CN110429834A - 一种基于扩张状态观测器的三相整流器滑模控制方法 - Google Patents

一种基于扩张状态观测器的三相整流器滑模控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于扩张观测器的三相整流器滑模控制方法：包括三相整流器主电路，三相整流主电路为：三相电压经过滤波电感L、电阻r及三相桥式整流器实现AC/DC变换，且外部负载与直流侧电容C并行连接；包括对三相桥式整流器进行通断控制的控制器，所述控制器外环为基于扩张状态观测器的电压环，所述控制器内环为采用超螺旋算法的功率环；控制方法的实现过程为：S1三相整流器电路动态模型建立；S2控制器的设计：a)采用超螺旋算法的功率环的设计：b)基于扩张状态观测器的电压环的设计。本控制方法将超螺旋算法及扩张状态观测器应用于三相整流器的控制中，解决可***抖振问题，提高了***鲁棒性和稳定性。

Description

一种基于扩张状态观测器的三相整流器滑模控制方法
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，涉及三相整流器的控制，具体涉及一种基于扩张状态观测器的三相整流滑模控制方法。
背景技术
三相整流器具有功率密度高，电流波动小，响应速度快等优点，使其在工业生产中起着越来越重要的作用，例如智能电网，电动汽车，能源存储***。三相整流器的调制技术，拓扑结构，控制算法的研究已成为电力电子领域的研究热点。滑模控制，预测控制，模糊控制已较好地应用于此种电路拓扑结构中。模糊控制的应用需要长时间的试错过程，适用于***参数未知的情况。预测控制的应用需要保证***有很强的计算能力。但该种控制方法存在高频抖振的问题。
滑模控制有很好的鲁棒性能，它的开关特性天然地适用于功率变换器***的控制，但该种控制方法存在高频抖振的问题。针对高频抖振的问题，研究人员提出过若干解决方法，例如高阶滑模控制。超螺旋算法是二阶滑模控制中的一种特殊应用，对提高***响应速度，***稳态误差有很好的优势。
对于高精度控制的三相整流器，***参数变化及其外部干扰的处理对控制***的性能起着至关重要的作用。提高***抗干扰能力的基本思想是估计***不确定性对***的影响，并设计控制器对其进行补偿。扩张状态控制器(ESO)将***干扰作为***的新的状态变量进行处理，进而对状态进行估计。
经现有技术检索，未检索到与本专利相近技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于扩张状态观测器的三相整流器滑模控制方法，以解决现有技术中的三相整流器控制方法存在抗干扰性能较差、响应速度慢、超调量大的问题。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种基于扩张观测器的三相整流器滑模控制方法，其特征在于：包括三相整流器主电路，三相整流主电路为：三相电压经过滤波电感L、电阻r及三相桥式整流器实现AC/DC变换，且外部负载与直流侧电容C并行连接；包括对三相桥式整流器进行通断控制的控制器，所述控制器外环为基于扩张状态观测器的电压环，所述控制器内环为采用超螺旋算法的功率环；控制方法的实现过程为：
S1建立三相整流器电路动态模型
三相输入电压van,vbn,vcn,三相输入电流ian,ibn,icn,由经典派克变换，{·}αβ＝A{·}abc其中，***动态模型可表示为：
其中
其中：vαβ＝{vα,vβ}T为αβ坐标系下三相电压；iαβ＝{iα,iβ}T为αβ坐标系下三相电流；uαβ＝{uα,uβ}T为αβ坐标系下控制输入；L为滤波电感；C为直流侧滤波电容；r为寄生电阻；vc为直流侧输出电压；RL为负载电阻；
根据定义，有功功率和无功功率可由下式计算
其中p为有功功率，q为无功功率，
将有功功率p和无功功率q写成复数形式
其中，j为数学中虚部的符号。
如果三相电为平衡的，对vs求导可得
其中，ω为三相电电频率。
进而有：
式中，|vs|2为虚数νs的模长，
结合式(3)(4)(6)，可得
式中，Re为取实部运算，Im为取虚部运算。
S2控制器的设计
a)采用超螺旋算法功率环的设计如下：
为使有功功率及无功功率跟随给定值，设计两个滑模面sp,sq，定义如下：
式中：P*有功功率参考值，q*为无功功率参考值。
sp,sq的一阶导数为
令式(9)等于零，可得到控制等效工作点
在等效工作点处，有
根据滑模控制理论，在等效控制点处，控制输入可等效为：
其中，满足以下公式
其中，λi、αi为控制器参数，需在应用中整定；
将式(11)，(12)代入式(9)中可得
又因为
将式(13)代入式(12)中，可得到
用同样的推算方式，可得到
总结上述推导，即得到如下方程：
从上式可以看出，在STA(超螺旋算法)控制律下，sp,sq得到了有效解耦；
b)基于扩张状态观测器电压环的设计：
为调节输出电容电压，采用PI控制器，设计一个ESO(扩张状态观测器)估计干扰，并补偿干扰；通常，滤波电感值L＜＜1，因此表明电流变化速度远大于电压变化速度，在这一条件下，认为p→p*，q→0，根据基尔霍夫电压定律，输出电压动态方程可如下表示：
其中，
定义u＝p*，d(t)＝pload，上式可写为
z1＝z,z2＝d(t),则有
得到一个线性ESO(扩张状态观测器)；
这里β1,β2可由得到，只要β1,β2使得小于0即可，是z1的估计值，是干扰量d(t)的估计值，使得
本发明具有的优点和积极效果：
1.本发明内环采用超螺旋算法，提高了电流的响应能力。
2.本发明在外环采用电压控制，并对外部干扰用扩张状态观测法进行观测，提高了***抗干扰能力。
4、本发明将超螺旋算法及扩张状态观测器应用于三相整流器的控制中，解决可***抖振问题，提高了***鲁棒性和稳定性。
附图说明
图1是本发明中的三相整流器电路结构图；
图2是本发明串级控制结构图；
图3是本发明超螺旋算法示意图；
图4是本发明功率内环结构图；
图5是本发明电压外环结构图；
图6是本发明直流侧输出电压变化图：图中(a)为ESO-based STA控制器下的输出电压变化图；(b)为传统PI控制器下的输出电压变化图；横坐标为时间,纵坐标表示为电压值，单位为(V)；
图7是本发明为有功功率跟踪图：图中(a)为ESO-based STA控制器下的有功功率跟踪图；(b)为传统PI控制器下的有功功率跟踪图；横坐标为时间,纵坐标表示为功率值，单位为(KW)；
图8是本发明为无功功率跟踪图：图中(a)为ESO-based STA控制器下的无功功率跟踪图；(b)为传统PI控制器下的无功功率跟踪图；横坐标为时间,纵坐标表示为功率值，单位为(Var)；
图9是本发明中ESO输出性能曲线图：图中横坐示为时间,纵坐标表示为功率值，单位为(KW)；
图10是本发明有功功率及无功功率误差图：图中横坐示为时间,纵坐标表示为误差值；
图11是本发明相电流ia与电网电压va图：图中(a)为ESO-based STA控制器下的相电流ia与电网电压va图；(b)为传统PI控制器下的相电流ia与电网电压va图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于扩张观测器的三相整流器滑模控制方法，请参见图1-11，其发明点为：实现过程如下：
S1：三相整流器电路动态模型建立
本发明中的三相整流器模型(三相整流器拓扑结构)如图1所示：
三相电压经过滤波电感L及电阻r，三相桥式整流器实现AC/DC(交流-直流)变换，外部负载与直流侧电容C并行连接，***参数如表1所示：
表1***参数
三相输入电压van,vbn,vcn,三相输入电流ian,ibn,icn，由派克变换,{·}αβ＝A{·}abc其中，***动态模型可表示为：
其中
根据定义，有功功率和无功功率可由下式计算
其中p为有功功率，q为无功功率，
将有功功率p和无功功率q写成复数形式
其中，j为数学中虚部的符号。
如果三相电为平衡的，对vs求导可得
其中，ω为三相电电频率。
进而有：
式中，|vs|2为虚数νs的模长，
结合式(3)(4)(6)，可得
式中，Re为取实部运算，Im为取虚部运算。
S2：控制器的设计
a)采用超螺旋算法功率环的设计如下：
为使有功功率及无功功率跟随给定值，设计两个滑模面sp,sq，定义如下：
式中：P*有功功率参考值，q*为无功功率参考值。
sp,sq的一阶导数为
令式(9)等于零，可得到控制等效工作点
在等效工作点处，有
根据滑模控制理论，在等效控制点处，控制输入可等效为：
其中，满足以下公式
其中，λi、αi为控制器参数，需在应用中整定。
将式(11)，(12)代入式(9)中可得
又因为
将式(13)代入式(12)中，可得到
用同样的推算方式，可得到
总结上述推导，即得到如下方程：
从上式可以看出，在STA(超螺旋算法)控制律下，sp,sq得到了有效解耦。
功率环的具体实施模块图如图4所示。
b)基于扩张状态观测器的电压环的设计
为调节输出电容电压，可以用PI控制器。不同类型的干扰，例如参数不确定性和负载突变，都会影响的闭环***的性能。如果控制器没有足够的能力抵抗干扰，***的控制性能将会降低。本设计的控制目标为使输出电容电压能够调节到参考值和***功率因数为1。这要求***对外部干扰快速反应。因此设计一个ESO估计干扰，并补偿干扰。通常，滤波电感值L＜＜1。因此这意味着电流变化速度远大于电压变化速度。在这一条件下，我们可认为p→p*，q→0。根据基尔霍夫电压定律，输出电压动态方程可如下表示：
其中，
定义u＝p*，d(t)＝pload，上式可写为
z1＝z,z2＝d(t),则有
得到一个线性ESO(扩张状态观测器)；
这里β1,β2可由得到，只要β1,β2使得小于0即可，是z1的估计值，是干扰量d(t)的估计值，使得
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于扩张观测器的三相整流器滑模控制方法，其特征在于：包括三相整流器主电路，三相整流主电路为：三相电压经过滤波电感L、电阻r及三相桥式整流器实现AC/DC变换，且外部负载与直流侧电容C并行连接；包括对三相桥式整流器进行通断控制的控制器，所述控制器外环为基于扩张状态观测器的电压环，所述控制器内环为采用超螺旋算法的功率环；控制方法的实现过程为：
S1 建立三相整流器电路动态模型
三相输入电压van,vbn,vcn,三相输入电流ian,ibn,icn,由经典派克变换，{·}αβ＝A{·}abc其中，***动态模型可表示为：
其中
其中：vαβ＝{vα,vβ}T为αβ坐标系下三相电压；iαβ＝{iα,iβ}T为αβ坐标系下三相电流；uαβ＝{uα,uβ}T为αβ坐标系下控制输入；L为滤波电感；C为直流侧滤波电容；r为寄生电阻；vc为直流侧输出电压；RL为负载电阻；
根据定义，有功功率和无功功率可由下式计算
其中p为有功功率，q为无功功率，
将有功功率p和无功功率q写成复数形式
其中，vs＝vα+jvβ，j为数学中虚部的符号
如果三相电为平衡的，对vs求导可得
其中，ω为三相电电频率
进而有：
式中，|vs|2为虚数νs的模长，
结合式(3)(4)(6)，可得
式中，Re为取实部运算，Im为取虚部运算；
S2 控制器的设计
a)采用超螺旋算法功率环的设计如下：
为使有功功率及无功功率跟随给定值，设计两个滑模面sp,sq，定义如下：
式中：P*有功功率参考值，q*为无功功率参考值。
sp,sq的一阶导数为
令式(9)等于零，可得到控制等效工作点
在等效工作点处，有
根据滑模控制理论，在等效控制点处，控制输入可等效为：
其中，满足以下公式
其中，λi、αi为控制器参数，需在应用中整定；
将式(11)，(12)代入式(9)中可得
又因为
将式(13)代入式(12)中，可得到
用同样的推算方式，可得到
总结上述推导，即得到如下方程：
从上式可以看出，在STA控制律下，sp,sq得到了有效解耦；
b)基于扩张状态观测器电压环的设计：
为调节输出电容电压，采用PI控制器，设计一个ESO估计干扰，并补偿干扰；通常，滤波电感值L＜＜1，因此表明电流变化速度远大于电压变化速度，在这一条件下，认为p→p*，q→0，根据基尔霍夫电压定律，输出电压动态方程可如下表示：
其中，
定义u＝p*，d(t)＝pload，上式可写为
z1＝z,z2＝d(t),则有
得到一个线性ESO；
这里β1,β2可由得到，只要β1,β2使得小于0即可，是z1的估计值，是干扰量d(t)的估计值，使得
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