基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法技术

本发明专利技术公开了基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，通过测量电感电流和电容电压的当前控制周期的值，结合预期的直流母线电压值，在所建立的预测模型基础上，直接预测下一控制周期所需要的直通占空比给调制器，在准Z源逆变器的调制策略下输出相应的开关函数给逆变桥，得到固定的开关频率，由于不需对每个开关状态评估估值函数，使得运算量大大减少，不需较高的开关频率即可完成相应的控制；且由于开关函数通过调制器得到，其开关频率固定，可与PI调节器使用相同的调制器；这一控制策略根据当前时刻的电压电流即刻对下一控制周期的状态作出反应，其对系统的动态响应迅速。

【技术实现步骤摘要】
基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法
本专利技术涉及电力电子变流
，具体涉及基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法。
技术介绍
准Z源逆变器由于以单级式变换克服了传统逆变器升压比的限制，且其直通状态不需要死区控制大大简化调试、减小输出侧干扰、提高逆变器系统稳定性。准Z源逆变器通过在传统逆变器的逆变桥中插入直通状态，即同一桥臂的上下两个开关管同时导通，对直流电源的输出电压进行升压。为了得到稳定的交流侧输出电压，准Z源逆变器直流母线电压的控制尤为重要，需控制其在直流电源电压变化时，始终保持稳定，从而使逆变桥变换后的交流输出电压稳定提供给负载或交流电网同步。国内外学者先后针对准Z源逆变器直流母线电压提出了多种控制策略，例如比例-积分(Proportional-integral，PI)控制、模糊控制、滑模控制(Slidingmodecontrol，SMC)、模型预测控制(Modelpredictivecontrol，MPC)等。比例-积分(PI)控制由于控制结构简单、易于实现，是较常用、研究较多的控制策略。学者们先后提出了单环PI控制通过控制准Z源网络电容电压来控制直流母线电压的稳定，或双环PI控制在电容电压中加一级内环比例或PI调节器控制的准Z源电容电流，从而提高整个控制系统的快速性与稳定性。然而，传统的PI控制对调节器参数的依懒性较高，参数的控制作用限制在一定的带宽内，这一带宽需经折中考虑系统响应的快速性和稳定性，当系统运行超出所设计的带宽，整体控制性能将降低，例如系统发散或动态响应减慢。有研究将模糊规则与微分调节器与PI调节器结合，提出了模糊PID(Proportional-integral-differential，PID)控制，以提高控制器的快速性，但却使控制器设计较为复杂。模糊控制、神经网络控制、滑模控制、传统的模型预测控制策略的动态响应快，后两者由于较易于数字实现，近年来有相继较多的学者对此进行研究，例如用滑模控制储能型准Z源逆变器的电容电压、电池电流，以及滑模控制的单相准Z源逆变器并网控制；模型预测控制被用于传统准Z源逆变器、准Z源二极管钳位的三电平逆变器、准Z源级联多电平逆变器等。滑模控制的准Z源逆变器直流母线电压或电容电压控制需对准Z源网络的两个电容电压都进行反馈检测，由于准Z源逆变器的两个电容电压不同，使得硬件成本较高，因此，这一方法较适用于Z源逆变器，因其两个电容的电压相同。传统的模型预测控制实时检测准Z源电感电流、电容电压，通过电路的离散时间模型预测二者下一控制周期的状态，在准Z源逆变器的每个开关函数下，将预测得到的电感电流和电容电压分别与给定参考值进行比较，其中，使二者差值，即估值函数，最小的开关函数将作为下个周期的开关信号，用于控制逆变器。其对动态响应迅速、跟踪性能高，也易于数字实现。然而，其具有开关频率不固定、计算量大的显著不足，因而对功率器件和控制器的要求也较传统PI控制高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，用以解决目前准Z源逆变器直流母线电压的控制需对每个开关状态评估估值函数、需要较高的开关频率、开关频率不固定、计算量大等显著不足的问题。为实现上述目的，本专利技术提供基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，所述控制方法包括：测量准Z源网络当前第k个控制周期的电容C1电压vC1[k]和电感电流iL[k]；经离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式和第k+1个控制周期的电感电流给定值推导公式，结合当前第k个控制周期的直通占空比Dk，预测下个控制周期第k+1个控制周期所需的直通占空比Dk1；进行准Z源逆变器的PWM脉宽调制，从而得到相应的开通和关断脉冲控制准Z源逆变器功率开关S1、S2、S3、S4、S5和S6；使下个控制周期第k+1个控制周期的准Z源逆变器直流母线电感电流平均值和直流母线电压峰值达到参考目标值I*L和V*PN；其中，离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式为公式一：其中，a1＝1-Ts(R+r)/L，a2＝2vC1[k]-vin[k]-RiPN[k]，a3＝vin[k]+RiPN[k]-vC1[k]，Ts表示控制周期，L＝L1＝L2，R和r分别为准Z源网络电容和电感的杂散内阻，vin[k]为第k个控制周期直流电源电压，iPN[k]为直流侧等效电流；及离散预测模型第k+1个控制周期的电感电流给定值推导公式为公式二：其中，C＝C1＝C2，iL[k+1]为Z源逆变器网络电路中第k+1个控制周期的电感电流，Ts表示控制周期，iPN[k]为直流侧等效电流。进一步地，所述离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式公式一由准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式和准Z源网络第k+2个控制周期电感电流离散平均值iL[k+2]推导公式在条件下推导得出；其中，准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式为：准Z源网络第k+2个控制周期电感电流离散平均值iL[k+2]推导公式为：其中，Ts表示控制周期，L＝L1＝L2，R和r分别为准Z源网络电容和电感的杂散内阻，vin[k]为第k个控制周期直流电源电压，iPN[k]为直流侧等效电流。进一步地，所述准Z源网络第k+2个控制周期电感电流离散平均值iL[k+2]推导公式由所述准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式推导得出。进一步地，所述准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式由在第k个控制周期的准Z源电容C1电流表达式和通过欧拉法则获得的准Z源电感电流的导数离散形式表达式推导得出，其中，在第k个控制周期的准Z源电容C1电流表达式为：其中，C＝C1＝C2，Dk，Dk1，…，和Dkn分别为第k，k+1，…，和k+n个控制周期的直通占空比，Ts表示控制周期，在一个控制周期Ts中非直通状态的作用时间为(1-Dkj)Ts，j∈{0,1,…,n}，iPN[k]为直流侧等效电流；通过欧拉法则获得的准Z源电感电流的导数离散形式表达式为：其中，Ts表示控制周期。进一步地，所述在第k个控制周期的准Z源电容C1电流表达式由在直通状态时准Z源电容C1的电流iC1-ST表达式和在非直通状态时准Z源电容C1电流iC1-nST表达式推导得出，其中，在直通状态时准Z源电容C1的电流iC1-ST表达式为：其中，C＝C1＝C2；在非直通状态时准Z源电容C1电流iC1-nST表达式为：其中，C＝C1＝C2，iPN(t)为t时刻直流侧等效电流。进一步地，所述离散预测模型第k+1个控制周期的电感电流给定值推导公式公式二由准Z源网络第k+1个控制周期电容电压离散平均值vC1[k+1]推导公式和准Z源网络第k+2个控制周期电容电压离散平均值vC1[k+2]推导公式在条件下推导得出；其中，准Z源网络第k+1个控制周期电容电压离散平均值vC1[k+1]推导公式为：准Z源网络第k+2个控制周期电容电压离散平均值vC1[k+2]推导公式为：其中，Ts表示控制周期，C＝C1＝C2，iPN[k]为第k个控制周期准Z源逆变器直流侧等效电流，vPN[k+2]为第k+2个本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：测量准Z源网络当前第k个控制周期的电容C1电压vC1[k]和电感电流iL[k]；经离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式和第k+1个控制周期的电感电流给定值推导公式，结合当前第k个控制周期的直通占空比Dk，预测下个控制周期第k+1个控制周期所需的直通占空比Dk1；进行准Z源逆变器的PWM脉宽调制，从而得到相应的开通和关断脉冲控制准Z源逆变器功率开关S1、S2、S3、S4、S5和S6；使下个控制周期第k+1个控制周期的准Z源逆变器直流母线电感电流平均值和直流母线电压峰值达到参考目标值

【技术特征摘要】
1.基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：测量准Z源网络当前第k个控制周期的电容C1电压vC1[k]和电感电流iL[k]；经离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式和第k+1个控制周期的电感电流给定值推导公式，结合当前第k个控制周期的直通占空比Dk，预测下个控制周期第k+1个控制周期所需的直通占空比Dk1；进行准Z源逆变器的PWM脉宽调制，从而得到相应的开通和关断脉冲控制准Z源逆变器功率开关S1、S2、S3、S4、S5和S6；使下个控制周期第k+1个控制周期的准Z源逆变器直流母线电感电流平均值和直流母线电压峰值达到参考目标值和其中，离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式为公式一：其中，a1＝1-Ts(R+r)/L，a2＝2vC1[k]-vin[k]-RiPN[k]，a3＝vin[k]+RiPN[k]-vC1[k]，Ts表示控制周期，L＝L1＝L2，R和r分别为准Z源网络电容和电感的杂散内阻，vin[k]为第k个控制周期直流电源电压，iPN[k]为直流侧等效电流；及离散预测模型第k+1个控制周期的电感电流给定值推导公式为公式二：其中，C＝C1＝C2，iL[k+1]为Z源逆变器网络电路中第k+1个控制周期的电感电流，Ts表示控制周期，iPN[k]为直流侧等效电流。2.根据权利要求1所述的基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述离散预测模型第k+1个控制周期的直通占空比推导公式公式一由准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式和准Z源网络第k+2个控制周期电感电流离散平均值iL[k+2]推导公式在条件下推导得出；其中，准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式为：准Z源网络第k+2个控制周期电感电流离散平均值iL[k+2]推导公式为：其中，Ts表示控制周期，L＝L1＝L2，R和r分别为准Z源网络电容和电感的杂散内阻，vin[k]为第k个控制周期直流电源电压，iPN[k]为直流侧等效电流。3.根据权利要求2所述的基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述准Z源网络第k+2个控制周期电感电流离散平均值iL[k+2]推导公式由所述准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式推导得出。4.根据权利要求3所述的基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述准Z源网络第k+1个控制周期电感电流离散平均值iL[k+1]推导公式由在第k个控制周期的准Z源电容C1电流表达式和通过欧拉法则获得的准Z源电感电流的导数离散形式表达式推导得出，其中，在第k个控制周期的准Z源电容C1电流表达式为：其中，C＝C1＝C2，Dk，Dk1，…，和Dkn分别为第k，k+1，…，和k+n个控制周期的直通占空比，Ts表示控制周期，在一个控制周期Ts中非直通状态的作用时间为(1-Dkj)Ts，j∈{0,1,…,n}，iPN[k]为直流侧等效电流；通过欧拉法则获得的准Z源电感电流的导数离散形式表达式为：其中，Ts表示控制周期。5.根据权利要求4所述的基于直通占空比预测准Z源逆变器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述在第k个控制周期的准Z源电容C1电流表达式由在直通状态时准Z源电容C1的电流iC1-ST表达式和在非直通状态时准Z源电容C1电流iC1-nST表达式推导得出，其中，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钰山，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11