适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法，通过拉格朗日插值得到分数阶重复控制器，可以输出指定波动频率的电压，同时能够提高装置动态响应速度和稳态输出精度。加入状态反馈控制用于补偿系统的谐振峰，改善系统性能，且便于重复控制器的设计；重复控制器用于精确跟踪输入信号，实现对指令电压的无差跟踪，和对非指令电压的完全抑制，避免给系统测量引入额外干扰。结合状态反馈控制与重复控制，可以兼顾稳定性和响应速度；且采用重复控制可以对开关器件的死区效应进行补偿，减小死区给整个控制系统带来的不利影响，本发明专利技术能够显著降低PWM逆变器的输出畸变率，提高其对变频、变压指令下的输出精度和响应速度。

【技术实现步骤摘要】
适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法
本专利技术涉及三相PWM逆变器控制领域，特别是一种输出波动频率的三相PWM逆变器的控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，三相PWM逆变器技术已日趋成熟，PWM逆变器主电路从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多电平拓扑电路。常规逆变器通常控制较为简单，采用开环运行也可输出较好的波形，但是当某些高性能输出要求的场合，逆变器开环运行输出性能难以满足精度要求。为提高逆变器输出稳态性能和动态响应速度，全控型三相PWM逆变器的控制策略受到学术界的关注，并开展大量研究工作。当前，工程应用较多的逆变器控制方法主要包括滞环控制、PI控制、比例谐振(PR)控制、无差拍控制、重复控制等方法。滞环控制简单，鲁棒性好，但开关频率不固定，电流纹波大，影响直流侧电压的控制精度；传统PI控制设计简单，易于实现，但无法实现对交流量的无稳态误差跟踪控制；比例谐振(PR)控制器在谐振频率下具有无穷大的增益，可以零稳态误差地跟踪交流参考电流，但由于其仅在一个频率点具有较大增益，无法输出多个频率点的跟踪波形；无差拍控制是基于被控对象精确电路模型的控制算法，具有相应速度快、控制误差小的特点，但是需要对数学模型进行精确的建立，而精确的数学模型往往是难以得到的，另外，控制器为了达成在一个采样周期内消除误差的效果，往往采取非常剧烈的控制动作，当理想模型与实际对应有差异时，这样做不仅达不到效果，反而会引起输出电压的振荡，不利于逆变器的安全稳定运行；重复控制是基于内模原理的控制方法，实际是进行一种逐周期的积分控制，通过对波形误差的逐周期补充，可以在稳态时实现无静差的效果，且当系统具有扰动时，包括非线性负载、死区效应等时，采用重复控制具有很好的抗扰动能力，所以，对PWM逆变器采用重复控制具有较好的输出效果。但是，当某些特殊场合，需要输出频率波动的电压时，传统重复控制方法难以在频率波动的点处具有很好的跟踪效果，输出效果会明显下降，且传统重复控制动态性能不佳，当输出需要突变时，难以满足高性能要求。因此，有必要对输出波动频率下的PWM逆变器的控制策略进行研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法，降低输出畸变率。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法，该方法的具体步骤为：1)依据三相输出电压瞬时值v12、v23、v31，将采集的三相电压信号va、vb、vc经过αβ坐标变换，得到两相静止坐标系下的三相输出电压瞬时值vα和vβ，vα和vβ分别与信号发生器中产生的参考电压信号v*α和v*β进行比较后，将误差信号Δvα和Δvβ传输给改进型重复控制器进行跟踪，产生改进型重复控制器的输入量e(z)；2)将滤波电容电压i1、i2、i3和PWM逆变器输出的三相电压vab、vbc、vca，作为状态反馈控制器的状态量；e(z)经过改进型重复控制器跟踪后产生信号x(z)，送入状态反馈控制器，对系统闭环极点进行配置后，得到状态反馈控制器的输出信号u(z)作为PWM变换器的调制信号；3)由αβ坐标反变换将信号u(z)＝[uaubuc]T转换到三相静止坐标系下，再经过PWM驱动保护电路产生SPWM的调制波信号da、db、dc，控制三相PWM逆变器6个IGBT的关断。步骤1)中，三相电压从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系下的公式为：步骤1)中，改进型重复控制器的设计思路为：改进型重复控制器是基于6k±1次重复控制器的基础上，对传统重复控制器无法在固定采样率的系统中，实现分数阶N进行的改进。改进型6k±1次重复控制器的传递函数为其中kRC是重复控制增益；Q(z)，Gf(z)都是滤波器，用于调节RC性能，提高整个系统的稳定性，其中Q(z)是用于滤除高频扰动，Gf(z)是实现零相位特性并使闭环系统稳定的相位补偿滤波器。当需要输出频率波动的电压时，传统的重复控制极点不能精确地位于需要的频率处。为了改善重复控制的这个缺陷，采用拉格朗日插值法对6k±1次重复控制进行改进。将6k±1次重复控制的用进行代替，其中为进行取整后的数，Δ为小于1的小数。那么Δ可以通过拉格朗日插值法，利用整数拍近似对分数拍进行表示。zΔ的N阶拉格朗日插值公式为其中h(n)为系数，可以表示为步骤2)中，状态反馈控制器采用电容电流反馈，对三相逆变电路进行建模，可以得到状态空间描述如式(5)所示。x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)(5)其中x(k)为状态向量，u(k)为输入向量，A为系数矩阵，B为控制矩阵。三相逆变电路的控制目标是使v12，v23和v31正确跟踪其参考电压varef，vbref和vcref，在各种负载下在均无静态误差。本专利技术加入如式(6)所示的状态反馈控制器，其中，k1和k2为反馈增益，vref(k)为参考输入，h为参考输入系数。u(k)＝[-k1-k2]x(k)+hvref(k)(6)步骤3)中，信号u(z)从两相静止坐标系转换到三相静止坐标系下的公式为：与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术所提的基于状态反馈的改进型重复控制方法能够有效抑制逆变器的谐振峰，带非线性负载时输出畸变率小，动态响应速度快，比不增加状态反馈的重复控制器输出畸变率降低50％的畸变率；本专利技术所提的基于状态反馈的改进型重复控制方法可以实现频率波动电压的输出，并提高了系统整体性能。附图说明图1为本专利技术提出的适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法原理图；图2为本专利技术提出的适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制器的总控制框图；图3为本专利技术提出的改进型重复控制方法的控制框图；图4为使用本专利技术提出的改进型重复控制方法的输出效果图；其中：(a)为PWM逆变器使用改进型重复控制方法带线性负载时，输出1000V时的单相输出电压、输出电流波形示意图；(b)为PWM逆变器使用改进型重复控制方法带非线性负载时,输出1000V时的单相输出电压、输出电流波形示意图；图5为本专利技术一实施例使用传统重复控制控制方法和使用本专利技术提出的改进型重复控制方法使用效果对比图；其中：(a)为PWM逆变器使用传统重复控制器及所提控制方法时，输出电压频率由50Hz突变为48Hz时的输出三相电压波形和A相电压误差波形示意图；(b)为PWM逆变器使用本专利技术提出的改进型重复控制方法时，输出电压频率由50Hz突变为48Hz时的输出三相电压波形和A相电压误差波形示意图。具体实施方式如图1，本专利技术逆变器主电路包括三相电压型PWM逆变器拓扑结构1，LC滤波器2和负载3，其控制系统包括采样模块4、Clark变换模块5、信号发生器模块6、改进型重复控制器7、状态反馈控制器8、Clark逆变换模块9和PWM驱动保护电路10。所述三相电压型PWM逆变器通过所述LC滤波器与所述负载相连；所述负载包括线性负载和非线性负载两种；所述采样模块输入端与所述三相电压型PWM逆变器输出端连接；所述Clark变换器与所述采样模块输出端连接；所述Clark变换器输出端信号三相输出电压瞬时值vα和vβ与所述信号发生器输出的参考电压信号v*α和v*β进行比较并将差值送入所述改进型重复控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)依据三相输出电压瞬时值v12、v23、v31，将采集的三相电压信号va、vb、vc经过αβ坐标变换，得到两相静止坐标系下的三相输出电压瞬时值vα和vβ，vα和vβ分别与信号发生器中产生的参考电压信号v*α和v*β进行比较后，将误差信号Δvα和Δvβ传输给改进型重复控制器进行跟踪，产生改进型重复控制器的输入量e(z)；2)将滤波电容电压i1、i2、i3和PWM逆变器输出的三相电压vab、vbc、vca作为状态反馈控制器的状态量；e(z)经过改进型重复控制器跟踪后产生信号x(z)，送入状态反馈控制器，对系统闭环极点进行配置后，得到状态反馈控制器的输出信号u(z)作为三相PWM逆变器的调制信号；3)由αβ坐标反变换将信号u(z)转换到三相静止坐标系下，再经过PWM驱动保护电路产生SPWM的调制波信号da、db、dc，控制三相PWM逆变器6个IGBT的关断。

【技术特征摘要】
1.一种适用于三相PWM逆变器的改进型重复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)依据三相输出电压瞬时值v12、v23、v31，将采集的三相电压信号va、vb、vc经过αβ坐标变换，得到两相静止坐标系下的三相输出电压瞬时值vα和vβ，vα和vβ分别与信号发生器中产生的参考电压信号v*α和v*β进行比较后，将误差信号Δvα和Δvβ传输给改进型重复控制器进行跟踪，产生改进型重复控制器的输入量e(z)；2)将滤波电容电压i1、i2、i3和PWM逆变器输出的三相电压vab、vbc、vca作为状态反馈控制器的状态量；e(z)经过改进型重复控制器跟踪后产生信号x(z)，送入状态反馈控制器，对系统闭环极点进行配置后，得到状态反馈控制器的输出信号u(z)作为三相PWM逆变器的调制信号；3)由αβ坐标反变换将信号u(z)转换到三相静止坐标系下，再经过PWM驱动保护电路产生SPWM的调制波信号da、db、dc，控制三相PWM逆变器6个IGBT的关断。2.根据权利要求1所述的适用于三相PWM逆变器的改进型重复...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，韩蓉，徐千鸣，丁红旗，何志兴，陈燕东，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43