基于扩张状态观测器的三相并网整流器预测直接功率控制方法

文档序号:9790062阅读:767来源:国知局
基于扩张状态观测器的三相并网整流器预测直接功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种=相并网整流器预测直接功率控制方法,属于电力电子控制技术 领域。
【背景技术】
[0002] 并网连接整流器在工业生产中起着越来越重要的作用,例如智能电网,电动汽车, 能源存储系统。对并网连接变换器的调制技术,拓扑结构,控制算法的研究已成为电力电子 领域的研究热点。模糊控制,滑模控制,预测控制已较好地应用于此种电路拓扑结构中。模 糊控制适用于系统参数未知的情况。滑模控制有很好的鲁棒性能,它的开关特性天然地适 用于功率变换器系统的控制,但它的高频抖振不可抑制,在频率很高时甚至会使系统失去 稳定性。预测控制是处理多变量系统,系统约束和非线性系统的一种非常直观的方法。虽 然,计算量大是预测控制发展的一个巨大的挑战,但随着现代计算机技术和数字信号处理 技术的快速发展,运个问题可基本得到解决。因此,预测控制受到了越来越多的研究者的青 睐。
[0003] 预测直接功率控制已成为并网连接变换器最受欢迎的一种控制技术。预测直接功 率控制结合了预测控制和直接功率控制各自的优点(响应速度快,恒定的开关频率)。在预 测控制部分,利用系统模型预测电流及功率值,并通过最小化成本函数选择一种最优的开 关状态。直接功率控制是电力系统中一种广泛应用的控制技术。外环主要用于补偿直流侧 电压误差,内环主要跟踪瞬时有功功率及无功功率。
[0004] 在现有的技术中,预测直接功率控制已应用于电力系统的控制中,但此种控制方 法并没有很好地提高系统的抗干扰性能(鲁棒性)。影响系统鲁棒性的主要是系统参数不确 定性及系统外部干扰。

【发明内容】

[000引本发明的目的是提供一种基于扩张状态观测器的=相并网整流器预测直接功率 控制方法,W解决现有技术中的=相并网整流器预测直接功率控制方法存在抗干扰性能较 差、响应速度慢、超调量大的问题。
[0006 ]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0007] -种基于扩张状态观测器的=相并网整流器预测直接功率控制方法,所述方法的 实现过程为:
[0008] 步骤一、=相并网整流电路动态模型的建立:
[0009] 将;相并网整流电路的输入;相电压Vab。、输入S相电流iabcW及控制输入量(开 关状态)UabG分别通过派克变换{ ? }ae = A{ ? }abG,得到地坐标系下Vae、iae、Uae;
[0010] 其中
[0011] =相并网整流电路动态模型表示为:
[0014]=相并网整流电路的有功功率P和无功功率q由下式计算:
[0017] P,q对时间求导可得
[0020] 式中:iae是S相并网整流电路的电源线电流,Vae是S相并网整流电路的电源线电 压,Vdc为输出电容电压,Uae为控制输入向量,Rs为寄生电阻,Ls为滤波电感,Rl为负载电阻,W 为电网电压频率,"。,3 扣
[0021] 步骤二、设计控制器:
[0022] 步骤二一、确定控制目标:选择一种开关状态Uae使得输出电压Vd。跟踪设定值Vd,控 制有
[0023] 功功率P跟踪P*和无功功率q跟踪q*,其中P由电压调节环产生,q设定为0, W保证功 率因数达到1;
[0024] 良P :
[0025] P 一 p*,q一 0 (4)
[0026] Vc 一 Vd (5)
[0027] 步骤二二、控制器构建:
[0028] 通过由一个瞬时功率跟踪回路(内循环)和电压调节环(外环)组成的串级控制结 构来实现上述控制目标,
[0029] A、功率跟踪环控制回路的设计
[0030] 基于离散时间模型的预测控制策略来设计功率跟踪环,使得有功功率P和无功功 率q跟踪对应的和
[0031] 电源线电流导数%由欧拉近似等效,电源线电流导数等效结果如下式: 姑
[003引式中,Ts是采样时间,将式(6)代人(I)式,可得iae(k+l)的表达式
[003引进一步,将(7)代入(2)中,可得 麵])= + …典十1)巧) WA' + U = 1品巧 + 1).知。W
[0037] 在相邻的采样间隔中电网电压可视为常数,因此Vae化+1) - Vae化)
[0038] k表示当前采样时间;
[0039] 设计成本函数g,在=相二电平整流器中,共有8种开关状态,每一种开关状态对应 不同的输出电压值,则每一种开关状态下,电路有功功率及无功功率各不相同;使成本函数 最小的那个开关状态,则此时的P,q最接近他们的
[0040] g= |q*-q化+1) | + |p*-p化+1) I (9)
[0041 ] B、基于ESO(扩张状态观测器)的电压调节环控制回路的设计
[0042] 用PI控制器调节输出电容电压,PI控制器(比例积分控制器)的输出获得有功功率 P的参考值P%
[0043] 设计一个ESO估计干扰W加强S相并网整流电路抗干扰性能,
[0044] 在S相并网整流电路稳态下,(1)式中的第一个式子
等 于0,可得到Vae表达式如下:
[0045] Vap = Uag-Rsiap (10)
[0046] 忽略很小的Rs,则(1)式中的第二个式子
可表示为
[0049] 定义两个变量
,电压动态方程(11)可写为
[0050] Cz - E - d{f) (12)
[005。式中U = P*, d(t) =Pioad,d(t)为外部干扰;
[0052] 将ESO观测器加入到电压调节环中,ESO将S相并网整流电路动的外部干扰视为状 态变量,
[0053] 定义 zi = z,Z2 = d(t),可得
[0054] 巧=0-?
[0055] ~2 = Hf) (13)
[0056] 式中雌)=如),
[0057] 二 y -焉 + 爲(鸣-為)'(14)
[0058] 焉二 _片(气一二1)
[0059] 至此用式(14)表达线性ES0,用于估计外部干扰;
[0060] 式中扣瓜为两个系数,01龙使得式
成立即可,為是Zi的估 计值,聲是干扰量d(t)的估计值,使得缉马,為</(f) s:s为复数频率。
[0061] =相并网整流电路通过滤波电感Ls接入电网,=相并网整流电路的=相桥式整流 器用于实现交流-直流变换,负载电阻化与直流侧电容C并行连接;
[0062] =相并网整流电路在abc坐标系下的开关状态如下表:
[0064] 本发明的有益效果是:
[0065] 本发明方法提高了=相并网整流器的稳定性及鲁棒性。本发明的控制由两个控制 环组成:电压调节环为外环,功率跟踪环为内环。PI控制器结合扩张状态观测器组成外环抵 抗外部干扰。基于系统离散时间模型的预测控制构成内环W直接控制有功功率及无功功 率。系统(=相并网整流器电路)仿真结果展示了此本发明方法控制下,系统输出电压调节 性能及功率因素有所提高。
[0066] 本发明在预测直接功率控制中加入扩张状态观测器,很好地提高了系统的抗干扰 性能及稳定性。扩张状态观测器将外部干扰视为一种新的系统状态,并用反馈的方式进行 估计补偿。此种观测器已经在电力系统的控制中得到了较好的使用,实践证明,扩张状态观 测器是一种处理系统不确定性及外部干扰的一种十分有效的方式。
[0067] P-DPC控制算法对S相二电平并网连接电路有很好的适用性,当在电压调节环加 入夸张状态观测器,系统抗干扰能力更强。因此,系统输出电压能更好地调节,系统功率能 快速地跟随参考值,得到单位功率因数。总之,在P-DPC控制算法中加入夸张状态观测器 化SO),系统调节时间更小,对外部干扰敏感度更低。
【附图说明】
[0068] 图1是本发明中的=相并网整流器电路结构图;图2是预测控制过程的流程框图, 图3是本发明的=相并网整流器电路的控制框图;
[0069] 图4是直流侧输出电容电压变化图,图中:(a)为传统P-DPC控制器下的输出电容电 压变化图,(b)为ESO-based P-DPC控制器下的输出电容电压变化图;横坐示为时间,纵坐标 表示为电压值;
[0070] 图5为功率跟踪图,图中:(a)为ESO-based P-DPC控制器下有功功率跟踪图,(b)为 ESO-based P-DPC控制器下无功功率跟踪图;横坐示为时间,纵坐标表示为功率值,单位为 (KW);
[00川图6为ESO输出性能曲线图;图中横坐示为时间,纵坐标表示为功率值,单位为 (KW);
[0072] 图7为相电流ia与电网电压Van图,图中:(a)为传统P-DPC控制器下的相电流ia与电 网电压Van图,(b)是ESO-based P-DPC控制器下的相电流ia与电网电压Van图;
[0073] 图8为电流谐波分析图,图中:(a)为传统P-DPC控制器下的电流谐波分析图,(b)为 ESO-based P-DPC控制器下的电流谐波分析图。图中横坐示为频率,纵坐标表示为谐波百分 比;
【具体实施方式】
[0074] 结合图1~3所示说明本实施方式,本实施方式针对基于扩张状态观测器的=相并 网整流器预测直接功率控制方法的实现过程,描述如下:
[0075] 本发明中的S相并网整流器模型(S相并网整流器拓扑结构)如图1所示:
[0076] 系统通过滤波电感Ls连入电网,S相桥式整流器实现AC/DC(交流-直流)变换,外 部负载与直流侧电容C并行连接,系统参数如表1所示:
[0077] 表1系统参数 [007 引
[0080]由派克变换,{ . }ae=A{ ? Uc,
[0081 ]其中,
,系统动态模型可表示为:
[0084] iae是系统线电流,Vae是电源线电压,V。为输出电容电压,Uae为控制输入向量,系统 在邮坐标系下的开关状态如表2,
[0085] 表2abc坐标系下开关状态及其对应的电压矢量值
[0086]
[0087] 控制目标是选择一种开关状态Uae使得输出电压Vc跟踪设定值Vd,同时保持功率因 数接近1。根据定义,有功功率和无功
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