三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法，步骤包括：步骤1，采集三相输入电压、电流，并将其进行坐标系的变换；步骤2，计算外环电压环鲁棒变结构控制器的输出；步骤3，计算直轴和交轴电流环控制器输出；步骤4，采用SVPWM调试方法，确定参考空间矢量所在扇区及每个空间矢量的作用时间，确定空间矢量序列，得到各个扇区开关切换时间，在一个周期的相应时刻改变不同开关管的开关状态，便实现了空间矢量调制，将电流控制量输出转换为对应的开关状态，即成。本发明专利技术的控制方法，过程简单，准确性高。

【技术实现步骤摘要】
三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法
本专利技术属于电能变换
，用以提高变换器的对于电路参数(输入电感L，输入电感及电路等效电阻R，输出负载RL)在一定范围内不确定时的鲁棒性，同时提高变换器的动静态性能，具体涉及一种三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法。
技术介绍
电能是现代社会最重要的能源形式，电力电子变换器实现电能变换是电能有效利用的关键装置。电力电子装置多数通过整流器与电网相联，经典的整流器是由二极管或者晶闸管组成的非线性电路，会产生大量电流谐波和无功电流，对电网造成染污，目前，电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。减小谐波污染的主要途径有两种：一是对电网进行谐波补偿，二是对电力电子装置自身进行改进。前者包括对电力系统的无源和有源滤波，后者包括对电力电子装置的无源和有源功率因数校正，是一种更积极的方式，三相电压型功率因数校正变换器(PFC)是一种典型的有源功率因数校正装置。三相电压型功率因数校正变换器(以下简称为三相PWM变换器)有两个功能：一是将三相交流电变换成直流电，并使得输出电压恒定，即实现整流；二是保持从电网获取电能的功率因数接近于1，即实现功率因数校正。三相功率因数校正变换器的后级连接DC-DC变换器将电压变换成负载要求的数值。三相PWM变换器通常采用同步旋转坐标系下双闭环比例积分(PI)控制方法，由于三相PWM整流器实际电路参数，例如输入滤波电感值L，输入滤波电感及电路等效电阻R(简称等效电阻)，负载RL，无法精确获得且可能随着环境温度、负载状况等的变化而变化，采用传统比例积分控制方法难以达到理想的控制效果，需要找到更好的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法，解决了现有技术条件下，在负载扰动和参数不确定情况下传统PI控制方法控制效果变差的问题。本专利技术所采用的技术方案，一种三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法，按照以下步骤实施：步骤1，采集三相输入电压、电流，并将其进行坐标系的变换两相旋转坐标系下输入电流Id及Iq为：两相旋转坐标系下输入电压Ud及Uq为：其中θ＝wt＝100πt为当前时刻输入三相电压的相角；步骤2，计算外环电压环鲁棒变结构控制器的输出，即参考直轴电流值Idref，其表达式如下：其中为电压环鲁棒变结构控制器控制函数，Udc为通过电压霍尔传感器测得输出直流电压，为参数标称值，边界层更新规律为步骤3，计算直轴和交轴电流环控制器输出Urd,Urq，其表达式是：其中边界层更新规律为：其中步骤4，采用SVPWM调试方法，确定参考空间矢量所在扇区及每个空间矢量的作用时间，确定空间矢量序列，4.1)确定空间矢量所在扇区首先将得到的Urd,Urq进行CLARK-PARK反变换转换到abc坐标系下，然后通过比较其abc坐标系下对应关系的大小，确定对应的扇区，其公式为：取Urab＝Ura-Urb,Urbc＝Urb-Urc,Urca＝Urc-Ura，若Urab＞0，则A＝1，否则A＝0，若Urbc＞0，则B＝1，否则B＝0，若Urca＞0，则C＝1，否则C＝0，则有扇区：N＝A+2B+4C，(17)4.2)确定空间矢量作用时间将得到的Urd,Urq进行CLARK反变换到αβ坐标下，然后根据参考矢量在αβ坐标系下的分量，直接计算空间矢量在各个扇区内的作用时间T1及T2，为了方便计算，定义空间矢量作用时间X,Y,Z为：其中Ts＝1/fs＝0.0001为开关载波周期，得到各个扇区两个相邻矢量的空间矢量作用时间T1,T2，用X,Y,Z表示；4.3)确定空间矢量作用序列每个扇区的空间矢量不同，其空间矢量构成的序列也不同，根据不同扇区非零电压矢量和零矢量组成序列的构成顺序，结合计算得到的空间矢量作用时间，能够确定空间矢量比较器的切换点Tcm1,Tcm2,Tcm3，即不同扇区作用于不同开关管S1,S3,S5的高低电平的切换时间，定义切换时间Ta,Tb,Tc为：得到各个扇区开关切换时间，通过上面的切换点，在一个周期的相应时刻改变不同开关管S1,S3,S5的开关状态，便实现了空间矢量调制，将电流控制量输出转换为对应的开关状态，即成。本专利技术的有益效果是，提出了带有鲁棒项的滑模变结构闭环控制算法，采用滑模边界层渐缩来减小控制量的颤振，提高了三相PWM变换器的参数鲁棒性，获得了良好的静动态性能，使得三相PWM变换器在变换器电路参数不确定及负载扰动情况下具有更强的鲁棒性和良好的动静态性能。具体包括：1)在电流环参数存在不确定的情况下，能够提高三相PWM变换器的功率因数；2)在负载突变时，电压扰动更小，恢复更快，性能更好。附图说明图1是本专利技术方法使用的三相电压型功率因数校正变换器原理图；图2是本专利技术方法使用的三相PWM变换器空间矢量图；图3是本专利技术方法在一个扇区内的空间矢量调制波形；图4是本专利技术方法的原理框图；图5是采用本专利技术方法的三相PWM变换器实验观测得到的输入A相电压、电流波形图；图6是采用本专利技术方法的三相PWM变换器实验观测得到的输出直流电压波形图；图7是采用本专利技术方法在负载突变(300欧变化到400欧)情况下三相PWM变换器的输出直流电压及输入A相电流实验结果曲线；图8是采用基于遗传算法优化的传统PI控制方法在负载突变(300欧变化到400欧)情况下三相PWM变换器的输出直流电压及输入A相电流实验结果曲线；图9是采用反馈线性化方法在负载突变(300欧变化到400欧)情况下三相PWM变换器的输出直流电压及输入A相电流实验结果曲线。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术进行进一步的说明。一、本专利技术方法的被控对象采用三相电压型功率因数校正变换器(以下简称为三相PWM变换器)作为被控对象，三相PWM变换器是目前工业及科研中最常用的一种电路拓扑结构，本专利技术控制方法不但应用于三相PWM变换器，还可应用于其他几类三相变换器(例如三相VINEEA型功率因数校正变换器，复合有源箝位软开关三相功率因数校正变换器等)，也可以变换推广到其他拓扑结构中。如图1所示，本专利技术方法使用的三相电压型功率因数校正变换器的结构是，Ua,Ub,Uc三相交流电源对应连接有La,Lb,Lc三相滤波电感，该La,Lb,Lc三相滤波电感分别串联等效电阻R后与三相桥臂的三个中点a、b、c对应连接，三相桥臂的输出端同时与滤波电容C和负载RL并联；三相桥臂采用6个带有反并联二极管的IGBT元件两两串联后再并联而成，六个IGBT元件S1-S6及二极管D1-D6，即每个IGBT的发射极与配对的二极管正极相联，每个IGBT的集电极与配对的二极管负极相联；一侧的三个IGBT(见图1中的S1、S3、S5称为三相桥臂上桥臂)的集电极相联并且同时与滤波电容C的正极相联，另一侧的三个IGBT(见图1中的S2、S4、S6称为三相桥臂下桥臂)的发射极相联且同时与滤波电容C的负极相联。滤波电容C和负载RL的两端直流电压为Udc，滤波电容C与负载RL通过并联用于平滑输出直流电压Udc，根据要求采用空间矢量调制算法控制六个IGBT元件的驱动，实现输入三相交流电压的整流及功率因数的校正。假设三相交流电压分别为Ua,Ub,Uc，滤波电感分别为La＝Lb＝Lc＝L，等效电阻为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，采集三相输入电压、电流，并将其进行坐标系的变换两相旋转坐标系下输入电流Id及Iq为：IdIq=23cosθsinθ-sinθcosθ1-12-12032-32IaIbIc,---(10)]]>两相旋转坐标系下输入电压Ud及Uq为：UdUq=23cosθsinθ-sinθcosθ1-12-12032-32UaUbUc,---(11)]]>其中θ＝wt＝100πt为当前时刻输入三相电压的相角；步骤2，计算外环电压环鲁棒变结构控制器的输出，即参考直轴电流值Idref，其表达式如下：Idref=2Urdc3Sd=2UrdcUdc3(Ud-RId),---(12)]]>其中为电压环鲁棒变结构控制器控制函数，Udc为通过电压霍尔传感器测得输出直流电压，为参数标称值，边界层更新规律为步骤3，计算直轴和交轴电流环控制器输出Urd,Urq，其表达式是：Urd=Ud+L^wIq-RId+L^kdei1-k‾1(Id)sat(S1/φ1)Urq=Uq-L^wId-RIq+L^kqei2-k‾2(Iq)sat(S2/φ2),---(13)]]>其中k‾1(Id)=|L~wIq-R~Id|+L^(β-1)|kd(Id-Idref)|+η-φ.1/βk‾2(Iq)=|-L~wId-R~Iq|+L~(β-1)|kq(Iq-Iqref)|+η-φ.2/β,]]>边界层更新规律为：φ.1+λ1φ1=βk1(Idref)φ.2+λ1φ2=βk2(Iqref),---(14)]]>其中k1(Idref)=|L~wIq-R~Idref|+η,k2(Iqref)=|-L~wId-R~Iqref|+η;]]>步骤4，采用SVPWM调试方法，确定参考空间矢量所在扇区及每个空间矢量的作用时间，确定空间矢量序列，4.1)确定空间矢量所在扇区首先将得到的Urd,Urq进行CLARK‑PARK反变换转换到abc坐标系下，然后通过比较其abc坐标系下对应关系的大小，确定对应的扇区，其公式为：Urα=cosθ·Urd-sinθ·UrqUrβ=-sinθ·Urd+cosθ·Urq,---(15)]]>Ura=UrαUrb=12(3Urβ-Urα)Urc=12(-3Urβ-Urα),---(16)]]>取Urab＝Ura‑Urb,Urbc＝Urb‑Urc,Urca＝Urc‑Ura，若Urab＞0，则A＝1，否则A＝0，若Urbc＞0，则B＝1，否则B＝0，若Urca＞0，则C＝1，否则C＝0，则有扇区：N＝A+2B+4C，   (17)4.2)确定空间矢量作用时间将得到的Urd,Urq进行CLARK反变换到αβ坐标下，然后根据参考矢量在αβ坐标系下的分量，直接计算空间矢量在各个扇区内的作用时间T1及T2，为了方便计算，定义空间矢量作用时间X,Y,Z为：X=3UrβTsUdcY=32UrβTsUdc+32UrαTsUdcZ=32UrβTsUdc-32UrαTsUdc,---(18)]]>其中Ts＝1/fs＝0.0001为开关载波周期，得到各个扇区两个相邻矢量的空间矢量作用时间T1,T2，用X,Y,Z表示如下表3所示：表3，实施例各个扇区两个相邻矢量的空间矢量作用时间N123456T1YZ‑Z‑X‑YXT2‑XYXZ‑Z‑Y4.3)确定空间矢量作用序列每个扇区的空间矢量不同，其空间矢量构成的序列也不同，根据不同扇区非零电压矢量和零矢量组成序列的构成顺序，结合计算得到的空间矢量作用时间，能够确定空间矢量比较器的切换点Tcm1,Tcm2,Tcm3，即不同扇区作用于不同开关管S1,S3,S5的高低电平的切换时间，定义切换时间Ta,Tb,Tc为：Ta=(Ts-T1-T2)/2Tb=Ta+T1/2Tc=Tb+T2/2,---(19)]]>得到各个扇区开关切换时间，通过切换时间Ta,Tb,Tc得到各个扇区开关切换时间如下表4所示，表4，实施例各个扇区开关切换时间通过上面的切换点，在一个周期的相应时刻改变不同开关管S1,S...

【技术特征摘要】
1.一种三相电压型功率因数校正变换器的鲁棒变结构控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，采集三相输入电压Ua,Ub,Uc、电流Ia,Ib,Ic，并将其进行坐标系的变换两相旋转坐标系下输入电流Id及Iq为：两相旋转坐标系下输入电压Ud及Uq为：其中θ＝wt＝100πt为当前t时刻输入三相电压的相角；步骤2，计算外环电压环鲁棒变结构控制器的输出，定义eu＝Udc-Udcref，其中Udc为通过电压霍尔传感器测得输出直流电压，Udcref为输出控制电压期望值，选取滑模面Su＝eu，得到参考直轴电流值Idref，其表达式如下：其中为电压环鲁棒变结构控制器输出，C为电容值；Sd为开关状态Sa,Sb,Sc经坐标变换后得到的d轴开关状态分量；kv为控制参数，且kv＞0；R为电感等效电阻；为参数标称值；为负载标称值；鲁棒项增益其中代表由于负载变化引起的参数不确定范围，η为正常数，φ3为电压环鲁棒变结构控制器边界层厚度，其更新规律为λ2为电压控制滑模层厚度更新规律的时间常数，并且λ2＞0；步骤3，计算直轴和交轴电流环控制器输出Urd,Urq，其表达式是：其中，ei1＝Id-Idref和ei2＝Iq-Iqref分别为直轴和交轴的电流跟踪误差，Iqref为参考交轴电流值，S1＝ei1，S2＝ei2为滑模面；电感L,电感等效电阻R作为不确定参数，其参数标称值分别为及变化范围分别为及kd、kq分别为直轴电流环和交轴电流环控制参数，并且kd＞0、kq＞0；φ1,φ2分别为直轴电流环和交轴电流环鲁棒变结构控制器边界层厚度，鲁棒项增益Lmax和Lmin分别表示电感L的最大值和最小值，φ1,φ2的更新规律为：其中，和分别定义为关于Idref和Iqref的函数，λ1为电流环滑模层厚度更新规律的时间常数，并且λ1＞0；步骤4，采用SVPWM调试方法，确定参考空间矢量所在扇区及每个空间矢量的作用时间，确定空间矢量序列，4.1)确定空间矢量所在扇区首先将得到的Urd,Urq进行CLARK-PARK反变换转换到abc坐标系下，然后通过比较其abc坐标系下对应关系的大小，确定对应的扇区，其公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：任海鹏，郭鑫，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61