一种三电平Boost变换器重复无差拍复合控制策略的制作方法

本发明涉及一种基于三电平boost变换器的的重复无差拍控制策略，其中无差拍控制项实现对输入侧电流的快速响应，重复控制项用于消除输入侧电流稳态误差，本控制策略适用于大功率ups、功率因数校正等场合。

背景技术：

三电平直流变换器的优点是开关管的电压应力为输入直流电压的一半，在相同电感电流脉动的情况下,开关频率仅为传统二电平boost的一半，这便有效解决了一般直流变换器开关管电压应力过高的问题，同时可以优化滤波电感的设计。传统的二电平boost变换器控制策略已经比较成熟，对于三电平boost变换器，其工作模态多样，控制策略较为复杂。对变换器的控制有多种方法，包括pi(比例积分)控制、模糊控制、神经网络控制、无差拍控制、重复控制等等。应用最为广泛的要属传统的pi控制方法，该方法具有算法简单、控制效果好等优点，但是pi控制器的参数设计与选择过程比较繁琐，设计者的经验和水平直接影响到变换器的跟踪精度、响应速度等性能；模糊控制、神经网络控制等现代控制方法具有动态性能好、鲁棒性高的特点，但是控制策略比较复杂，对处理器要求较高；无差拍控制是采样控制系统特有的一种控制方式，正常的数字控制系统一般会有一或者多拍的延时，而无差拍控制的指令信号通过电路参数和合适的电流预测方法获取，可以在一个控制周期内实现指令信号的跟踪，动态响应快，但无差拍控制属于开环控制，存在稳态误差，其良好的电流跟踪效果需要有合适的电流预测方案来保证，没有预测方案的无差拍控制实际为差一拍或差两拍控制，常用的电流预测方案有平推预测、重复预测、二阶外推插值预测以及由以上预测方案相结合的预测方法；对系统参数依赖性较强是影响无差拍控制应用的另外一大原因，实际参数的获取存在误差，且随着外界因素的变化，参数会发生变化，这些因素必然会影响补偿电流的跟踪精度。重复控制基于内模原理，即如果稳定的闭环控制系统中包含输入信号的模型，则该系统可以实现对输入信号的无静态误差跟踪，重复控制器对周期误差信号的逐周期累加，使得上一周期的误差信号在下一周期复现，从而可以消除误差，重复控制的缺点也是显而易见的，只能消除周期性的误差信号，动态响应慢，因此重复控制通常作为一种辅助的控制策略和其他控制策略结合使用，用以消除系统稳态误差。将无差拍控制和重复控制相结合，无差拍控制用于系统的快速响应，利用重复控制器修正无差拍控制中周期性的控制偏差，从而达到很好的控制效果。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种三电平boost变换器重复无差拍复合控制策略，控制三电平boost变换器电感电流值，消除无差拍控制存在稳态误差、鲁棒性差和重复控制响应速度慢的问题。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种三电平boost变换器重复无差拍复合控制策略，所述控制策略包括下列步骤：

基于状态空间平均法，推导三电平boost变换器占空比对输出电流的传递函数；

设计无差拍控制算法，根据采样的boost变换器输入输出电压及电感电流，推导出下两个控制周期的电感电流预测值计算公式；

让参考电流等于下两个控制周期的电感电流，从而求出当前控制周期占空比，保证实际电流在两个控制周期内跟踪上参考电流；

结合前面推导的三电平boost传递函数，推导重复控制器传递函数，设计重复控制器，包括周期延时环节及补偿环节；

将所述无差拍控制算法嵌入到重复控制器中，得到三电平boost重复无差拍复合控制策略。

进一步地，所述三电平boost变换器占空比对输出电流的传递函数如下：

式中，il为电感电流稳态值，d为稳态占空比，l为boost输入电感，r为输出负载等效电阻，其中假设上下负载电阻值相等，c为输出侧上下电容值，其中假设上下电容值相等。

进一步地，所述下两个控制周期的电感电流预测值计算公式的推导过程如下：

ilk为当前控制周期电流实际采样值，为下一控制周期电流预测值，ilref为当前控制周期电流参考值，为下两个控制周期电流预测值，ilk+2为下两个控制周期电流实际值，在两个控制周期内输入输出电压波动很小，可以认为不变，电流预测值可以通过下面公式算出：

式中，vin为boost输入电压，vo为boost输出电压，dk-1为上一控制周期占空比，dk为当前控制周期占空比，ts为控制周期。

进一步地，所述求出当前控制周期占空比的过程如下：

为了使电流在两个控制周期后跟踪上参考电流，令预测电流等于参考电流ilref，可以算出当前控制周期占空比dk:

进一步地，所述重复控制器传递函数的推导过程如下：

先设计补偿环节s(z)＝krz^kf(z)，推导出重复控制器的传递函数及整个重复控制系统的开环传递函数为：

go(z)＝gre(z)g(z)

式中，gre(z)为重复控制器传递函数，g(z)为被控对象，go为整个控制系统开环传递函数，延时环节n等于67，衰减系数q取0.95，kr为比例系数，z^k为相位超前补偿环节，k＝nθ/360,θ为系统相位延迟角，f(z)用来校正被控对象，增大系统的稳定裕度。

进一步地，所述补偿环节s(z)设计过程如下：

根据系统的动态性能和稳态性能要求设计补偿环节s(z),f(z)设计为二阶低通滤波器，通过连续域设计f(s)参数，自然角频率ωn取3000rad/s，阻尼系数ξ取0.707，可得f(s)的传递函数，对f(s)进行tustin离散化可得到f(z)，其中，f(s)连续域传递函数为：

f(s)离散域传递函数为：

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、相较于传统二电平boost变换器，三电平boost变换器直流电流脉动更小，但数学模型更为复杂，本发明在分析了三电平boost变换器数学模型基础上，推导了三电平boost变换器的无差拍控制算法，该算法理论上可以在两个控制周期内使实际电流跟踪上参考电流；

2、在上述三电平boost变换器无差拍控制基础上，设计了重复控制器，将无差拍控制嵌入到重复控制器中，得到三电平重复无差拍复合控制策略，该复合控制策略不仅具有无差拍控制的快速动态响应速度，同时由于重复控制的作用，可以消除无差拍控制存在的周期稳态误差。该三电平boost变换器重复无差拍控制策略适用于对控制系统动态性能和稳态性能要求比较高的大容量直流升压场合。

附图说明

图1是三电平boost型变换器拓扑结构；

图2(a)是d<0.5时三电平boost电感电流脉动原理图；

图2(b)是d>0.5时三电平boost电感电流脉动原理图；

图3是boost电感电流无差拍控制示意图；

图4是重复控制系统控制框图；

图5是重复无差拍控制系统控制框图；

图6是boost电感电流参考值和实际值。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动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。

实施例

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一、三电平boost型变换器如图1所示，两开关管采用移相控制方式，相位互差180°，根据占空比d<0.5和d>0.5,变换器共有四种工作模态，如图2(a)及图2(b)所示：

a1)s1导通，s2关闭，此时电流经s1和c1形成回路；

b1)s1关闭，s2关闭，此时电流经c1和c2形成回路；

c1)s1关闭，s2导通,此时电流经c1和s2形成回路；

d1)s1导通，s2导通，此时电流经s1和s2形成回路；

基于小信号分析法，对于每个工作模态，分别列出状态方程，再进行状态空间平均，可到boost型变换器状态方程：

式中，l为boost滤波电感，c为boost输出上下电容值，r1为boost输出负载上电阻，r2为下电阻，d为boost稳态占空比,vc1为上电容电压稳态值，vc2为下电容电压稳态值，il为电感电流稳态值，和为上下电容电压扰动值，为电感电流扰动值，为输入电压扰动值，为占空比扰动值。

根据上述状态方程，可以得到对输出电流的传递函数：

上式中，假设r＝r1＝r2，c＝c1＝c2。

该数学模型用于重复控制器中补偿器s(z)的设计。

二、设计无差拍控制算法：由于数字控制的一拍延时特性，当前时刻计算得到的占空比dk只能在下一个控制周期起作用，因此当前时刻的电流误差至少需要经过两个控制周期才能消除，如图3所示：

ilk为当前控制周期电流实际采样值，为下一控制周期电流预测值，ilref为当前控制周期电流参考值，为下两个控制周期电流预测值，ilk+2为下两个控制周期电流实际值，在两个控制周期内输入输出电压波动很小，可以认为不变，电流预测值可以通过下面公式算出：

式中，vin为当前控制周期输入电压，vo为当前控制周期输出电压，dk为第k控制周期占空比，dk-1为k-1控制周期占空比，ts为控制周期。

为了使电流在两个控制周期后跟踪上参考电流，令预测电流等于参考电流ilref，根据上式可以算出dk:

三、设计重复控制器。

如图4所示，g(z)为被控对象，由于直流输入电压为三相整流器输出，具有6脉波300hz的周期扰动，控制周期ts取50us时，延时环节n约等于67；衰减系数q根据文献，取0.95为宜。

设计补偿环节s(z)＝krz^kf(z),其中kr为比例系数，z^k为相位超前补偿环节，用于补偿被控对象的控制延时，k＝nθ/360,θ为系统相位延迟角；f(z)用来校正被控对象，增大系统的稳定裕度。重复控制器的传递函数为：

重复控制系统开环传递函数为：

go(z)＝gre(z)g(z)

根据系统的动态性能和稳态性能要求设计补偿环节s(z),其中f(z)设计为二阶低通滤波器，通过连续域设计f(s)参数，自然角频率ωn取3000rad/s，阻尼系数ξ取0.707，可得f(s)的传递函数，对f(s)进行tustin离散化可得到f(z)。

f(s)连续域传递函数为：

f(s)离散域传递函数：

四、复合控制策略，如图5所示，将无差拍控制嵌入重复控制当中，可得到三电平boost型变换器重复无差拍复合控制策略。

五、用电磁暂态仿真软件pscad对上述复合控制策略进行仿真验证，如图6所示为boost电感参考电流和实际电流波形，可以看出，重复无差拍复合控制具有较好的动态性能和稳态性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。