一种三电平中性点钳位型变换器的广义超螺旋滑模控制方法与流程

本发明属于电力电子控制，具体涉及一种三电平中性点钳位型变换器的广义超螺旋滑模控制方法。

背景技术：

1、随着工业化的进程，全球能源短缺和环境污染问题推动了可再生能源的发展。其中，光伏能源和风能作为环境友好型能源，装机容量逐年增长。在可再生能源系统中，并网交直流变换器是将光伏阵列和风力涡轮机连接到电网的关键接口。典型的并网交直流变换器有二电平变换器和多电平变换器。三电平中性点钳位型变换器作为一种典型的多电平变换器，具有低价格、低功耗、高性能和高耐压等优点。目前，它已经被广泛应用于各种工业场合中。例如：光伏发电、风力发电、交直流微电网、电机驱动以及交直流储能系统等。

2、针对上述三电平中性点钳位型变换器应用场合，为保障系统的可靠运行，当前采用的主流控制方法有pi控制和基于观测器的滑模控制等。但随着应用场合的复杂化，采用上述控制算法对系统性能指标的提高出现了局限性，可以概括为：

3、(1)基于pi控制的电压调节环、功率跟踪环和电压平衡环在环境简单的应用中能够保证良好的控制指标，但在存在外部扰动和参数摄动的情况下，控制性能会下降。特别是对于时变的外部干扰，采用pi控制往往很难保证系统的鲁棒性，直流侧的电压会出现较大的波动，可能对系统造成破坏。

4、(2)基于滑模控制策略的三电平中性点钳位型变换器控制方法，对于系统的外部干扰和参数摄动具有良好的抵抗作用，但采用滑模控制后，系统会存在较大的抖振现象，不利于系统稳定运行。为解决抖振现象，目前常用的方法是采用高阶滑模控制方法，例如常见的超螺旋控制方法。但当初始误差较大时，这种方法难以保证系统的动态特性，会造成响应速度不足的问题。同时，为进一步提高滑模方法的抗干扰能力，通常会在滑模控制中引入观测器技术，但目前的在滑模控制中采用观测器的方法仅能对缓慢波动的干扰进行抑制，因此仍然不能有效抵抗时变干扰，在实际使用中存在一定的局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有基于观测器的滑模控制策略的响应速度不足以及不能有效抵抗时变干扰的问题，而提出的一种三电平中性点钳位型变换器的广义超螺旋滑模控制方法。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：

3、一种三电平中性点钳位型变换器的广义超螺旋滑模控制方法，所述方法具体包括以下步骤：

4、在直流电压调节环中，根据当前时刻三电平中性点钳位型变换器直流侧输出电压参考值和直流侧输出电压实际值vdc，输出当前时刻直流侧输出有功功率参考值p*；

5、在功率跟踪环中，根据当前时刻直流侧输出的有功功率参考值p*、无功功率参考值q*、有功功率实际值p以及无功功率实际值q，并利用广义超螺旋滑模控制方法输出三电平中性点钳位型变换器平均占空比δαβ；

6、在电压平衡环中，根据直流侧电容电压差参考值以及直流侧电容电压差实际值edc，并利用pi控制方法输出平衡占空比δγ；

7、将三电平中性点钳位型变换器平均占空比δαβ和平衡占空比δγ相加后，将相加结果进行坐标变换，获得abc坐标系下的三电平中性点钳位型变换器平均占空比δabc；

8、再对abc坐标系下的三电平中性点钳位型变换器平均占空比δabc进行脉冲宽度调制，获得三电平中性点钳位型变换器栅极开关控制信号sabc，实现三电平中性点钳位型变换器的控制。

9、进一步地，所述根据当前时刻三电平中性点钳位型变换器直流侧输出电压参考值和直流侧输出电压实际值vdc，输出当前时刻直流侧输出有功功率参考值p*，是利用基于广义比例积分观测器的广义超螺旋滑模控制方法来实现的。

10、进一步地，所述根据当前时刻三电平中性点钳位型变换器直流侧输出电压参考值和直流侧输出电压实际值vdc，输出当前时刻直流侧输出有功功率参考值p*；其具体过程为：

11、步骤a1、根据当前时刻三电平中性点钳位型变换器直流侧输出电压参考值和直流侧输出电压实际值vdc，计算当前时刻直流侧电压跟踪误差sv；

12、

13、其中，和x1为中间变量；

14、

15、

16、步骤a2、采用广义超螺旋滑模控制方法和直流侧电压跟踪误差sv计算控制输出p1*；

17、步骤a3、采用广义比例积分观测器、前一时刻有功功率参考值p*和中间变量x1，计算当前时刻三电平中性点钳位型变换器受到的总扰动值的观测值

18、步骤a4、对控制输出p1*和观测值求和，得到当前时刻三电平中性点钳位型变换器直流侧输出有功功率参考值p*。

19、进一步地，所述步骤a2中，广义超螺旋滑模控制方法的动态方程为：

20、

21、其中，αv，βv，wv1和wv2为广义超螺旋滑模控制方法的增益，sign(·)为符号函数，|·|代表取绝对值。

22、进一步地，所述步骤a3中，广义比例积分观测器的动态方程为：

23、

24、

25、

26、其中，c是直流侧电容容值，是x1的观测值，是x1的导数，是的观测值，是x2的观测值，是x2的导数，是的观测值，是x3的导数，是的观测值，β1、β2和β3是观测器增益。

27、进一步地，所述在功率跟踪环中，根据当前时刻直流侧输出的有功功率参考值p*、无功功率参考值q*、有功功率实际值p以及无功功率实际值q，利用广义超螺旋滑模控制方法输出三电平中性点钳位型变换器平均占空比δαβ；具体为：

28、步骤b1、对有功功率实际值p求导数得到对无功功率实际值q求导数得到

29、再令得到平均占空比等效点

30、步骤b2、根据当前时刻直流侧输出的有功功率参考值p*、无功功率参考值q*、有功功率实际值p和无功功率实际值q，得到有功功率跟踪误差sp和无功功率跟踪误差sq；

31、sp＝p*-p

32、sq＝q*-q

33、步骤b3、根据广义超螺旋滑模控制方法、有功功率跟踪误差sp和无功功率跟踪误差sq，得到有功功率控制输出up和无功功率控制uq输出；

34、步骤b4、根据平均占空比等效点有功功率控制输出up和无功功率控制输出uq，得到三电平中性点钳位型变换器平均占空比δαβ。

35、进一步地，所述平均占空比等效点为：

36、

37、其中，vαβ为αβ坐标系下的三相交流电压矢量，vα为αβ坐标系下三电平中性点钳位型变换器交流侧电压α分量，vβ为αβ坐标系下三电平中性点钳位型变换器交流侧电压β分量，l为三项交流侧线电感，ω为三相交流侧电压频率，

38、进一步地，所述有功功率控制输出up和无功功率控制输出uq分别为：

39、

40、

41、其中，αp，βp，wp1和wp2为有功功率跟踪环中广义超螺旋滑模控制方法的控制增益，αq，βq，wq1和wq2为无功功率跟踪环中广义超螺旋滑模控制方法的控制增益。

42、进一步地，所述三电平中性点钳位型变换器平均占空比δαβ为：

43、

44、更进一步地，所述根据直流侧电容电压差参考值以及直流侧电容电压差实际值edc，并利用pi控制方法输出平衡占空比δγ；具体为：

45、

46、其中，kp为比例项增益，ki为积分项增益，t为积分时间。

47、本发明的有益效果是：

48、本发明方法基于直流电压调节环、功率跟踪环和电压平衡环实现三电平中性点钳位型变换器的稳定运行，控制方法结构简单，能够实现良好的控制性能。在直流电压调节环中，通过电压调节控制算法使当前时刻三电平中性点钳位型变换器直流侧输出电压实际值vdc跟踪直流侧输出电压参考值在功率跟踪环中，通过有功功率跟踪算法使有功功率实际值p跟踪直流电压调节环输出的有功功率参考值p*，通过无功功率跟踪算法使无功功率实际值q跟踪无功功率参考值q*；在电压平衡环中，通过平衡算法使直流侧两电容电压相等，即直流侧电容电压差实际值edc等于0。通过合理设计上述三个环路的性能指标，能够在三电平中性点钳位型变换器直流侧存在时变干扰的条件下保证直流侧输出电压稳定和输出端两电容电压平衡，同时系统的动态响应速度得到了提高。

49、在直流电压调节环中，为了使直流电压可以快速地跟踪参考值，本发明采用了一种基于广义超螺旋算法的策略对电压进行控制，以确保即使是在系统轨迹远离原点时也会有非常快的收敛速度。此外，为了对各种恒定以及时变的扰动进行估计，在该环路还加入了一种广义比例积分观测器来增强三电平中性点钳位型变换器的抗扰动能力；在功率跟踪环中，采用基于输出调节子空间(osr)的直接功率控制(dpc)结构，通过两个不同增益的广义超螺旋算法分别实现有功功率和无功功率的跟踪，在保证控制效果的基础上降低算法控制难度；在电压平衡环中，为保证直流侧两电容电压相等，采用pi控制算法，以直流侧电容电压差实际值和直流侧电容电压差设定值的误差为输入，输出平衡占空比。最后，为了评估本发明所提出的控制方法的性能，基于三电平中性点钳位型变换器实验平台进行了一系列比较试验，证明了本发明方法具有更快的动态性能和更强的抗扰动能力。