CN109088561B - 一种负载电流预测前馈控制方法 - Google Patents

一种负载电流预测前馈控制方法 Download PDF

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Abstract

一种负载电流预测前馈控制方法涉及电力电子技术领域，具体涉及一种负载电流预测前馈控制方法。一种负载电流预测前馈控制方法，包括以下步骤：根据负载情况，确定利用预测负载电流进行变增益前馈补偿时的增益初值a0；确定负载电流预测值iop的前馈增益系数Cj；设计负载电流预测环节Grp；确定施加负载电流前馈的起始时刻以及施加预测电流补偿的初始时刻；设计前馈补偿器Gff；得到阶段性的控制信号uc；得到预测信号iop；判断前馈补偿方法；得到最终的补偿信号uff；将信号输入电流控制器K后的结果用于调制；判断控制性能是否满足要求。本发明可以显著改善补偿的动态相应性能，达到优化补偿效果的目的。

Description

一种负载电流预测前馈控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种负载电流预测前馈控制方法。
背景技术
正弦波逆变器被广泛地应用于工业领域和人们的日常生活。针对单相或三相逆变器，如何保证在非线性负载条件下获得高质量的输出电压波形是近年来被广泛研究和关注的一个问题。有大量文献研究基于重复控制技术和比例谐振控制的电压波形校正的控制方法。其它的控制策略，如采用电容电流反馈方法和基于状态观测器和极点配置的控制方法以及负载电流前馈控制也有不少的文献进行了详细的报导。通过对相关文献的研究结果进行分析和总结可以知道，逆变器在非线性整流器负载条件下，或者在其负载快速变化情况下获得高质量输出电压波形的关键主要取决于控制***在两个方面的设计因素。其一是在频域中获得尽可能低的输出阻抗幅频特性，特别是在谐波频率点的输出阻抗值。根据Thevenin等效电路理论，这样可以使负载侧谐波电流在内阻上的谐波压降减小，从而抑制逆变器输出端电压的畸变；另一方面，提高控制***对负载电流快速脉动变化的动态响应能力。特别是观察畸变的逆变器输出电压波形，其对应在脉冲电流向上或向下阶跃的时刻，电压输出波形开始出现明显的跌落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载电流预测前馈控制方法。
一种负载电流预测前馈控制方法，包括以下步骤：
(1)根据负载情况，确定利用预测负载电流进行变增益前馈补偿时的增益初值a0；
(2)确定负载电流预测值iop的前馈增益系数Cj；
(3)设计负载电流预测环节Grp；
(4)确定施加负载电流前馈的起始时刻以及施加预测电流补偿的初始时刻；
(5)设计前馈补偿器Gff；
(6)执行电压控制***程序，得到阶段性的控制信号uc；
(7)将采样得到的实际输出电流io送入重复预测器Grp中，得到预测信号iop；
(8)判断采用输出信号ioff＝Cjiop或者输出信号ioff＝io进行前馈补偿；
(9)将输出信号ioff送入补偿器Gff环节进行运算，得到最终的补偿信号uff；
(10)将信号输入电流控制器K，将经K运算后的结果用于调制；
(11)判断控制性能是否满足要求，没有满足要求，重复步骤(1)至步骤(10)。
增益初值a0为：
Figure BDA0001786076780000021
其中，ioave为负载电流绝对值的平均值，Io1为ioave的第一稳态值，Io2为ioave的第二稳态值，a01为a0的第一边界值，a02为a0的第二边界值。
前馈增益系数Cj为：
Figure BDA0001786076780000022
其中，j为补偿序号，n为上升阶段总的补偿点数，a0为对应初始补偿时刻的Cj值，an为Cj的终值。
电压控制***程序由同步旋转坐标系下的比例和积分调节器和重复控制器构成。
本发明的有益效果在于：
1、提出一种实现输出阻抗最小化的负载电流前馈补偿器，将利用重复预测器估计的负载电流预测值通过前馈补偿器用于单相逆变器输出电压波形的校正，可以显著改善补偿的动态相应性能。
2、提出一种利用预测负载电流和实际负载电流实现变增益及切换的前馈补偿方式，并给出变增益参数的设计方法。通过合理的整定增益参数值，在逆变器输出电压畸变的初始阶段，利用预测负载电流通过高增益加强补偿作用的权重，之后增益逐渐递减到1，再利用实际负载电流进行前馈补偿，达到优化补偿效果的目的。
附图说明
图1负载电流预测前馈控制方法流程图；
图2重复预测器Grp的结构框图；
图3定位负载电流突变点的示意图；
图4可变增益系数Cj的定义示意图；
图5增益初值a0定义示意图；
图6控制系框图；
图7不采用双闭环控制条件下的逆变器输出电压波形；
图8采用专利所述方法后的逆变器输出电压波形；
图9单相逆变器主电路及其控制***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
(1)根据负载情况，确定利用预测负载电流进行变增益前馈补偿时的增益初值a0，这是CP单元的第1项功能。如附图5所示，a0可按以下线性插值规律来变化：
Figure BDA0001786076780000031
式中Io1和Io2为ioave(为处理方便起见，ioave取为负载电流绝对值的平均值)的两个稳态值。
ioave＝|io|Glp (3)
Glp为一个低通滤波器。对应于逆变器主要的轻载和重载运行范围，a01和a02为a0的两个边界值，与Io1和Io2相对应。这些参数可通过仿真来初始设置，并可根据实际测试情况进行更细致的调整。
(2)为负载电流预测值iop的前馈增益系数，这是CP单元的第2项功能。
负载电流io在短暂的上升过程中快速变化，在此期间将预测电流值iop乘上一个可变系数Cj后作为CP的输出信号ioff。而Cj从补偿初始时刻到终止时刻(例如对应附图3，从tk-1到tce时刻)，可线性的减小至预先设定值。此后，CP单元采用实际负载电流值io作为ioff信号传送给Gff环节。一种Cj线性变化的规律如式(4)所示：
Figure BDA0001786076780000032
这个方程可用附图4来进一步说明。其中j为补偿序号，n为io上升阶段总的补偿点数，序号为n的补偿点对应于附图3中的tce，接近于io的峰值时刻。a0为对应初始补偿时刻的Cj值，an为Cj的终值，可取为1。
(3)设计负载电流预测环节Grp。对负载电流进行预测是CP单元的第3项功能。本文引入重复预测器来预估负载电流的波形，如附图2所示。附图2中的重复预测器以虚线框所示的重复补偿器为核心，它强制估计值u
Figure BDA0001786076780000034
跟踪实际输出电流采样值u(k)，其偏差e(k)作为重复补偿器的输入信号。而实际采用的估计值
Figure BDA0001786076780000035
超前于
Figure BDA0001786076780000036
的采样周期数为m。q(z-1)可选为低通滤波器或者近1常数，较小幅值的q(z-1)可使估计值更平滑。ZOH为一个零阶保持器。根据附图2可得从u(k)到u
Figure BDA0001786076780000037
的离散传递函数为：
Figure BDA0001786076780000033
为了保证预测器的稳定性，式(4)离散极点需要位于z平面的单位圆内
(4)确定施加负载电流前馈的起始时刻以及施加预测电流补偿的初始时刻。假设已经通过重复预测器获得输出电流的估计值，则另一个关键问题是如何定位(确定)补偿的起始时刻。这是CP单元的第4项功能。附图3给出一种简单的处理方法。附图3中，在负载电流io上升的tk时刻以前，其值保持为零。而在tk以后的短暂时间内，io以非常大的斜率加速上升，近似阶跃。因此在每半个正弦波周期内(因为使用io的绝对值进行判断，在每个正弦波周期有两次向上的阶跃)，使用式(6)来搜寻io开始阶跃时所对应的采样时刻k。
Figure BDA0001786076780000041
式(6)中采用了间隔两个采样周期的io采样值做差，用以扩大电流偏差值，从而可获得更准确的定位结果。在k时刻之前，
Figure BDA0001786076780000042
的值非常小，而
Figure BDA0001786076780000043
的值在k时刻之后将显著增，因此门限值A需要足够大的数值以保持对干扰或噪声信号的鲁棒性。在k值确定后，负载电流前馈补偿的初始时刻可以超前于tk一个或者两个采样周期(即在tk-1或者tk-2时刻开始补偿，取决于实际情况)
(5)设计前馈补偿器Gff。
单相逆变器控制***结构框图，如附图2所示，进而得到其输出阻抗如下式所示
Figure BDA0001786076780000044
令Zo最小化为零，则可得到
Figure BDA0001786076780000045
式(8)中分母所含项(sTp+1)是为了使式(8)成为一个有理分式，同时引入该项表达式有利于提高***对高频噪声的免疫能力。Tp数值可根据实际***调试的情况来确定。
(6)应用时，首先正常执行附图1的采用SRFPI和重复控制器构成的电压控制***程序，得到阶段性的控制信号uc。
(7)将采样得到的实际输出电流io送入重复预测器Grp中，得到期望的超前m拍的预测信号iop
(8)将iop连同采样得到的实际输出电流io送入CP单元。CP单元判断是否达到利用预测电流进行补偿的点数。若没有达到预设的数值n，则CP单元根据(4)中所确定的补偿初始时刻和(2)中所确定的Cj变化规律，得到iop乘以对应变增益系数Cj的数值，即ioff＝Cjiop。若达到预设的补偿点数n，则ioff＝io，即采用实际输出电流io进行补偿。
(9)将ioff送入Gff补偿器环节进行运算，得到最终的补偿信号uff。
(10)将uff与uc进行迭加，并与电感电流iL做差，将(uff+uc-iL)作为电流控制器K的输入，将经K运算后的结果用于调制器1/VM进行调制，得到用于开关管驱动的PWM信号。
(11)判断控制性能是否满足要求(附图7和图8给出采用专利所述方法前后的实测波形用于控制效果的对比)，否则返回到(1)-(10)的相应步骤进行设计。
本发明提供的是一种逆变器输出电压波形校正的负载电流预测前馈控制方法，具体包括：利用预测负载电流以及实际负载电流实现变增益和切换的前馈补偿思想和方法。以及增益参数的设计方法和实现逆变器输出阻抗最小的前馈补偿控制器设计方法。
附图中为专利所述的单相逆变器的主电路及其控制***。图中分别用虚线框标注各主要功能模块。以下结合附图进行说明。
图中单相逆变器采用常用的全桥结构，输入侧直流电压为uin，LfCf构成输出侧LC滤波器，Re为Lf的等效串联电阻。不再赘述。
图中全桥单相二极管整流器、及与其输出端并联的平波电容Ce和电阻RL共同作为逆变器的非线性负载。不再赘述。
附图所示单相逆变器基本的电压电流双闭环控制结构为基础。电压环控制采用同步旋转坐标系下的PI调节器(synchronous reference frame PI，SRFPI)，即令逆变器输出电压uo为两相静止坐标系下的α分量uα，其经90°滞后相移(通过图中的PS90环节)后得到uβ，PS90环节可采用如下的滤波器形式
Figure BDA0001786076780000051
其中ω0对应于输出电压基波角频率，在本专利中其数值为100πrad/s(对应50Hz)。
之后再将uα和uβ经C2s/2r环节变换后得到dq同步旋转坐标系下的ud和uq直流分量。控制***是在dq同步旋转坐标系下进行的。如图所示udr为d轴分量给定值，对应输出电压的峰值，uqr为q轴分量给定值，在此设定为0。dq控制通道采用相同的PI控制器Gpi，ωL为交叉解耦项。将得到的dq坐标系下的控制信号
Figure BDA0001786076780000052
和
Figure BDA0001786076780000053
经C2r/2rs环节再变换至αβ两相静止坐标系，得到对应的
Figure BDA0001786076780000054
和
Figure BDA0001786076780000055
将
Figure BDA0001786076780000056
与重复控制器的输出urc之和作为电流内环给定信号。电流内环的反馈信号为电感电流iL，将(
Figure BDA0001786076780000057
+urc)与iL的偏差再加上前馈补偿器输出uff后的结果送入电流控制器K，此处K为一个比例系数(即比例控制器)，K的输出经调制器1/VM(VM为载波幅值)后得到控制开关管S1-S4的驱动信号。由于SRFPI控制结构为成熟技术，在此不再赘述了。
附图中，将重复控制器(本身为成熟技术，在此不再赘述)的输出与
Figure BDA0001786076780000058
叠加构成电流内环指令信号是为了利用重复控制器对周期信号的跟踪能力，使单相逆变器在一定程度上具有一定的输出电压波形畸变抑制的能力。重复控制器的指令信号为标准正弦波usr，其反馈信号为输出电压uo。
附图中所示的前馈补偿控制及其实现方法是本专利的主要工作。首先实际的负载电流io经Grp(重复预测器)环节后得到io的超期预测值iop，iop连同实际的负载电流io一起送入电流处理环节CP(Current Process)，经CP运算/判断后输出信号ioff，该信号被送入前馈补偿器Gff，Gff的输出信号为uff，该信号即为最终的补偿信号，并将其叠加在电流内环控制器K的输入端。
一种逆变器输出电压波形校正的负载电流预测前馈控制方法。其特征是：
提出一种实现输出阻抗最小化的负载电流前馈补偿器，将利用重复预测器估计的负载电流预测值通过前馈补偿器用于单相逆变器输出电压波形的校正，可以显著改善补偿的动态相应性能。
提出一种利用预测负载电流和实际负载电流实现变增益及切换的前馈补偿方式，并给出变增益参数的设计方法。通过合理的整定增益参数值，在逆变器输出电压畸变的初始阶段，利用预测负载电流通过高增益加强补偿作用的权重，之后增益逐渐递减到1，再利用实际负载电流进行前馈补偿，达到优化补偿效果的目的。
提出一种新颖的负载电流前馈设计方法，进一步改善控制***动态补偿的快速性，利用数字控制器灵活的编程能力，通过施加合理且足够的激励使得逆变器输出电压在负载脉冲电流阶跃段的电压跌落尽量减小。

Claims (4)

1.一种负载电流预测前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据负载情况，确定利用预测负载电流进行变增益前馈补偿时的增益初值a0；
(2)确定负载电流预测值iop的前馈增益系数Cj；
(3)设计负载电流预测环节；
(4)确定施加负载电流前馈的起始时刻以及施加预测电流补偿的初始时刻；
(5)设计前馈补偿器Gff；
(6)执行电压控制***程序，得到阶段性的控制信号uc；
(7)将采样得到的实际输出电流io送入负载电流预测环节中的重复预测器Grp中，得到负载电流预测值iop；
(8)判断采用输出信号ioff＝Cjiop或者输出信号ioff＝io进行前馈补偿；
(9)将输出信号ioff送入前馈补偿器Gff环节进行运算，得到最终的补偿信号uff；
(10)将补偿信号uff输入电流控制器K，将经电流控制器K运算后的结果用于调制；
(11)判断控制性能是否满足要求，即使得逆变器输出电压在负载脉冲电流阶跃段的电压跌落值减小,没有满足要求，重复步骤(1)至步骤(10)。
2.根据权利要求1所述的一种负载电流预测前馈控制方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的增益初值a0为：
Figure FDA0002385321760000011
其中，ioave为负载电流绝对值的平均值，I01为ioave的第一稳态值，I02为ioave的第二稳态值，a01为a0的第一边界值，a02为a0的第二边界值。
3.根据权利要求2所述的一种负载电流预测前馈控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的前馈增益系数Cj为：
Figure FDA0002385321760000012
其中，j为补偿序号，n为上升阶段总的补偿点数，an为Cj的终值。
4.根据权利要求1所述的一种负载电流预测前馈控制方法，其特征在于：步骤(6)中，所述的电压控制***程序由同步旋转坐标系下的比例和积分调节器和重复控制器构成。
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