用于LCL型并网接口电路的直接数字控制优化算法的制作方法

用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法
技术领域
1.本发明属于具体涉及用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法。


背景技术：

2.并网接口电路作为分布式电源与公共电网的重要能量交互桥梁，在分布式发电系统中起着重要的能量调节作用，其电能交互质量是评价系统运行特征的重要指标。传统直接数字控制方法是在对被控对象模型精确建模以及控制目标明确的基础上建立而成，具有控制结构清晰、参数明确、执行效率高等优点。然而在系统的实际运行中往往伴随着被控对象的重要参数时变性特征，这种特征会对采用直接数字控制的系统造成稳定性问题。
3.同时，为了追求更好的能量交互效果，通常在接口电路与电网之间接入lcl型滤波器。lcl型滤波器相比于l型滤波器增加了一个电容以及电感支路，相对于l型具有更好的滤波效果，且lcl型滤波器具有高频衰减能力强、体积小、重量轻等综合优势。但是lcl型是一个三阶系统，存在固有谐振尖峰问题，会减小系统的控制带宽，给系统的稳定运行带来极大的挑战。
4.当变换器侧电流反馈控制(ccf)时，分析lcl型与l型并网系统的运行特性，当忽略掉lcl的固有谐振尖峰时，在控制频带内lcl滤波器与l滤波器的滤波效果相同。此时，为便于分析与设计，lcl型滤波器可以等效为l型滤波器。
5.直接数字控制完全依据于采样系统，通过对采样系统的分析与综合，求解出相应的控制规律，相对于对模拟控制器离散化的间接数字控制更具有研究意义。直接数字控制需要首先明确控制对象数学模型，再对控制对象进行离散化分析，然后根据模型分析结果建立控制目标，并利用控制目标写出闭环以及误差的脉冲传递函数，最后通过控制器脉冲函数进行编程。这种设计方式简洁、物理意义明确，但由于被控对象运行过程中通常显现参数时变特征，这种特征会降低系统稳定裕度，甚至破坏系统稳定运行特征。
6.有鉴于此，本发明提出一种新的用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，在提升系统的稳定裕度的同时，改善并网逆变器系统运行特征。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，改善采用直接数字控制器的并网接口电路对参数变化的适应性，从而提升系统的稳定裕度；通过对并网逆变器的直接数字控制器进行改进，从而改善并网逆变器系统运行特征。
8.为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
9.用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，所述的直接数字控制优化算法为：
10.为进一步明确被控对象特征，将被控对象离散化；
11.根据约束条件以及技术指标直接设计所期望的闭环传递函数，并将其离散化；
12.在数字控制器的反馈环节加入补偿环节，通过调节阻尼参数达到改善系统运行特
征的目的；
13.利用控制原理求解优化后数字控制器；
14.将直接数字控制器转化为便于编程的差分方程形式。
15.进一步地，所述的直接数字控制优化算法包括以下步骤：
16.s1：分析并网逆变器主电路结构，使闭环系统的特征具有时间滞后的一阶惯性环节，保证滞后时间与被控对象的滞后时间相同；
17.将被控对象的s域传递函数通过零阶保持器离散，得到z域传递函数g(z)；
18.s2：根据所述的函数g(z)建立控制目标，依据系统的指标要求以及其他约束条件，设计系统的闭环传递函数φ(z)；
19.s3：分析所述的函数g(z)和φ(z)，根据数字控制器的计算表达式，直接求解数字控制器d(z)的传递函数；
20.s4：将所述的函数d(z)的表达式转化为差分方程，进行程序编写，并加以验证；
21.s5：利用所述的函数d(z)、g(z)和φ(z)，求解出系统的开环传递函数和闭环传递函数，再分析表明其存在的问题；
22.s6：在控制器中实施数字反馈补偿环节，对直接数字控制器算法改进后，进行程序编写，同理重复s2到s6，验证改进算法的可行性。
23.再进一步地，所述的数字控制器d(z)的传递函数的表达式：
[0024][0025]
再进一步地，所述的反馈补偿环节的表达式为：d
f
(z)＝δ(1
‑
z
‑1)；其中，δ表示阻尼参数。
[0026]
再进一步地，所述的程序编写的改进后数字控制器控制信号u(k)的表达式如下所示：
[0027][0028]
本发明的另一个目的在于提供一种用于lcl型并网接口电路的直接数字控制器，可以用于改善直接数字控制并网接口电路的参数适应性，同时提高系统的稳定裕度。
[0029]
为了实现上述目的，所采用的技术方案为：
[0030]
用于lcl型并网接口电路的直接数字控制器，所述的直接数字控制器包括主电路、控制电路以及采样电路；
[0031]
通过对所述的采样系统进行分析，执行预定的控制算法，完成各种控制功能，利用控制电路产生开关管的驱动信号。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0033]
本发明是一种用于改善并网接口电路运行稳定性的直接数字控制技术，属于并网电力电子变流器的并网电能质量控制技术领域。本发明的技术方案在传统直接数字控制器设计的基础上，对控制器实施数字反馈补偿环节，本质上是对直接数字控制器算法进行适
应性优化，从而改进控制系统运行稳定裕度；并通过对并网逆变器的直接数字控制器进行改进，从而改善并网逆变器系统运行特征，从而解决并网逆变器系统稳定裕度提升以及参数适应性改进的问题。
附图说明
[0034]
图1是两电平三相并网逆变器主电路拓扑结构图；
[0035]
图2是lcl型并网逆变器的控制框图；
[0036]
图3是αβ轴下单相lcl型并网逆变器结构；
[0037]
图4是数字采样控制延迟系统结构控制框图；
[0038]
图5是离散域下简化系统控制框图。
[0039]
图6是改进型ccf控制下系统的控制框图；
[0040]
图7离散域下简化改进型系统等效框图；
[0041]
图8是控制算法流程图。
具体实施方式
[0042]
为了进一步阐述本发明用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，达到预期发明目的，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
[0043]
下面将结合具体的实施例，对本发明用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法做进一步的详细介绍：
[0044]
本发明的技术方案为：
[0045]
用于lcl型并网接口电路的直接数字控制器，所述的直接数字控制器包括主电路、控制电路以及采样电路；
[0046]
通过对所述的采样系统进行分析，执行预定的控制算法，完成各种控制功能，利用控制电路产生开关管的驱动信号。
[0047]
用于lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，所述的直接数字控制优化算法为：
[0048]
为进一步明确被控对象特征，将被控对象离散化；
[0049]
根据约束条件以及技术指标直接设计所期望的闭环传递函数，并将其离散化；
[0050]
在数字控制器的反馈环节加入补偿环节，通过调节阻尼参数达到改善系统运行特征的目的；
[0051]
利用控制原理求解优化后数字控制器；
[0052]
将直接数字控制器转化为便于编程的差分方程形式。
[0053]
优选地，所述的直接数字控制优化算法包括以下步骤：
[0054]
s1：分析并网逆变器主电路结构，使闭环系统的特征具有时间滞后的一阶惯性环节，保证滞后时间与被控对象的滞后时间相同；
[0055]
将被控对象的s域传递函数通过零阶保持器离散，得到z域传递函数g(z)；
[0056]
所述的并网逆变器主电路结构为lcl型接口电路与l型接口电路。
[0057]
s2：根据所述的函数g(z)建立控制目标，依据系统的指标要求以及其他约束条件，设计系统的闭环传递函数φ(z)；
[0058]
s3：分析所述的函数g(z)和φ(z)，根据数字控制器的计算表达式，直接求解数字控制器d(z)的传递函数；
[0059]
s4：将所述的函数d(z)的表达式转化为差分方程，进行程序编写，并加以验证；
[0060]
s5：利用所述的函数d(z)、g(z)和φ(z)，求解出系统的开环传递函数和闭环传递函数，再分析表明其存在的问题；
[0061]
s6：在控制器中实施数字反馈补偿环节，对直接数字控制器算法改进后，进行程序编写，同理重复s2到s6，验证改进算法的可行性。
[0062]
进一步优选地，所述的数字控制器d(z)的传递函数的表达式：
[0063][0064]
进一步优选地，所述的反馈补偿环节的表达式为：d
f
(z)＝δ(1
‑
z
‑1)；其中，δ表示阻尼参数。
[0065]
进一步优选地，所述的程序编写的改进后数字控制器控制信号u(k)的表达式如下所示：
[0066][0067]
实施例1.
[0068]
直接数字控制系统，依据于系统的采样系统，通过对采样系统进行分析，执行预定的控制算法完成各种控制功能。该系统的主要包括主电路、控制电路以及采样调理电路，利用控制电路产生开关管的驱动信号。
[0069]
实施例2.
[0070]
一种lcl型并网接口电路的直接数字控制优化算法，设计核心数字控制的主要步骤如下：
[0071]
步骤1：分析对比lcl型接口电路与l型接口电路输出特性，将两者进行等效替换，明确一阶被控对象后将其离散化。
[0072]
步骤2：利用系统特性要求以及约束条件可明确所希望的闭环传递函数φ(z)，利用公式直接求解出其控制器d(z)的表达式：
[0073][0074]
步骤3：通过所求解的数字控制器得出系统的开环g
k
(z)以及闭环g
b
(z)传递函数，分析其性能得出结论：随着数字控制器中t
τ
取值变化会使得系统出现振铃现象。
[0075]
步骤4：未解决原有数字控制器参数适应性较差，对数字控制器进行优化，通过在数字控制器反馈环节加入补偿环节，其表达式如下，其中δ表示阻尼参数。并验证参数δ取值
对消除振铃现象的有效性。
[0076]
d
f
(z)＝δ(1
‑
z
‑1)。
[0077]
步骤5：将控制器d
f
(z)转化为差分方程形式，便于编程。求解出改进后数字控制器控制信号u(k)的表达式如下所示：
[0078][0079]
实施例3.
[0080]
按照图8的控制算法流程图，具体操作步骤如下：
[0081]
本发明lcl型并网逆变器直接数字化控制设计方法，主电路部分即如图1所示拓扑，包括直流母线电压v
dc
，电网电压v
g
以及lcl型滤波器共同构成了lcl型并网逆变器。直流母线电压v
dc
的正极分别与开关管g1、g3、g5的集电极相连，直流母线电压v
dc
的负极分别与开关管g2、g4、g6的发射极相连，开关管g1、g3、g5的发射极分别与开关管g2、g4、g6的集电极相连，开关管g2、g4、g6的集电极分别与电感l
a1
、l
b1
、l
c1
的一端相连，电感l
a1
、l
b1
、l
c1
的另一端分别与电容c
fa
、c
fb
、c
fc
的一端以及电感l
a2
、l
b2
、l
c2
的一端相连，电感l
a2
、l
b2
、l
c2
的另一端分别与网侧电感l
ga
、l
gb
、l
gc
的一端相连，网侧电感l
ga
、l
gb
、l
gc
的另一端分别与电网电压v
ga
、v
gb
、v
gc
的一端相连，电网电压v
ga
、v
gb
、v
gc
的另一端相连，三个电容c
a
、c
b
、c
c
的另一端相连。igbt开关管g1～g6均为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件。图中i
l1
为逆变侧电流，i
l2
为入网电流，i
c
为电容电流。控制电路主要产生主电路中各开关管的驱动信号，采用ccf控制时，其控制框图如图2所示。在实现控制部分中是将三相系统经过abc/αβ坐标变换为独立的两相系统进行控制，可以将三相系统简化为单相系统，其控制框图如图3所示。lcl滤波器与l滤波器的低频段衰减速率相同，由于lcl滤波器在高频段，电容c
f
对高频分量呈低阻抗状态，电容c
f
可视为短路状态，此时将lcl滤波器可等效为单l型滤波器。
[0082]
在电力电子控制系统中，常见的数字控制器在控制过程中存在时间延迟，一般这个时间延迟是存在控制系统的采样反馈回路和pwm调制过程中的，如图4所示，时间延迟包括数字控制实现过程中的pwm传递延迟和采样计算延迟两部分，一般认为采样计算延迟为一个采样周期。
[0083]
由于开关模型g
pwm
的存在，因为零阶保持器与pwm延迟时间同为0.5拍，在f
s
/2开关频率内两者特性相同，所以两者直接进行等效。图5为数字控制离散系统结构框图。图中，g(s)为被控对象，g(z)为被控对象的脉冲传递函数，如式(1)所示，d(z)为被设计的数字控制器，φ(z)为系统的闭环传递函数，三者之间的关系如公式(2)所示。
[0084][0085][0086]
当被控对象简化为单l时，整体特性呈现为含有时滞的一阶惯性环节表达式为(3)。将闭环传递函数离散化得到公式(4)，其中t
τ
表示为时间常数，为了简单起见，我们通
常选取t
τ
＝nt
s
，n取自然数。
[0087][0088][0089]
根据数字控制器设计步骤，已求得g(z)、φ(z)，根据公式(2)求解出数字控制器的离散传递函数d(z)如公式(5)所示，化简后可得式(6)。通过公式(8)可以明显看出传递函数的零极点分布，其中控制器中存在一个与时间常数相关的不定极点，当φ(z)中时间常数发生变化时，极点也会发生变化，此极点为系统的不定极点，此不定极点对控制器d(z)特性具有一定影响。
[0090][0091][0092]
可以将公式(6)进行整理得出可用于编程的表达式(7)。
[0093][0094]
通过上述计算可以求解出ccf控制下，系统的开环传递函数g
k
(z)以及系统闭环传递函数g
b
(z)，其分别如式(8)、(9)所示。
[0095][0096][0097]
分析系统开环传递函数的零极点分布图，其在z平面单位圆内存在接近(
‑
1，j0)的不定极点，随着t
τ
值减小，该极点离
‑
1越近出现越明显的振铃现象，振铃现象会导致采样点
之间出现明显的输出电流纹波。为解决这一问题通过数字控制器反馈回路增加补偿环节，其控制框图如图6所示。框图中补偿环节d
f
(s)表达式如式(10)所示，将其转化为离散域下简化控制框图如图7所示，补偿环节离散后的表达式如式(10)所示，其中δ为阻尼系数。
[0098]
d
f
(z)＝δ(1
‑
z
‑1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0099]
此时改进型直接数字控制器变为式(11)，化简得到公式(12)。
[0100][0101][0102]
可以将公式(12)进行整理得出可用于编程的表达式(13)。
[0103][0104]
利用上式得出开环传递函数g
k1
(z)和闭环传递函数g
b1
(z)如式(14)和式(15)：
[0105][0106][0107]
从公式(14)的开环传递函数中可以看出，此时消除了直接数字控制器的振铃现象的缺陷，提高系统的参数适应性。同时系统会随着补偿环节中阻尼系数δ的增加，系统在f
s
/2处引起系统不稳定地对数幅频特性幅值衰减至l(ω)＜0，保证系统获得足够的裕量。
[0108]
本方明的技术方案，用于改善直接数字控制并网接口电路的参数适应性，同时提高系统的稳定裕度。具体包括以下步骤：明确被控对象特征，将被控对象离散化；根据约束条件以及技术指标直接设计所期望的闭环传递函数，并将其离散化；在数字控制器的反馈环节加入补偿环节，通过调节阻尼参数达到改善系统运行特征的目的；利用控制原理求解优化后数字控制器；将直接数字控制器转化为便于编程的差分方程形式。改进数字控制器可以有效地解决原控制器参数适应性差以及稳定裕度不足的问题，同时解决原控制器中f
s
/2振荡的缺陷。直接数字控制器可以结合计算机丰富的软件功能，实现复杂的控制规律，能大幅度提高控制系统的性能。
[0109]
以上所述，仅是本发明实施例的较佳实施例而已，并非对本发明实施例作任何形式上的限制，依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化
与修饰，均仍属于本发明实施例技术方案的范围内。