦电压，实现能量回馈电网。
结合附图4，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，在暂态过程中功率因数变化范围均比较大。但加入滑模控制的能馈型交流电子负载功率暂态过程功率因素高于未加入滑模控制的情况，且在负载阶跃时，两者功率因素变化范围均较小，稳态时滑模控制功率因素略微高于传统dq与PI的结合控制。
结合附图5，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，能馈型交流电子负载的输入电流谐波畸变率逐渐降低，且稳态时输入电流谐波畸变率THDi低于未加入滑模控制的能馈型交流电子负载输入电流畸变率；且当负载阶跃后，加入滑模控制后的能馈型交流电子负载输入电流谐波畸变率THDi变化低于未加入滑模控制的能馈型交流电子负载输入电流畸变率变化。
结合附图6，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，基于滑模控制的能馈型交流电子负载输出电压总谐波畸变率低于未加入滑模控制的能馈型交流电子负载，且当负载阶跃后，加入滑模控制后的能馈型交流电子负载输出电压谐波畸变率THDi变化明显低于未加入滑模控制的能馈型交流电子负载输出畸变率变化。
结合附图7和附图8，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，滑模控制作用下输入电流在0.07s时达到稳态，且输入电压电流存在相位差，呈现电流超前电压现象，负载特性侧为阻容性负载，在该种情况下，能量回馈侧输出电压仍能很好跟踪参考输出电压，且在负载阶跃后，输出电压保持不变；未加入滑模控制的能馈型交流电子负载输入电流谐波分量增大，输入电压电流同样存在相位差，呈现电流超前电压现象，负载特性侧为阻容性负载，在该种情况下，能量回馈侧输出电压仍无法无相位偏差跟踪参考输出电压，且在负载阶跃后，幅值也无法无差跟踪。
结合附图9和附图10，加入滑模控制和未加入滑模控制两种情况下，滑模控制作用下输入电流在0.07s时达到稳态，且输入电压电流存在相位差，呈现电流滞后电压现象，负载特性侧为阻感性负载，在该种情况下，能量回馈侧输出电压仍能很好跟踪参考输出电压，且在负载阶跃后，输出电压保持不变；未加入滑模控制的能馈型交流电子负载输入电流明显存在谐波分量，输入电压电流同样存在相位差，呈现电流滞后电压现象，负载特性侧为阻感性负载，在该种情况下，能量回馈侧输出电压仍无法无相位偏差跟踪参考输出电压，且在负载阶跃后，幅值也无法无差跟踪
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置，其特征在于，包括第一电压采样电路VS1、第二电压采样电路VS2、第三电压采样电路VS3、第一电流采样电路CS1、第二电流采样电路CS2、第一驱动放大单元DR1、第二驱动放大单元DR2、第一静止正交坐标变换单元SOCT1、第二静止正交坐标变换单元SOCT2、第一旋转坐标变换单元RCTU1、第二旋转坐标变换单元RCTU2、第一滑模计算单元SMC1、第二滑模计算单元SMC2、第三滑模计算单元SMC3、第四滑模计算单元SMC4、定时器CLK、锁相计算单元PLL、比较器CMP、解耦单元DCU和滞环比较器HCMP；
锁相计算单元PLL的输入端、第一静止正交坐标变换单元SOCT1的输入端、第一旋转坐标变换单元RCTU1的输入端和第四滑模计算单元SMC4的输入端分别与第一电压采样电路VS1的输出端连接；
锁相计算单元PLL输出端和第一静止正交坐标变换单元SOCT1的输出端分别与第一旋转坐标变换单元RCTU1输入端连接；
第一电流采样电路CS1的输出端与第二静止正交坐标变换单元SOCT2的输入端连接；锁相计算单元PLL的输出端、第一电流采样电路CS1的输出端、第二静止正交坐标变换单元SOCT2的输出端分别与第二旋转坐标变换单元RCTU2的输入端连接；
第二电压采样单元VS2的输出端和第二电流采样单元CS2的输出端分别与第一滑模计算单元SMC1的输入端连接；
第一滑模计算单元SMC1的输出端、第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端及第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端分别与第三滑膜计算单元SMC3的输入端连接；
第二旋转坐标变换单元RCTU2的输出端与第二滑模计算单元SMC2的输入端连接；第二滑模计算单元SMC2的输出端、第三滑模计算单元SMC3的输出端及第一旋转坐标变换单元RCTU1的输出端分别与解耦单元DCU的输入端连接；
解耦单元DCU的输出端及定时器CLK分别与比较器CMP的输入端连接；比较器CMP输出经第一驱动放大单元DR1输出PWM1信号；
第一电压采样电路VS1的输出端及第三电压采样电路VS3的输出端分别与第四滑模计算单元SMC4的输入端相连接；第四滑模计算单元SMC4的输出端与滞环比较器HCMP的输入端连接，再经第二驱动放大电路DR2输出PWM2信号。
2.应用于权利要求1所述的一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制装置的一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法，其特征在于，包括如下过程：
通过第一电压采样电路VS1得到输入侧交流电压瞬时值
Figure QLYQS_4
，通过锁相计算单元PLL得到输入交流电压的相位信号/>
Figure QLYQS_5
；通过第一电流采样电路CS1检测交流输入电流/>
Figure QLYQS_10
，将/>
Figure QLYQS_3
滞后移相/>
Figure QLYQS_7
获得虚拟正交信号/>
Figure QLYQS_9
，/>
Figure QLYQS_12
经Park变换得到旋转坐标系下的d轴电流分量/>
Figure QLYQS_1
和q轴电流分量/>
Figure QLYQS_6
，同时对交流电压信号/>
Figure QLYQS_8
做Park变换得到/>
Figure QLYQS_11
和/>
Figure QLYQS_2
；
第二电压采样电路VS2得到负载电压信号
Figure QLYQS_14
与第二电流采样电路CS2得到的负载电流
Figure QLYQS_16
共同送入第一滑模计算单元SMC1得到d轴有功输入电流的参考值/>
Figure QLYQS_19
，第二旋转坐标变换单元RCTU2计算得到交流输入电流d轴有功输入电流/>
Figure QLYQS_15
、q轴无功输入电流/>
Figure QLYQS_17
，将有功电流误差/>
Figure QLYQS_20
、q轴无功输入电流及d轴输入电压/>
Figure QLYQS_21
一同送入第三滑模计算单元SMC3；将q轴无功电流/>
Figure QLYQS_13
、d轴有功输入电流和q轴电压/>
Figure QLYQS_18
送入第二滑模计算单元SMC2，滑模变结构计算单元控制SMC2和SMC3的输出结果送入解耦单元DCU得到调制波，与作为载波的三角波送入比较器CMP产生控制开关管开通与关断的驱动信号；
根据第三电压采样电路VS3获得交流输出电压瞬时值
Figure QLYQS_22
，与第一电压采样电路VS1获得交流输入电压瞬时值/>
Figure QLYQS_23
，将/>
Figure QLYQS_24
与交流输入电压瞬时值放大n倍后得到的参考输出电压/>
Figure QLYQS_25
一同送入第四滑模计算单元SMC4，SMC4的输出作为滞环比较器HCMP的输入，HCMP的输出经第二驱动放大电路DAU2输出PWM2信号，所述的PWM2信号驱动主回路能量回馈侧开关管的开通与关断。
3.根据权利要求2所述的一种低谐波高鲁棒性的交流电子负载滑模控制方法，其特征在于，所述的
Figure QLYQS_26
经Park变换得到旋转坐标系下的d轴电流分量/>
Figure QLYQS_27
和q轴电流分量/>
Figure QLYQS_28
，同时对交流电压信号/>
Figure QLYQS_29
做Park变换得到/>
Figure QLYQS_30
和/>
Figure QLYQS_31
，包括：
Figure QLYQS_32
经Park变换得到旋转坐标系下的d轴电流分量/>
Figure QLYQS_33
和q轴电流分量/>
Figure QLYQS_34
，采用如下公式：
Figure QLYQS_35
交流电压信号
Figure QLYQS_36
做Park变换得到/>
Figure QLYQS_37
和/>
Figure QLYQS_38
采用如下公式：
Figure QLYQS_39
其中
Figure QLYQS_40
为滞后/>
Figure QLYQS_41
Figure QLYQS_42
的虚拟正交信号。
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