一种基于双幂次滑模控制的电网模拟器逆变侧控制系统的制作方法

本发明涉及一种电网模拟器逆变侧控制系统，尤其是涉及一种基于双幂次滑模控制的电网模拟器逆变侧控制系统。

背景技术：

目前，滑模控制属于不连续非线性的控制，鲁棒性强，滑动模态和外部的扰动与参数的变化没有关系，外部干扰不会对控制器造成影响。滑模控制虽然有很多的优点，但在高速切换下，如果开关的转换不理想，则会发生高频颤动(抖振)，这种颤动将使控制系统很难维持长时间正常工作。目前常用趋近律包括：等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律和一般趋近律。其中，等速趋近律趋近速率单一，运动品质差，很少有学者会使用这一趋近律；指数趋近律虽然可以提高运动的品质，但是，因为常数项的存在，不能有效消除抖振；幂次趋近律虽然可以使系统状态在接近滑模面时，降低速度，减小抖振，但是，当初始状态距离滑模面比较远的时候，趋近速率过慢。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双幂次滑模控制的电网模拟器逆变侧控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于双幂次滑模控制的电网模拟器逆变侧控制系统，电网模拟器逆变侧采用三相三线两电平全桥逆变器，所述的控制系统包括电压外环控制器和电流内环控制器，所述的电压外环控制器为pi控制器，所述的电流内环控制器为双幂次滑模控制器。

三相三线两电平全桥逆变器在dq0旋转坐标系下的数学模型为：

其中，id、iq为d、q轴电感电流，iod、ioq为d、q轴输出电流，ud、uq为逆变器的d、q轴输出电压，uod、uoq为滤波器的d、q轴输出电压，r为电感支路等效电阻，l为滤波电感，c为滤波电容，ω为角频率，t为时间。

所述的双幂次滑模控制器包括d轴双幂次滑模控制器和q轴双幂次滑模控制器：

d轴双幂次滑模控制器为：

ud＝r·id-ωliq+vd+αl|sd|^a1sgn(sd)+βl|sd|^a2sgn(sd)，

q轴双幂次滑模控制器为：

uq＝r·iq-ωlid+vq+αl|sq|^a1sgn(sq)+βl|sq|^a2sgn(sq)，

其中，ud、uq为逆变器的d、q轴输出电压，id、iq为d、q轴电感电流，vd、vq为电网的d、q轴电压，sd、sq为d轴双幂次滑模控制器、q轴双幂次滑模控制器的滑模面，r为电感支路等效电阻，l为滤波电感，ω为角频率，α、β、a1、a2为常数，sgn(x)为符号函数。

d轴双幂次滑模控制器的滑模面sd具体为：

sd＝ed＝idref-id，

其中，ed为d轴电流控制器的误差，idref为d轴电感电流参考值，id为d轴电感电流。

q轴双幂次滑模控制器的滑模面sq具体为：

sq＝eq＝iqref-iq，

其中，eq为q轴电流控制器的误差，iqref为q轴电感电流参考值，iq为q轴电感电流。

α、β、a1、a2取值为：0<a1<1，a2>1，α＞0，β＞0。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明对电网模拟器的逆变侧进行设计，设计了电压内环电流内环的控制器，电流内环采用双幂次滑模控制，提出的双幂次趋近率可以有效消除抖振的问题，提高电网模拟器逆变侧运行稳定性；

(2)本发明双幂次滑模控制器可以有效应用于电力电子电路实时仿真系统建模，能够更简单方便达到预期效果，更加接近于真实情况。

附图说明

图1为不同趋近律下的状态s随时间变化关系图；

图2为三相三线两电平全桥逆变器拓扑图；

图3为三相三线两电平全桥逆变器数学模型框图；

图4为三相三线两电平全桥逆变器双幂次滑模控制框图；

图5为双幂次滑模控制和传统滑模控制的输出电压对比图：图5(a)为传统滑模控制的输出电压图，图5(b)为双幂次滑模控制的输出电压图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

本发明一种基于双幂次滑模控制的电网模拟器逆变侧控制系统，电网模拟器逆变侧采用三相三线两电平全桥逆变器，控制系统包括电压外环控制器和电流内环控制器，电压外环控制器为pi控制器，电流内环控制器为双幂次滑模控制器。

i、首先为了验证改进的双幂次趋近律的有效性，将其与指数趋近律以及幂次趋近律等进行对比。为了保证验证的有效性，五种趋近律均选择相同的参数，其状态s的收敛情况如图1所示。从图中可以看出在趋近速度方面，双幂次趋近律明显高于指数和幂次趋近律；在趋近滑模面时，指数趋近律趋近速度突然变小，双幂次趋近律趋近速度平滑而缓慢减小。所以，双幂次趋近律在远离滑模面时具备快速性，在接近滑模面时具备平滑性。由此可见，双幂次趋近律的性能，明显好于指数和幂次趋近律。

ii、由于三相三线两电平全桥逆变器结构简单，采用的器件少，故电网模拟器的逆变环节采用三相三线两电平全桥逆变器，其电路拓扑图如图2所示，表1列出了拓扑图中参数的物理意义。

表1参数的物理意义

对主电路列kcl方程得：

列写kvl方程得：

对上面两个式子进行整理可得到：

iii、三相三桥臂逆变器大都在dq0旋转坐标系下进行控制，下面进一步推导dq0旋转坐标系下的数学模型，对各变量进行如下坐标变换。于是得到三相三线两电平全桥逆变器在dq0旋转坐标系下的数学模型为：

其中，id、iq为d、q轴电感电流，iod、ioq为d、q轴输出电流，ud、uq为逆变器的d、q轴输出电压，uod、uoq为滤波器的d、q轴输出电压，r为电感支路等效电阻，l为滤波电感，c为滤波电容，ω为角频率，t为时间。

ⅳ、三相全桥逆变器的滑模控制器框图，如图4所示，其中，电压外环采取的是pi控制，内环电流环采取的是双幂次滑模控制器，具体地：

d轴双幂次滑模控制器为：

ud＝r·id-ωliq+vd+αl|sd|^a1sgn(sd)+βl|sd|^a2sgn(sd)，

q轴双幂次滑模控制器为：

uq＝r·iq-ωlid+vq+αl|sq|^a1sgn(sq)+βl|sq|^a2sgn(sq)，

其中，ud、uq为逆变器的d、q轴输出电压，id、iq为d、q轴电感电流，vd、vq为电网的d、q轴电压，sd、sq为d轴双幂次滑模控制器、q轴双幂次滑模控制器的滑模面，r为电感支路等效电阻，l为滤波电感，ω为角频率，α、β、a1、a2为常数，sgn(x)为符号函数。

d轴双幂次滑模控制器的滑模面sd具体为：

sd＝ed＝idref-id，

其中，ed为d轴电流控制器的误差，idref为d轴电感电流参考值，id为d轴电感电流。

q轴双幂次滑模控制器的滑模面sq具体为：

sq＝eq＝iqref-iq，

其中，eq为q轴电流控制器的误差，iqref为q轴电感电流参考值，iq为q轴电感电流。

α、β、a1、a2取值为：0<a1<1，a2>1，α＞0，β＞0。

为了保证设计控制器的正确性，需对系统的稳定性进行证明，选取李雅普诺夫函数为：

v(t)＝s²＞0，

其中，v(t)为李雅普诺夫函数，t为时间。

由上式知，在李雅普诺夫函数下，系统渐近稳定，因此本实施例设计控制律可以满足系统稳定性要求。

ⅴ、按照上述方式基于matlab/simulink搭建仿真模型并进行仿真，图5为双幂次滑模控制和传统滑模控制的输出电压对比图，由于5可知，在0.06s之前，电压输出波形大体相同，在0.06s时，相电压突然跌落到250v，滑模控制能够较迅速的跟踪到给定电压波形，但跌落瞬间会产生较大抖振，而本发明双幂次滑模控制不仅能够迅速跟踪跳变电压，而且抖振几乎为零。与此同时，对双幂次滑模控制和传统滑模控制的电压波形进行了fft分析，传统滑模控制的总谐波失真含量为1.26％，双幂次滑模控制的总谐波失真含量0.27％，由此可见双幂次滑模控制的谐波含量比传统滑模控制少，控制效果更加好。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。