CN110880881B - 四桥臂逆变器的电能质量控制方法及其内嵌式重复控制器 - Google Patents

四桥臂逆变器的电能质量控制方法及其内嵌式重复控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内嵌式重复控制器，采用奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器进行重复控制。该内嵌式重复控制器能够有效地降低数据存储量和处理量，与现有PID控制器共同作用，不仅能够有效的抑制各次谐波的扰动，而且可以弥补重复控制本身动态响应能力不足的问题。本发明还提供一种四桥臂逆变器的电能质量控制方法。

Description

四桥臂逆变器的电能质量控制方法及其内嵌式重复控制器
技术领域
本发明涉及逆变器控制技术，尤其涉及一种四桥臂逆变器的电能质量控制方法及其内嵌式重复控制器。
背景技术
作为分布式发电技术应用的重要载体，微电网技术受到了广泛的关注。三相逆变器作为微电网中的关键性接口电路，对微电网的电能质量起到了决定性的作用。然而随着负载复杂度的增加，微电网中的不平衡负载以及非线性负载会对三相逆变器的输出电压的波形质量造成不利影响，引发三相电压不平衡问题以及电压畸变问题。
对于同步旋转坐标系下的四桥臂逆变器而言，无论是不平衡负载还是非线性负载，都会在输出电压中产生呈正弦规律变化的扰动。为了改善四桥臂逆变器在该类负载条件下的电压输出特性，就必须从控制***的角度入手，提高四桥臂逆变器对于负载引起的电压扰动的抑制能力。而传统的PID控制器对正弦规律变化的扰动信号的抑制效果较差，而现有的重复控制器虽然具有高精度的稳态特性，能够解决了控制***中对于负载引入的周期性扰动信号抑制能力不足的问题，但是现有的重复控制器采用的数字内模为
Figure 407129DEST_PATH_IMAGE001
，根据其幅频特性，现有的重复控制器在误差信号的基频及其所有次倍频处（奈奎斯特频率以下）的增益均为无穷大，这种幅频特性保证了它能够对奈式频率以下的所有奇偶次谐波进行无静差跟踪，但是却需要占用重复控制器内2N个数据存储单元，占用了较大的数据存储量和处理量。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种内嵌式重复控制器，能够有效地降低数据存储量和处理量，与现有PID控制器共同作用，不仅能够有效的抑制各次谐波的扰动，而且可以弥补重复控制本身动态响应能力不足的问题。
本发明还提供一种四桥臂逆变器的电能质量控制方法。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种内嵌式重复控制器，采用奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器进行重复控制，其中
所述奇次谐波重复控制器在离散形式下的数学内模如下：
Figure 697296DEST_PATH_IMAGE002
（1）；
所述偶次谐波重复控制器在离散形式下的数学内模如下：
Figure 639844DEST_PATH_IMAGE003
（2）；
在式（1）和式（2）中，
Figure 15462DEST_PATH_IMAGE004
为基波频率，
Figure 436079DEST_PATH_IMAGE005
为采样频率，
Figure 908648DEST_PATH_IMAGE006
为单位基波周期的采样次数。
进一步地，所述奇次谐波重复控制器的离散传递函数如下：
Figure 694202DEST_PATH_IMAGE007
（3）；
在式（3）中，
Figure 619433DEST_PATH_IMAGE008
为重复控制增益量，
Figure 279959DEST_PATH_IMAGE009
为低通滤波模型，
Figure 607035DEST_PATH_IMAGE010
为相位超前补偿模型。
进一步地，若采用奇次谐波重复控制器，则该内嵌式重复控制器的输出量Y（z）与参考量R（z）满足如下公式：
Figure 891386DEST_PATH_IMAGE011
（4）；
且输出量Y（z）与扰动量D（z）满足如下公式：
Figure 241596DEST_PATH_IMAGE012
（5）；
在式（4）和式（5）中，
Figure 4015DEST_PATH_IMAGE013
为PID控制模型，
Figure 123281DEST_PATH_IMAGE014
为被控对象的***模型，
Figure 578533DEST_PATH_IMAGE015
为该内嵌式重复控制器在不考虑所述奇次谐波重复控制器下的闭环传递函数；
该内嵌式重复控制器稳定需满足以下条件：
条件1：该内嵌式重复控制器在不考虑所述奇次谐波重复控制器下本身即为稳定***；
条件2：满足如下公式：
Figure 478356DEST_PATH_IMAGE016
。
进一步地，所述偶次谐波重复控制器的离散传递函数如下：
Figure 982150DEST_PATH_IMAGE017
（6）；
在式（4）中，
Figure 18239DEST_PATH_IMAGE008
为重复控制增益量，
Figure 83540DEST_PATH_IMAGE009
为低通滤波模型，
Figure 470659DEST_PATH_IMAGE010
为相位超前补偿模型。
进一步地，若采用偶次谐波重复控制器，则该内嵌式重复控制器的输出量Y（z）与参考量R（z）满足如下公式：
Figure 574881DEST_PATH_IMAGE018
（7）；
且输出量Y（z）与扰动量D（z）满足如下公式：
Figure 668739DEST_PATH_IMAGE019
（8）；
在式（7）和式（8）中，
Figure 465794DEST_PATH_IMAGE013
为PID控制模型，
Figure 12313DEST_PATH_IMAGE020
为被控对象的***模型，
Figure 185805DEST_PATH_IMAGE021
为该内嵌式重复控制器在不考虑所述偶次谐波重复控制器下的闭环传递函数；
该内嵌式重复控制器稳定需满足以下条件：
条件1：该内嵌式重复控制器在不考虑所述偶次谐波重复控制器下本身即为稳定***；
条件2：满足如下公式：
Figure 134170DEST_PATH_IMAGE016
。
进一步地，该内嵌式重复控制器在不考虑重复控制下的闭环传递函数如下：
Figure 102126DEST_PATH_IMAGE022
（9）。
一种四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，在同步旋转坐标系dq0下，如图3所示，采用电流电压双闭环控制***对四桥臂逆变器输出的d轴信号、q轴信号和0轴信号进行控制；其中，所述电流电压双闭环控制***的d轴解耦和q轴结构的电压外环采用上述的采用偶次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器，所述电流电压双闭环控制***的0轴解耦的电压外环采用上述的采用奇次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器。
进一步地，所述电流电压双闭环控制***的包括：
在不考虑所述内嵌式重复控制器作用的条件下，在连续时间域中对所述电流电压双闭环控制***中的PID控制器参数进行设计，保证所述电流电压双闭环控制***具有较大的相对稳定裕度以及良好的动态特性；
将上一步设计完成的***模型进行离散化，并引入所述内嵌式重复控制器，在保证所述电流电压双闭环控制***稳定的前提下对所述内嵌式重复控制器的参数进行设计。
本发明具有如下有益效果：
本案的奇次谐波重复控制器和偶次谐波重复控制器相较于现有的重复控制器，在算法的实现过程中只需要占用一半数据量的存储空间，且运算量也减少了一半，因此，能够有效地降低数据存储量和处理量。
本案采用奇次谐波重复控制器来控制四桥臂逆变器的d轴信号和q轴信号，采用偶次谐波重复控制器来控制四桥臂逆变器的0轴信号，再与现有的PID控制器共同作用，不仅能够有效的抑制各次谐波的扰动，而且可以弥补重复控制本身动态响应能力不足的问题。
附图说明
图1为本发明提供的奇次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器的架构图；
图2为本发明提供的偶次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器的架构图；
图3为本发明提供的四桥臂逆变器的电能质量控制***的架构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例一
一种内嵌式重复控制器，采用奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器进行重复控制，其中
所述奇次谐波重复控制器在离散形式下的数学内模如下：
Figure 198258DEST_PATH_IMAGE023
（1）；
所述偶次谐波重复控制器在离散形式下的数学内模如下：
Figure 80501DEST_PATH_IMAGE024
（2）；
在式（1）和式（2）中，
Figure 211268DEST_PATH_IMAGE004
为基波频率，
Figure 287808DEST_PATH_IMAGE005
为采样频率，
Figure 871236DEST_PATH_IMAGE006
为单位基波周期的采样次数。
由上述式（1）可知，所述奇次谐波重复控制器的幅频特性仅在基波信号及其奇次倍频信号处具有“无穷大”的增益，因此仅对奇次谐波信号起作用。此外，从上述式（1）可知，相较于现有的重复控制器，所述奇次谐波重复控制器在算法的实现过程中只需要占用一半数据量的存储空间，且运算量也减少了一半，因此，能够有效地降低数据存储量和处理量。
同样的，由上述式（2）可知，所述偶次谐波重复控制器的幅频特性仅在偶次倍频信号处具有“无穷大”的增益，因此仅对偶次谐波信号起作用。此外，上述式（2）中的数学内模的形式与现有的重复控制器非常相似，两者之间只是在z的次数上有所差异，可看作是将现有的重复控制器的基波次数增大一倍，因此，它和式（1）中的奇次谐波重复控制器一样，相较于现有的重复控制器，只需要对一半数据量进行存储和计算。
如图1所示，所述奇次谐波重复控制器包括重复控制增益模块、反向加法环、内模延时模块、低通滤波器模块和相位超前补偿器模块，所述重复控制增益模块的输出端连接所述反向加法环的一输入端，所述反向加法环的输出端连接所述内模延时模块的输入端，所述内模延时模块的输出端连接所述低通滤波器模块的输入端，所述低通滤波器模块的输出端分别连接所述反向加法环的另一输入端和所述相位超前补偿器模块的输入端。
所述奇次谐波重复控制器的离散传递函数如下：
Figure 58635DEST_PATH_IMAGE025
（3）。
如图2所示，所述偶次谐波重复控制器包括重复控制增益模块、第一加法环、内模延时模块、低通滤波器模块和相位超前补偿器模块，所述重复控制增益模块的输出端连接所述第一加法环的一输入端，所述第一加法环的输出端连接所述内模延时模块的输入端，所述内模延时模块的输出端连接所述低通滤波器模块的输入端，所述低通滤波器模块的输出端分别连接所述第一加法环的另一输入端和所述相位超前补偿器模块的输入端。
所述偶次谐波重复控制器的离散传递函数如下：
Figure 43909DEST_PATH_IMAGE026
（6）。
在式（3）和式（6）中，
Figure 353667DEST_PATH_IMAGE008
为重复控制增益量，
Figure 362075DEST_PATH_IMAGE009
为低通滤波模型，
Figure 415481DEST_PATH_IMAGE010
为相位超前补偿模型。
该内嵌式重复控制器还包括减法环、第二加法环、PID控制器模块和第三加法环，所述减法环的输出端分别连接所述奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器的输入端和所述第二加法环的一输入端，所述奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器的输出端连接所述第二加法环的另一输入端，所述第二加法环的输出端连接所述PID控制器模块的输入端，所述PID控制器模块的输出端经被控对象连接所述第三加法环的一输入端，所述第三加法环的输出端连接所述减法环的负输入端；所述减法环的正输入端输入参考信号；所述第三加法环的另一输入端输入扰动信号，输出端输出输出信号。
其中，加法环用于将输入的两个信号相加后输出，反向加法环用于将输入的两个信号反向相加后输出，减法环用于将输入的两个信号相减后输出。
该内嵌式重复控制器若如图1所示采用奇次谐波重复控制器，则其输出量Y（z）与参考量R（z）满足如下公式：
Figure 682691DEST_PATH_IMAGE027
（4）；
且输出量Y（z）与扰动量D（z）满足如下公式：
Figure 163350DEST_PATH_IMAGE028
（5）。
在式（4）和式（5）中，
Figure 393475DEST_PATH_IMAGE013
为PID控制模型，
Figure 250572DEST_PATH_IMAGE014
为被控对象的***模型，
Figure 944859DEST_PATH_IMAGE015
为该内嵌式重复控制器在不考虑所述奇次谐波重复控制器下的闭环传递函数。
该内嵌式重复控制器稳定需满足以下条件：
条件1：该内嵌式重复控制器在不考虑所述奇次谐波重复控制器下本身即为稳定***；
条件2：满足如下公式：
Figure 534103DEST_PATH_IMAGE029
。
该内嵌式重复控制器若如图2所示采用偶次谐波重复控制器，则其输出量Y（z）与参考量R（z）满足如下公式：
Figure 579419DEST_PATH_IMAGE030
（7）；
且输出量Y（z）与扰动量D（z）满足如下公式：
Figure 912312DEST_PATH_IMAGE031
（8）。
在式（7）和式（8）中，
Figure 461105DEST_PATH_IMAGE013
为PID控制模型，
Figure 549147DEST_PATH_IMAGE020
为被控对象的***模型，
Figure 252398DEST_PATH_IMAGE021
为该内嵌式重复控制器在不考虑所述偶次谐波重复控制器下的闭环传递函数；
同样的，该内嵌式重复控制器稳定也许满足以下条件：
条件1：该内嵌式重复控制器在不考虑所述偶次谐波重复控制器下本身即为稳定***；
条件2：满足如下公式：
Figure 185719DEST_PATH_IMAGE032
。
上述两个条件1等价于要求该内嵌式重复控制器的所有特征根都位于单位圆内部。由于条件1的约束不涉及到所述奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器，因此极大地方便了该内嵌式重复控制器的参数整定过程：可以在不考虑所述奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器的条件下，优先对所述PID控制器的参数进行设计，并保证在***稳定的前提下，再完成对所述奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器的参数设计与整定工作。
上述两个条件2则是要求该内嵌式重复控制器保证在奈奎斯特频率以下，T(z)的奈奎斯特曲线始终位于单位圆内部。该内嵌式重复控制器的稳定性判据分别对所述PID控制器和所述奇次谐波重复控制器或偶次谐波重复控制器的参数设计均进行了约束。
得益于在结构方面的相似性，不管采用所述奇次谐波重复控制器，还是采用所述偶次谐波重复控制器，该内嵌式重复控制器无论是在稳定性分析还是在参数整定等方面基本没有太大的差异，因此在实际应用过程中并不会给设计者增加太大的负担。并且所述奇次谐波重复控制器和偶次谐波重复控制器能够分别针对特定频率的谐波进行抑制，充分的利用了对应频段高增益的幅频特性，不仅减小了数据任务量，而且对加快误差收敛速度也能够提供一定的帮助。
该内嵌式重复控制器在不考虑重复控制下的闭环传递函数如下：
Figure 792281DEST_PATH_IMAGE022
（9）。
实施例二
一种四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，在同步旋转坐标系dq0下，如图3所示，采用电流电压双闭环控制***对四桥臂逆变器输出的d轴信号、q轴信号和0轴信号进行控制；其中，所述电流电压双闭环控制***的d轴解耦和q轴结构的电压外环采用实施例一所述的采用偶次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器，所述电流电压双闭环控制***的0轴解耦的电压外环采用实施例一所述的采用奇次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器。
本案根据负载特性对所述四桥臂逆变器的输出电压影响的作用规律，基于重复控制方法并且结合控制***的特点进行相应改进，所述电流电压双闭环控制***的d轴解耦和q轴解耦采用偶次谐波重复控制器对偶次谐波进行抑制，在0轴解耦上采用奇次谐波重复控制器对奇次谐波进行抑制，不仅对各个轴系下呈正弦规律变化的扰动电压进行有效的抑制，解决了所述四桥臂逆变器输出三相电压不平衡以及输出电压畸变问题，而其减小了重复控制算法的数据存储量和处理量，加快了跟踪误差的收敛速度，提高了***的动态性能。
同时，本案将所述电流电压双闭环控制***的各轴解耦上的电压外环采用所述嵌入式重复控制器，嵌入式的结构使得所述嵌入式重复控制器可以与所述电流电压双闭环控制***中的PID控制器共同作用，不仅能够有效的抑制各次谐波的扰动，而且可以弥补重复控制本身动态响应能力不足的问题，以及通过电流内环的作用来加快所述电流电压双闭环控制***的动态调节速度并增强抗扰能力。
如图3所示，忽略调制过程中的延时影响，将调制环节的数学模型简化为比例环节
Figure 51224DEST_PATH_IMAGE033
。
Figure 539974DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 480248DEST_PATH_IMAGE035
分别代表电压调节器和电流调节器，
Figure 3633DEST_PATH_IMAGE036
代表重复控制器。
根据控制框图并结合重复控制***稳定性分析部分的结论，可以将整个控制***的设计工作分为两个步骤：首先，在不考虑所述内嵌式重复控制器作用的条件下，在连续时间域中对所述电流电压双闭环控制***中的PID控制器参数进行设计，保证所述电流电压双闭环控制***具有较大的相对稳定裕度以及良好的动态特性；然后，将上一步设计完成的***模型进行离散化，并引入所述内嵌式重复控制器，在保证所述电流电压双闭环控制***稳定的前提下对所述内嵌式重复控制器的参数进行设计。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，在同步旋转坐标系dq0下，采用电流电压双闭环控制***对四桥臂逆变器输出的d轴信号、q轴信号和0轴信号进行控制；其中，所述电流电压双闭环控制***的d轴解耦和q轴结构的电压外环采用偶次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器，所述电流电压双闭环控制***的0轴解耦的电压外环采用奇次谐波重复控制器的内嵌式重复控制器；其中
所述奇次谐波重复控制器在离散形式下的数学内模如下：
Figure 801378DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
所述偶次谐波重复控制器在离散形式下的数学内模如下：
Figure 93819DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
在式（1）和式（2）中，
Figure 888599DEST_PATH_IMAGE003
为基波频率，
Figure 582886DEST_PATH_IMAGE004
为采样频率，
Figure 234447DEST_PATH_IMAGE005
为单位基波周期的采样次数。
2.根据权利要求1所述的四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，所述奇次谐波重复控制器的离散传递函数如下：
Figure 715982DEST_PATH_IMAGE006
（3）；
在式（3）中，
Figure 111191DEST_PATH_IMAGE007
为重复控制增益量，
Figure 597667DEST_PATH_IMAGE008
为低通滤波模型，
Figure 685709DEST_PATH_IMAGE009
为相位超前补偿模型。
3.根据权利要求2所述的四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，若采用奇次谐波重复控制器，则该内嵌式重复控制器的输出量Y（z）与参考量R（z）满足如下公式：
Figure 952742DEST_PATH_IMAGE010
（4）；
且输出量Y（z）与扰动量D（z）满足如下公式：
Figure 89325DEST_PATH_IMAGE011
（5）；
在式（4）和式（5）中，
Figure 492625DEST_PATH_IMAGE012
为PID控制模型，
Figure 689251DEST_PATH_IMAGE013
为被控对象的***模型，
Figure 443580DEST_PATH_IMAGE014
为该内嵌式重复控制器在不考虑所述奇次谐波重复控制器下的闭环传递函数；
该内嵌式重复控制器稳定需满足以下条件：
条件1：该内嵌式重复控制器在不考虑所述奇次谐波重复控制器下本身即为稳定***；
条件2：满足如下公式：
Figure 180592DEST_PATH_IMAGE015
。
4.根据权利要求1所述的四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，所述偶次谐波重复控制器的离散传递函数如下：
Figure 143125DEST_PATH_IMAGE016
（6）；
在式（4）中，
Figure 572970DEST_PATH_IMAGE007
为重复控制增益量，
Figure 486699DEST_PATH_IMAGE017
为低通滤波模型，
Figure 27402DEST_PATH_IMAGE018
为相位超前补偿模型。
5.根据权利要求4所述的四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，若采用偶次谐波重复控制器，则该内嵌式重复控制器的输出量Y（z）与参考量R（z）满足如下公式：
Figure 670873DEST_PATH_IMAGE019
（7）；
且输出量Y（z）与扰动量D（z）满足如下公式：
Figure 943722DEST_PATH_IMAGE020
（8）；
在式（7）和式（8）中，
Figure 672644DEST_PATH_IMAGE021
为PID控制模型，
Figure 689142DEST_PATH_IMAGE013
为被控对象的***模型，
Figure 187119DEST_PATH_IMAGE022
为该内嵌式重复控制器在不考虑所述偶次谐波重复控制器下的闭环传递函数；
该内嵌式重复控制器稳定需满足以下条件：
条件1：该内嵌式重复控制器在不考虑所述偶次谐波重复控制器下本身即为稳定***；
条件2：满足如下公式：
Figure 129405DEST_PATH_IMAGE015
。
6.根据权利要求3或5所述的四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，该内嵌式重复控制器在不考虑重复控制下的闭环传递函数如下：
Figure 345623DEST_PATH_IMAGE023
（9）。
7.根据权利要求1所述的四桥臂逆变器的电能质量重复控制方法，其特征在于，所述电流电压双闭环控制***的包括：
在不考虑所述内嵌式重复控制器作用的条件下，在连续时间域中对所述电流电压双闭环控制***中的PID控制器参数进行设计，保证所述电流电压双闭环控制***具有较大的相对稳定裕度以及良好的动态特性；
将上一步设计完成的***模型进行离散化，并引入所述内嵌式重复控制器，在保证所述电流电压双闭环控制***稳定的前提下对所述内嵌式重复控制器的参数进行设计。
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