一种单相逆变器实用稳定控制方法技术

本发明专利技术提出一种单相逆变器实用稳定控制方法，控制器基于PWM控制下，通过构建离散的无源Lyapunov函数，得到渐进稳定的离散系统，消除切换速率受限的问题；引入端点等价的方法，消除输入有限集的约束，通过求解端点等式，推导出实用稳定性的逆变器电流跟踪控制律，并且推导说明了等面积原理下的PWM意味着实用稳定性。本发明专利技术考虑了切换过程，比PWM方法更加精确；所提供的方法在传统稳定性控制和输入有限集控制之间搭建了桥梁，为传统无输入受限系统的控制方法直接移植到输入受限系统提供了支撑。本发明专利技术在实用稳定性概念下，实现单相逆变器输出电流的高精度跟踪控制，能确保逆变器电流跟踪可行，并且跟踪误差是收敛的。

【技术实现步骤摘要】
一种单相逆变器实用稳定控制方法
本专利技术属于变流器控制领域，具体涉及一种确保单相逆变器电路实用稳定的控制方法。
技术介绍
通过控制开关元件的通断，逆变器能将电流从直流变成交流。现阶段，逆变器在工业领域得到了广泛应用，如光伏并网系统以及交流电机驱动系统等。不稳定的逆变器控制方法会导致逆变失败，轻则影响系统性能，严重的甚至会导致开关元件击穿，威胁生产和生活安全。主要的逆变器控制方法包括比例积分控制(PI)、滑模控制、模型预测控制(MPC)以及智能控制等，这些方法从不同的角度实现逆变器电流的跟踪控制或改善了控制效果。PI以及滑模控制等基于平均值模型的方法在控制器的设计过程中并没有考虑逆变器的输入状态为有限集，开关元件切换对逆变器稳定性的影响并未考虑。智能控制等方法在实验上是可行的，但是一方面实现过程太复杂，另一方面智能算法的稳定性在理论上还有待进一步的研究，离实际使用还有一定的距离。逆变器的MPC控制有考虑输入有限集和开关元件切换速率两个约束，但是其控制算法是通过求解最优问题得到的，不能保证稳定性。为了将稳定性引入MPC，AguileraRP等人于2011年在ProceedingofWorkshopPredictiveControlElectricalDrivesPowerElectronics上发表文章《OnstabilityandperformanceoffinitecontrolsetMPCforpowerconverters》，实现了确保稳定的逆变器MPC控制。其方法将Lyapunov函数作为MPC的代价函数，降低了MPC的灵活性，实用性差。因此，有必要设计一种实用性更强的逆变器稳定控制方法。
技术实现思路
本专利技术通过引入端点等价方程，将输入有限集切换速率受限的逆变器稳定控制问题转化为离散时间稳定控制问题，通过求解该问题，实现了一种逻辑简单、易于实现的单相逆变器实用稳定控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单相逆变器实用稳定控制方法，包括：步骤1，构建单相逆变器控制系统；所述控制系统包括逆变器、驱动器、直流电源电压、控制器及电流传感器；所述控制器的一输入端外接直流电源电压，其输出端输出控制信号至驱动器驱动开关器件动作；所述逆变器的输入端与所述驱动器输出相连接，其输出端输出逆变后的交变电流连接至RL感性负载，并串联电流传感器；电流传感器实时采集电流信号，以固定的采样频率，将电流信号发送至控制器中，进行跟踪控制；步骤2，基于所述控制系统构建系统模型；按照电路的物理特性，构造基于无源性的Lyapunov函数；将采集的电流信号及控制电压利用欧拉前项差分，得到离散控制模型；步骤3，基于所述控制系统和所述系统模型，考虑输入有限集的约束，按照端点等价方法，通过求解端点等式得到占空比，推导出实用稳定性的控制律；将得到的控制律应用到逆变器电流跟踪控制中，使负载电流信号跟踪设定的参考跟踪电流，实现逆变器电流的稳定跟踪。优选的，构造的Lyapunov函数如下：其中，i表示采集的电流；L表示负载电感；R表示负载电阻；表示i的时间导数；u＝sUin为控制电压，Uin为直流电源电压，s表示控制信号，s＝1表示电压正向输入，s＝0表示电路关断，电路中无电压输入，s＝-1表示电压反向输入。优选的，采用欧拉前项差分，将Lyapunov函数进行离散化，得到：其中，i(k)表示k时刻的电流；i(k+1)表示k+1时刻的电流信号；u(k)为k时刻的控制电压，u(k)∈[0,Uin]；Ts表示采样时间；不考虑切换速率受限的约束，由上式推出控制电压的参考值表示为：其中，u*(k)表示k时刻的参考跟踪控制电压；i*(k+1)表示k+1时刻的参考跟踪电流；i*(k)表示k时刻的参考跟踪电流。优选的，令电流跟踪误差△i(k)＝i(k)-i*(k)，控制电压跟踪误差△u(k)＝u(k)-u*(k)，获得如下误差表达式：△i(k+1)＝M△i(k)其中，△u(k)＝αi(k)，α为使M的值小于1的自定义参数。优选的，基于所述控制系统和所述系统模型，考虑输入有限集的约束，按照端点等价方法，通过求解端点等式得到占空比，推导出实用稳定性的控制律，包括：令Ts＝t1+t2，在Ts时间内，控制电压发生一次转变；离散化的Lyapunov函数改写为：其中，i(k,t1+t2)＝i(k+1)，上式合并为：推导出控制律：当系统渐进稳定时，有(i(k)-i*(k))→0，上述控制律表达式简化为：电流的跟踪误差，可以表示为：其中，t∈(0,t1+t2]。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术在单相逆变器的模型下，构建基于无源性的Lyapunov函数，得到离散情况下的稳定控制律；引入端点等价方法，通过求解端点等式得到控制占空比，消除输入为有限集的约束，实现在定频调制下，以占空比为控制输出的逆变器稳定性控制；(2)本专利技术在实用稳定性概念下，实现单相逆变器输出电流的高精度跟踪控制；能确保逆变器电流跟踪可行，并且跟踪误差是收敛的。以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的一种单相逆变器实用稳定控制方法不局限于实施例。附图说明图1为本专利技术所述的单相逆变器控制系统结构框图；图2为本专利技术所述的单相逆变器控制系统拓扑图；图3为本专利技术所述的单相逆变器电流跟踪波形图；图4为本专利技术所述的单相逆变器电流跟踪误差波形图；图5为本专利技术所述的单相逆变器跟踪效果随控制频率f的波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细的描述。相比于常规的逆变器控制方法，本专利技术的控制方法主要从实用稳定性的角度出发，获得符合稳定的控制律，实现逆变器电流跟踪控制。参见图1所示，本专利技术利用逆变器、电流传感器、驱动器等电路模块构建逆变器系统，通过电流传感器获取电路的电流信息，再将电流信号作为反馈添加到控制模型中，根据端点等价方法，推导出PWM控制的逆变器实用稳定控制律，再传至控制器，控制器输出控制信号，传至驱动器，驱动逆变器，实现逆变器电流的准确稳定跟踪。参见图2所示，逆变器控制系统电路主要包括输入的直流电源电压Uin，负载电感L，负载电阻R，四个开关器件VD1-4，开关信号S1-4由控制器给出，再传至驱动器驱动开关器件动作，CS表示电流传感器，i表示采集的负载电流，u为控制器输出的控制电压u＝sUin，其中s为电路导通状态，s＝{1,0,-1}，分别代表正向导通、关断和反向导通。电流传感器采集负载电流，再送入控制器中，控制器基于实用稳定性控制算法，产生驱动信号，将其送至驱动器放大，驱动逆变器动作，实现电流信号的准确跟踪。实用稳定性控制律的具体推导过程，包括如下步骤：步骤1、逆变器系统可描述为：其中，i表示采集的电流；L表示负载电感；R表示负载电阻；表示i的时间导数；u＝sUin为控制电压，Uin为直流电源电压，s表示控制信号，s＝1表示电压正向输入，s＝0表示电路关断，电路中无电压输入，s＝-1表示电压反向输入。式(1)可以写成的形式，其中x为系统状态。设x＝0为系统平衡点，如果找到合适的u＝u(x)，使得：|x(t)|≤β(|x0|,t)+δ(2)其中，δ是一个固定域，β(|x0|,t)是KL函数，x0在定义域D中，那么系统就可以称为实用稳定性系统。步骤2、采用欧拉前项差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相逆变器实用稳定控制方法，其特点在于，包括：步骤1，构建单相逆变器控制系统；所述控制系统包括逆变器、驱动器、直流电源电压、控制器及电流传感器；所述控制器的一输入端外接直流电源电压，其输出端输出控制信号至驱动器驱动开关器件动作；所述逆变器的输入端与所述驱动器输出相连接，其输出端输出逆变后的交变电流连接至RL感性负载，并串联电流传感器；电流传感器实时采集电流信号，以固定的采样频率，将电流信号发送至控制器中，进行跟踪控制；步骤2，基于所述控制系统构建系统模型；按照电路的物理特性，构造基于无源性的Lyapunov函数；将采集的电流信号及控制电压利用欧拉前项差分，得到离散控制模型；步骤3，基于所述控制系统和所述系统模型，考虑输入有限集的约束，按照端点等价方法，通过求解端点等式得到占空比，推导出实用稳定性的控制律；将得到的控制律应用到逆变器电流跟踪控制中，使负载电流信号跟踪设定的参考跟踪电流，实现逆变器电流的稳定跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种单相逆变器实用稳定控制方法，其特点在于，包括：步骤1，构建单相逆变器控制系统；所述控制系统包括逆变器、驱动器、直流电源电压、控制器及电流传感器；所述控制器的一输入端外接直流电源电压，其输出端输出控制信号至驱动器驱动开关器件动作；所述逆变器的输入端与所述驱动器输出相连接，其输出端输出逆变后的交变电流连接至RL感性负载，并串联电流传感器；电流传感器实时采集电流信号，以固定的采样频率，将电流信号发送至控制器中，进行跟踪控制；步骤2，基于所述控制系统构建系统模型；按照电路的物理特性，构造基于无源性的Lyapunov函数；将采集的电流信号及控制电压利用欧拉前项差分，得到离散控制模型；步骤3，基于所述控制系统和所述系统模型，考虑输入有限集的约束，按照端点等价方法，通过求解端点等式得到占空比，推导出实用稳定性的控制律；将得到的控制律应用到逆变器电流跟踪控制中，使负载电流信号跟踪设定的参考跟踪电流，实现逆变器电流的稳定跟踪。2.根据权利要求1所述的单相逆变器实用稳定控制方法，其特征在于，构造的Lyapunov函数如下：其中，i表示采集的电流；L表示负载电感；R表示负载电阻；表示i的时间导数；u＝sUin为控制电压，Uin为直流电源电压，s表示控制信号，s＝1表示电压正向输入，s＝0表示电路关断，电路中无电压输入，s＝-1表示电压反向输入。3.根据权利要求2所述的单相逆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钷，林霞，刘瑞楠，李睿煜，张景瑞，关明杰，
申请(专利权)人：厦门大学，厦门大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：福建,35