CN109861374A - 一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法。三相不间断电源被广泛应用于分布式发电***，尤其适用于对军工，医疗，高级实验设备等关键负荷的供电，但是其控制方法大多需要负载电流传感器以确保较好的鲁棒性和控制精度。本发明提出的一种基于李雅普诺夫大信号渐进稳定原理的经济型控制策略，其特征在于：基于李雅普诺夫大信号渐进稳定原理，本发明推导出了一种实时估测负载电流的观测器及其相应控制律，从而省掉了三个负载电流传感器，大大降低了实现成本。本发明实现了三相不间断电源的输出电压对指令电压的零稳态误差跟踪控制，并且对于阻性负载跳变和非线性负载跳变等各种复杂工况都呈现出良好的动态性能。

Description

一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电、微电网技术领域，具体涉及一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法。

背景技术

分布式发电技术对于可再生能源的消纳，应对全球气候变化，提高偏远地区能源结构与电能质量具有重要意义。其中，不间断电源技术在近年来得到了广泛关注与研究。该技术主要应用于军工，医疗，数据中心，高端实验设备等关键负荷的供电，从而解决电压暂降的问题，同时提高其供电可靠性，提高电能质量。然而，负载端的不确定性和非线性因素往往对其输出电压的电能质量产生较大威胁，迫切需要相应的控制策略来实现对不间断电源的高鲁棒性控制。对此，国内外近年来提出了一系列控制方案。这些控制策略主要可分为线性和非线性两大类。

线性控制方案有：具有特定谐波消除补偿特性的比例积分(PI)控制和比例谐振(PR)控制策略，基于并联运行的UPS的PR控制器和内部模型原理的无线控制策略，基于反馈线性化的控制策略，多回路共振控制策略，具有离散复合观测器的单相低压逆变器的自调谐前馈选择性谐波补偿策略等等。

与线性控制方案相比，非线性倾向于展现更快的瞬态响应和更少的总谐波失真，但同时也具有一定的缺陷。无差拍控制具有良好的动态性能，代价是对于参数准确性的依赖性。滑模控制对于参数变化具有很强的鲁棒性，其代价是固有的抖动问题和变动的开关频率。模型预测控制(MPC)控制可以在较小开关频率的情况下实现相同的控制目标，从而减小了开关损耗，但是该方法计算负担高昂同时以变动的开关频率为代价，不利于滤波。一种扩展的基于李雅普诺夫函数的方法通过人工引入电压外环的方式，消除了由基于经典李雅普诺夫函数控制策略带来的稳态误差问题，但是该策略仍然需要三个负载电流传感器，实现成本较高。

在现有的技术中，有且仅有基于李雅普诺夫原理的控制策略能够从理论上严格保证受控***的全局大信号渐进稳定性。而基于该原理的不间断电源的控制策略目前仍需要对负载电流进行实时采样，其实现成本高昂，迫切需要寻求一种更经济的控制策略在保证相同控制效果的同时减少传感器的数量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于李雅普诺夫稳定性原理的无需负载电流传感器的三相全桥两电平不间断电源控制方法，以期保证相同控制效果的同时减少传感器的数量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据三相不间断电源主功率拓扑推导出其对应的符合基尔霍夫电压电流定律的状态空间方程，然后利用abc/dq坐标系变换得到其在dq旋转坐标系下的状态空间方程；给出输出电压参考值。，将电压指令参考值带入dq坐标系下的状态空间方程，得到初始电流内环指令参考值；

步骤2：引入一个时变虚拟变量作为实时负载观测器，将其替换掉原状态空间方程中的负载阻抗值，从而推导出包含实时负载观测器的电流内环参考值表达式；

步骤3：构造出d轴关于状态变量的误差信号以及负载观测器对应的误差信号，从而构得到包含了所有误差信号标量能量函数，即李雅普诺夫能量函数；对该能量函数求关于时间的一阶导数，通过保证其一阶导数负定的方法推导出负载观测器和控制率的数学表达式；

步骤4：q轴对应的负载观测器和控制律类比d轴推导过程给出；结合q轴电压电流具体参考值发现，q轴负载观测器被省略掉，同时其对应控制律得到相应简化。

所述步骤1中，dq旋转坐标系下的状态空间方程如下：

其中，E表示直流侧电压,s₁～s₆表示三个桥臂的开关管触发信号,L和C分别表示滤波电感感值和滤波电容容值,R表示负载电阻阻值，μ_d,μ_q分别表示d轴和q轴对应的占空比信号,v_m为输出电压参考值，流过滤波电感的三相电感电流i_La,i_Lb,i_Lc.；

假定在电路达到稳态的时候，输出电压实现对电压参考值的无静差跟踪，从而输出电压的d轴和q轴参考值定义如下：

其中，u_0dss和u_0qss分别表示负载电压d轴分量和q轴分量的稳态值；

将以上电压参考值带入状态空间表达式得相应的初始电流内环参考值表达式：

其中，i_Ldss和i_Lqss分别表示流过滤波器电感电流d轴分量和q轴分量的稳态值。

所述步骤2中，引入一个时变虚拟变量作为负载观测器，取代上式中的负载阻抗值的倒数1/R，从而在无须负载电流传感器的参与的情况下实现对负载电流的实时估测；与此同时，负载端的不确定性，非线性因素以及外界扰动将被负载观测器实时动态补偿，以期实现稳态误差的消除和控制器的高鲁棒性；

考虑到负载电流在一个开关周期中的变化极其微小可忽略；现假定在一个开关周期内，负载电流为常数；基于此合理假定，引入负载观测器后的内环电流参考值对应的一阶导求得：

所述步骤3中，其d轴关于状态变量的误差信号以及负载观测器对应的误差信号构造如下：

基于已定义的关于电感电流，电容电压以及负载观测器的误差信号，包含了以上所有误差信号二次型标量能量函数，即李雅普诺夫能量函数定义如下：

其中，γ是一个人为引入的大于0的控制器参数，用于调节控制器的动态性能；

为了使得受控***大信号渐进稳定，其能量函数应当随时间衰减直到收敛到零；为研究其收敛特性，须先求出其一阶倒数：

结合前述表达式，上式经过适当数学推导表示为：

其中，

α(t)＝-k_de₁ ²-e₂ ²/R

为了使得能量函数的一阶导数在任意时间区间均保持负定，现分别研究α(t)β(t)χ(t)对应的数学表达式；

根据α(t)表达式的二次型负定形式可知，

α(t)＝-k_de₁ ²-e₂ ²/R≤0

其负定特性在任意时间域恒成立；

令β(t)等于零，推导出负载观测器对应的的数学表达式：

令χ(t)等于零，推导出控制律对应的数学表达式：

所述步骤4中，类比d轴负载观测器及其控制律的推导过程，对应的误差信号和q轴李雅普诺夫函数定义如下：

其中，δ是一个人为引入的大于0的控制器参数；

类比d轴推导过程，q轴对应的负载观测器和控制律的表达式分别推导给定：

考虑到q轴电压指令为u_0qss＝0,q轴负载观测器可被省略，同时q轴控制律得到相应简化：

本发明为了实现对三相不间断电源的电压控制，提出了一种基于李雅普诺夫稳定性原理的无需负载电流传感器的三相全桥两电平不间断电源控制方法；通过负载观测器对负载电流的实时评估，三个负载电流传感器得以省略，从而大大提高了该控制策略实现的经济型；同时，在这一过程中，负载的不确定性，非线性因素以及外部非理想因素带来的对输出电压的干扰得以补偿，从而使得该控制策略在复杂工况，譬如指令参考电压值跳变，线性与非线性负载非线性跳变中仍能实现对指令电压的无静差跟踪，体现了良好的鲁棒性；与现有技术相比，该方法优点为：

1、实时估测负载电流，省掉三个负载电流传感器。

2、负载观测器动态性能定量调节，控制器参数整定简单。

3、相比其他状态观测器方法来估测负载电流，该方法推导简单，阶次较低，无需复杂矩阵运算与零极点配置。

4、对于复杂工况，动态性能良好，几近消除稳态误差，动态性能良好。

附图说明

图1为本发明适用的LC型三相不间断电源主功率拓扑图；

图2(a)和图2(b)分别为本发明应用于三相不间断电源时的按照负载观测器以及控制律搭建的简化控制框图和详细控制框图。

图3为本发明实施例中四种工况下对应的实验结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述技术方案进行详细说明，但不可用来限制本发明的范围。

本发明涉及一种基于李雅普诺夫稳定性原理的无需负载电流传感器的全桥两电平三相不间断电源控制方法；定义虚拟时变变量做为负载观测器，并将其代替负载导纳，进而基于李雅普诺夫稳定性要求推导出负载观测器与对应控制器的数学表达式；该负载观测器在复杂工况下保证对负载电流的实时估测，省掉了三个电流传感器；在这一过程中，负载观测器动态补偿负载端的不确定性，非线性因素以及外部扰动，从而达到对输出电压的高鲁棒性控制，消除了基于经典李雅普诺夫函数方法控制策略带来的稳态误差。

步骤1：根据三相不间断电源主功率拓扑推导出其对应的符合基尔霍夫电压电流定律的状态空间方程，然后利用abc/dq坐标系变换得到其在dq旋转坐标系下的状态空间方程；给出输出电压参考值，将电压指令参考值带入dq坐标系下的状态空间方程，得到初始电流内环指令参考值；

步骤2：引入一个时变虚拟变量作为实时负载观测器，将其替换掉原状态空间方程中的负载阻抗值，从而推导出包含实时负载观测器的电流内环参考值表达式；

步骤3：构造出d轴关于状态变量的误差信号以及负载观测器对应的误差信号，从而构得到包含了所有误差信号标量能量函数，即李雅普诺夫能量函数；对该能量函数求关于时间的一阶导数，通过保证其一阶导数负定的方法推导出负载观测器和控制率的数学表达式；

步骤4：q轴对应的负载观测器和控制律可类比d轴推导过程给出；结合q轴电压电流具体参考值发现，q轴负载观测器可以被省略掉，同时其对应控制律可以得到相应简化；

所述步骤1中，dq旋转坐标系下的状态空间方程如下：

其中，E表示直流侧电压,s₁～s₆表示三个桥臂的开关管触发信号,L和C分别表示滤波电感感值和滤波电容容值,R表示负载电阻阻值，μ_d,μ_q分别表示d轴和q轴对应的占空比信号,v_m为输出电压参考值，流过滤波电感的三相电感电流i_La,i_Lb,i_Lc；

假定在电路达到稳态的时候，输出电压实现对电压参考值的无静差跟踪，从而输出电压的d轴和q轴参考值定义如下：

其中，u_0dss和u_0qss分别表示负载电压d轴分量和q轴分量的稳态值；

将以上电压参考值带入状态空间表达式得相应的初始电流内环参考值表达式：

其中，i_Ldss和i_Lqss分别表示流过滤波器电感电流d轴分量和q轴分量的稳态值；

所述步骤2中，引入一个时变虚拟变量作为负载观测器，取代上式中的负载阻抗值的倒数1/R，从而在无须负载电流传感器的参与的情况下实现对负载电流的实时估测；与此同时，负载端的不确定性，非线性因素以及外界扰动将被负载观测器实时动态补偿，以期实现稳态误差的消除和控制器的高鲁棒性。

考虑到负载电流在一个开关周期中的变化极其微小可忽略；现假定在一个开关周期内，负载电流为常数；基于此合理假定，引入负载观测器后的内环电流参考值对应的一阶导求得：

所述步骤3中，其d轴关于状态变量的误差信号以及负载观测器对应的误差信号构造如下：

基于已定义的关于电感电流，电容电压以及负载观测器的误差信号，包含了以上所有误差信号二次型标量能量函数，即李雅普诺夫能量函数定义如下：

其中，γ是一个人为引入的大于0的控制器参数，用于调节控制器的动态性能；

为了使得受控***大信号渐进稳定，其能量函数应当随时间衰减直到收敛到零；为研究其收敛特性，须先求出其一阶倒数：

结合前述表达式，上式经过适当数学推导表示为：

其中，

α(t)＝-k_de₁ ²-e₂ ²/R

为了使得能量函数的一阶导数在任意时间区间均保持负定，现分别研究α(t)β(t)χ(t)对应的数学表达式。

根据α(t)表达式的二次型负定形式可知，

α(t)＝-k_de₁ ²-e₂ ²/R≤0

其负定特性在任意时间域恒成立；

令β(t)等于零，推导出负载观测器对应的的数学表达式：

令χ(t)等于零，推导出控制律对应的数学表达式：

所述步骤4中，类比d轴负载观测器及其控制律的推导过程，对应的误差信号和q轴李雅普诺夫函数定义如下：

其中，δ是一个人为引入的大于0的控制器参数；

类比d轴推导过程，q轴对应的负载观测器和控制律的表达式分别推导给定：

考虑到q轴电压指令为u_0qss＝0,q轴负载观测器可被省略，同时q轴控制律得到相应简化：

图1为本发明实施例中受控对象三相不间断电源主功率拓扑模型；该模型采用三相全桥两电平结构；直流侧采用650V理想直流电压源供电；逆变器输出端电压接一LC型滤波器，其中电感感值L＝0.1mH,电容容值C＝500μF；滤波器直接与负载端相连；该***的额定频率为50Hz。

图2(a)为本发明实施例中负载观测器和控制器的简化实现框图；(b)为本发明实施例中严格按照负载观测器及其控制律对应的数学表达式搭建的控制框图；该实例研究中，控制器相关参数整定为k_d＝k_p＝500,γ＝50。

图3为本发明实施例中所提出的负载观测器和控制器应用到三相不间断电源在不同工况下的仿真实验结果图；(a)不间断电源带110Ω纯电阻阻性负载启动情形，此时电压指令为(b)在电压指令为的条件下，负载功率从660W纯电阻负载跳变到5.5kW纯电阻负载的情形；；(c)在电压指令为的条件下，负载功率从1.5kW三相整流桥非线性负载跳变到5.5kW非线性负载的情形。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。

Claims (5)

1.一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法，其特征在于它包括如下步骤：

步骤1：根据三相不间断电源主功率拓扑推导出其对应的符合基尔霍夫电压电流定律的状态空间方程，然后利用abc/dq坐标系变换得到其在dq旋转坐标系下的状态空间方程；给出输出电压参考值，将电压指令参考值带入dq坐标系下的状态空间方程，得到初始电流内环指令参考值；

步骤2：引入一个时变虚拟变量作为实时负载观测器，将其替换掉原状态空间方程中的负载阻抗值，从而推导出包含实时负载观测器的电流内环参考值表达式；

步骤3：构造出d轴关于状态变量的误差信号以及负载观测器对应的误差信号，从而构得到包含了所有误差信号标量能量函数，即李雅普诺夫能量函数；对该能量函数求关于时间的一阶导数，通过保证其一阶导数负定的方法推导出负载观测器和控制率的数学表达式；

步骤4：q轴对应的负载观测器和控制律类比d轴推导过程给出；结合q轴电压电流具体参考值发现，q轴负载观测器被省略掉，同时其对应控制律得到相应简化。

2.根据权利要求1所述的一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法，其特征在于：所述步骤1中，dq旋转坐标系下的状态空间方程如下：

其中，E表示直流侧电压,s₁～s₆表示三个桥臂的开关管触发信号,L和C分别表示滤波电感感值和滤波电容容值,R表示负载电阻阻值，μ_d,μ_q分别表示d轴和q轴对应的占空比信号,v_m为输出电压参考值，流过滤波电感的三相电感电流i_La,i_Lb,i_Lc.

假定在电路达到稳态的时候，输出电压实现对电压参考值的无静差跟踪，从而输出电压的d轴和q轴参考值定义如下：

其中，u_0dss和u_0qss分别表示负载电压d轴分量和q轴分量的稳态值；

将以上电压参考值带入状态空间表达式得相应的初始电流内环参考值表达式：

其中，i_Ldss和i_Lqss分别表示流过滤波器电感电流d轴分量和q轴分量的稳态值。

3.根据权利要求1所述的一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法，其特征在于：所述步骤2中，引入一个时变虚拟变量作为负载观测器，取代上式中的负载阻抗值的倒数1/R，从而在无须负载电流传感器的参与的情况下实现对负载电流的实时估测；与此同时，负载端的不确定性，非线性因素以及外界扰动将被负载观测器实时动态补偿，以期实现稳态误差的消除和控制器的高鲁棒性；

考虑到负载电流在一个开关周期中的变化极其微小可忽略；现假定在一个开关周期内，负载电流为常数；基于此合理假定，引入负载观测器后的内环电流参考值对应的一阶导求得：

4.根据权利要求1所述的一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法，其特征在于：所述步骤3中，其d轴关于状态变量的误差信号以及负载观测器对应的误差信号构造如下：

基于已定义的关于电感电流，电容电压以及负载观测器的误差信号，包含了以上所有误差信号二次型标量能量函数，即李雅普诺夫能量函数定义如下：

其中，γ是一个人为引入的大于0的控制器参数，用于调节控制器的动态性能；

为了使得受控***大信号渐进稳定，其能量函数应当随时间衰减直到收敛到零；为研究其收敛特性，须先求出其一阶倒数：

结合前述表达式，上式经过适当数学推导表示为：

其中，

α(t)＝-k_de₁ ²-e₂ ²/R

为了使得能量函数的一阶导数在任意时间区间均保持负定，现分别研究α(t)β(t)χ(t)对应的数学表达式；

根据α(t)表达式的二次型负定形式知，

α(t)＝-k_de₁ ²-e₂ ²/R≤0

其负定特性在任意时间域恒成立；

令β(t)等于零，推导出负载观测器对应的的数学表达式：

令χ(t)等于零，推导出控制律对应的数学表达式：

5.根据权利要求1所述的一种无需负载电流传感器的三相全桥不间断电源控制方法，其特征在于：所述步骤4中，类比d轴负载观测器及其控制律的推导过程，对应的误差信号和q轴李雅普诺夫函数定义如下：

其中，δ是一个人为引入的大于0的控制器参数；

类比d轴推导过程，q轴对应的负载观测器和控制律的表达式分别推导给定：

考虑到q轴电压指令为u_0qss＝0,q轴负载观测器被省略；同时q轴控制律得到相应简化：