基于新型复合控制算法的逆变器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于新型复合控制计算的逆变器控制方法，包含以下步骤：三相逆变器系统建立数学模型；多变量分数阶PI预测函数控制设计；离散时间分数阶PID滑模控制设计；控制系统设计，采用双闭环控制结构，其中电流内环采用离散时间分数阶PID滑模控制方法，电压外环采用多变量分数阶PI预测函数控制方法。本发明专利技术具有良好的控制性能及抗干扰能力，有效地改善了三相逆变器系统的输出电压电流波形质量问题。

【技术实现步骤摘要】
基于新型复合控制算法的逆变器控制方法
本专利技术涉及一种逆变器控制方法，特别是一种基于新型复合控制算法的逆变器控制方法。
技术介绍
逆变器作为一种重要的电力电子变换装置，在当今生产生活中占据重要地位。逆变器输出电压电流波形质量是衡量逆变器质量的一项重要指标，也是逆变器控制器的研究关键。详细内容见参考文献[曾正,杨欢,赵荣祥等.多功能并网逆变器研究综述.电力自动化设备,2012,32(8):5-15]。传统逆变器控制多采用PI控制方法，结构简单，易于整定。但随着逆变技术的发展，传统PI控制方法也越来越暴露出其弊端，如跟踪速度慢，控制精度差，没有考虑到电容电感呈现的分数阶特性等等。详细内容见参考文献[DaiYu-xing,WangHuan,ZengGuo-qiang.Doubleclosed-loopPIcontrolofthree-phaseinvertersbybinary-codedextremaloptimization.DigitalObjectIdentifier,2016,4:7621-7632.MeenuSaman,ManithaP.V.,IlangaK.DesignandcontrolofasoftswitchinggridconnectinginverterusingPIcontroller.BienniallnternationalConferenceonPowerandEnergySystems:TowardsSustainableEnergy(PESTSE),2016:1-6.许吉强,卢闻州,吴雷等.低压微电网逆变器并离网平滑切换控制.科学技术与工程,2017,17(9):36-43]。近年来，一些新型控制方法被不断提出。Podlubny教授提出的分数阶PID控制方法，由于额外引入了λ和μ两个自由变量，相比于PID控制具有更强的可调性和灵活性，同时算法简单，易于实现。详细内容见参考文献[PODLUBNYI.Fractionaldifferentialequations.SanDiego:AcademicPress,1999.PODLUBNYI.Fractional-ordersystemsandcontrollers.IEEETransactionsonAutomaticControl,1999,44(1):208-214]。产生于工业生产过程的预测控制算法，汲取了现代控制理论中的优化思想，在滚动的每一步以实时信息进行反馈校正，提高了系统的鲁棒性，符合工业过程控制的实际要求。详细内容见参考文献[HoachTheNguyen,Eun-KyungKim,Ik-PyoKim,etal.Modelpredictivecontrolwithmodulatedoptimalvectorforathree-phaseinverterwithanLCfilter.IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,PP(99):1-1.ChenQi-hong,LuoXiao-ru,ZhangLi-yan,etal.Modelpredictivecontrolforthree-phasefour-leggrid-tiedinverters.DigitalObjectIdentifier,2016,5:2834-2841]。滑模变结构控制由于其滑模面可以根据需要进行设计，且与对象模型及外部扰动无关，具有响应迅速、鲁棒性强、对参数变化及扰动不灵敏、物理实现简单等优点。详细内容见参考文献[SenadHuseinbegovic,BranislavaPerunicic-Draenovic.Discrete-timeslidingmodedirectpowercontrolforthree-phasegridconnectedmultilevelinverter.PowerEngineering,EnergyandElectricalDrives(POWERENG),2013FourthInternationalConference,2013:933-938.苗敬利,黄晓光.抑制无刷直流电机转矩脉动的滑模观测器控制.科学技术与工程,2013,13(32):9683-9686.SajadNaderiLordejaniandMohammadJavadYazdanpanah.Slidingmodepulsewidthmodulationforvoltagecontrolofavoltagesourceinverter.ElectricalEngineering(ICEE),201523rdIranianConference,2015:1642-1646]。基于以上的研究，本文提出一种新型双闭环控制策略。将分数阶PI控制与预测函数控制结合起来，得到分数阶PI预测函数控制(FOPIPFC),应用于电压外环，改善系统的动态响应及抗干扰能力；将分数阶PID控制和离散时间滑模变结构控制结合起来，得到离散时间分数阶PID滑模控制(FOPIDSMC)，应用于电流内环，获得快速的响应速度和良好的控制性能。通过理论和实验证明，该新型复合控制算法兼具优良的稳态和瞬态性能，抗干扰能力强，稳定性好。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于新型复合控制算法的逆变器控制方法，改善三相逆变器系统的输出电压电流波形质量问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于新型复合控制计算的逆变器控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：对三相逆变器系统建立数学模型；步骤二：多变量分数阶PI预测函数控制设计；步骤三：离散时间分数阶PID滑模控制设计；步骤四：控制系统设计，采用双闭环控制结构，其中电流内环采用离散时间分数阶PID滑模控制方法，电压外环采用多变量分数阶PI预测函数控制方法。进一步地，所述步骤一具体为，初始化下列逆变器控制系统的参数：直流母线电压UDC，交流输出电压Uload，频率f；逆变器输出滤波器Cinv，Linv；Dy接线变压器Rtrans，Ltrans；输出滤波器Cgrass；根据电路模型将三相逆变器系统转化为系统动态方程进一步地，所述步骤二具体为，预测函数控制将每一时刻的控制输入看作是若干事先选定的基函数的线性组合，即其中，U(k+i)为k+i时刻的控制向量；μj(k)为基函数加权系数向量；fj(i)为基函数在t＝(k+i)T时刻的取值；J为基函数的阶数；P为预测步长；基于状态空间方程的多变量预测函数控制的基函数选取阶跃函数，则由阶跃函数的性质可知U(k+i)＝U(k)；为最大程度地减少超调，将参考轨迹取为一阶指数形式Yr(k+i)＝c(k+i)-αi[c(k)-Yp(k)]式中：Yr(k+i)为(k+i)时刻的参考轨迹向量；Yp(k)为k时刻的过程实际输出向量；c(k)为k时刻的设定值向量；αi为i时刻的参考轨迹衰减因子，一般取；取状态空间模型由上式易推式中，由于外界干扰及模型失配原因，模型预测输出与过程实际输出之间存在一定的误差，即E(k)＝Yp(k)-Ym(k)在控制系统中，E(k+i)＝E(k)＝Yp(k)-Ym(k)其中，E(k)为k时刻的误差向量，E(k)＝[e1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于新型复合控制计算的逆变器控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：对三相逆变器系统建立数学模型；步骤二：多变量分数阶PI预测函数控制设计；步骤三：离散时间分数阶PID滑模控制设计；步骤四：控制系统设计，采用双闭环控制结构，其中电流内环采用离散时间分数阶PID滑模控制方法，电压外环采用多变量分数阶PI预测函数控制方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于新型复合控制计算的逆变器控制方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一：对三相逆变器系统建立数学模型；步骤二：多变量分数阶PI预测函数控制设计；步骤三：离散时间分数阶PID滑模控制设计；步骤四：控制系统设计，采用双闭环控制结构，其中电流内环采用离散时间分数阶PID滑模控制方法，电压外环采用多变量分数阶PI预测函数控制方法。2.按照权利要求1所述的基于新型复合控制计算的逆变器控制方法，其特征在于：所述步骤一具体为，初始化下列逆变器控制系统的参数：直流母线电压UDC，交流输出电压Uload，频率f；逆变器输出滤波器Cinv，Linv；Dy接线变压器Rtrans，Ltrans；输出滤波器Cgrass；根据电路模型将三相逆变器系统转化为系统动态方程3.按照权利要求1所述的基于新型复合控制计算的逆变器控制方法，其特征在于：所述步骤二具体为，预测函数控制将每一时刻的控制输入看作是若干事先选定的基函数的线性组合，即其中，U(k+i)为k+i时刻的控制向量；μj(k)为基函数加权系数向量；fj(i)为基函数在t＝(k+i)T时刻的取值；J为基函数的阶数；P为预测步长；基于状态空间方程的多变量预测函数控制的基函数选取阶跃函数，则由阶跃函数的性质可知U(k+i)＝U(k)；为最大程度地减少超调，将参考轨迹取为一阶指数形式Yr(k+i)＝c(k+i)-αi[c(k)-Yp(k)]式中：Yr(k+i)为(k+i)时刻的参考轨迹向量；Yp(k)为k时刻的过程实际输出向量；c(k)为k时刻的设定值向量；αi为i时刻的参考轨迹衰减因子，一般取取状态空间模型由上式易推式中，由于外界干扰及模型失配原因，模型预测输出与过程实际输出之间存在一定的误差，即E(k)＝Yp(k)-Ym(k)在控制系统中，E(k+i)＝E(k)＝Yp(k)-Ym(k)其中，E(k)为k时刻的误差向量，E(k)＝[e1(k)e2(k)…eN(k)]，en(k)表示第n个模型输出与过程输出之间的误差，n＝1,2,…,N；Yp(k)为k时刻的过程实际输出向量；Ym(k)为k时刻的模型预测输出向量；经修正，未来P时刻预测模型Ym(k+P)＝Ym(k+P)+E(k+P)；将目标函数与分数阶PI结合J＝min{[Kp△Ep(k)TQ△Ep(k)+KaEp(k)TQEp(k)]+U(k)TRU(k)}式中，Q、R分别为误差加权因子和控制量加权因子，且为正定矩阵；Kp为比例系数矩阵，Ka为积分系数矩阵，Ka＝KiD-λ，Ki为积分系数矩阵，D-λ为分数阶积分因子，λ为分数阶积分参数；E(k)为预测误差，△E(k)为预测误差增量；根据前式可知，控制矩阵其中，由控制时域M＝1，得此外，还有Ep(k)＝[E(k+1)TE(k+2)T…E(k+P)T]T，△Ep(k)＝[△E(k+1)T△E(k+1)T…△E(k+P)T]T；因为(k+i)时刻的误差可表示为式中，所以，式中，D(k)＝[D1(k)TD2(k)T…Dp(k)T]T，同时，△Ep＝△D(k)+G△U(k)，令得μ＝La+Lb+Lc式中，其中，Fn＝[f1(i)f2(i)…fJ(i)]，i＝1,2,…,P-1；q-1为后移算子,△...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟，魏妙，周成杰，王心，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32