一種三電平Boost變換器重複無差拍複合控制策略的製作方法
2023-06-03 01:30:06
本發明涉及一種基於三電平boost變換器的的重複無差拍控制策略，其中無差拍控制項實現對輸入側電流的快速響應，重複控制項用於消除輸入側電流穩態誤差，本控制策略適用於大功率ups、功率因數校正等場合。
背景技術：
三電平直流變換器的優點是開關管的電壓應力為輸入直流電壓的一半，在相同電感電流脈動的情況下,開關頻率僅為傳統二電平boost的一半，這便有效解決了一般直流變換器開關管電壓應力過高的問題，同時可以優化濾波電感的設計。傳統的二電平boost變換器控制策略已經比較成熟，對於三電平boost變換器，其工作模態多樣，控制策略較為複雜。對變換器的控制有多種方法，包括pi(比例積分)控制、模糊控制、神經網絡控制、無差拍控制、重複控制等等。應用最為廣泛的要屬傳統的pi控制方法，該方法具有算法簡單、控制效果好等優點，但是pi控制器的參數設計與選擇過程比較繁瑣，設計者的經驗和水平直接影響到變換器的跟蹤精度、響應速度等性能；模糊控制、神經網絡控制等現代控制方法具有動態性能好、魯棒性高的特點，但是控制策略比較複雜，對處理器要求較高；無差拍控制是採樣控制系統特有的一種控制方式，正常的數字控制系統一般會有一或者多拍的延時，而無差拍控制的指令信號通過電路參數和合適的電流預測方法獲取，可以在一個控制周期內實現指令信號的跟蹤，動態響應快，但無差拍控制屬於開環控制，存在穩態誤差，其良好的電流跟蹤效果需要有合適的電流預測方案來保證，沒有預測方案的無差拍控制實際為差一拍或差兩拍控制，常用的電流預測方案有平推預測、重複預測、二階外推插值預測以及由以上預測方案相結合的預測方法；對系統參數依賴性較強是影響無差拍控制應用的另外一大原因，實際參數的獲取存在誤差，且隨著外界因素的變化，參數會發生變化，這些因素必然會影響補償電流的跟蹤精度。重複控制基於內模原理，即如果穩定的閉環控制系統中包含輸入信號的模型，則該系統可以實現對輸入信號的無靜態誤差跟蹤，重複控制器對周期誤差信號的逐周期累加，使得上一周期的誤差信號在下一周期復現，從而可以消除誤差，重複控制的缺點也是顯而易見的，只能消除周期性的誤差信號，動態響應慢，因此重複控制通常作為一種輔助的控制策略和其他控制策略結合使用，用以消除系統穩態誤差。將無差拍控制和重複控制相結合，無差拍控制用於系統的快速響應，利用重複控制器修正無差拍控制中周期性的控制偏差，從而達到很好的控制效果。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種三電平boost變換器重複無差拍複合控制策略，控制三電平boost變換器電感電流值，消除無差拍控制存在穩態誤差、魯棒性差和重複控制響應速度慢的問題。
本發明的目的可以通過採取如下技術方案達到：
一種三電平boost變換器重複無差拍複合控制策略，所述控制策略包括下列步驟：
基於狀態空間平均法，推導三電平boost變換器佔空比對輸出電流的傳遞函數；
設計無差拍控制算法，根據採樣的boost變換器輸入輸出電壓及電感電流，推導出下兩個控制周期的電感電流預測值計算公式；
讓參考電流等於下兩個控制周期的電感電流，從而求出當前控制周期佔空比，保證實際電流在兩個控制周期內跟蹤上參考電流；
結合前面推導的三電平boost傳遞函數，推導重複控制器傳遞函數，設計重複控制器，包括周期延時環節及補償環節；
將所述無差拍控制算法嵌入到重複控制器中，得到三電平boost重複無差拍複合控制策略。
進一步地，所述三電平boost變換器佔空比對輸出電流的傳遞函數如下：
式中，il為電感電流穩態值，d為穩態佔空比，l為boost輸入電感，r為輸出負載等效電阻，其中假設上下負載電阻值相等，c為輸出側上下電容值，其中假設上下電容值相等。
進一步地，所述下兩個控制周期的電感電流預測值計算公式的推導過程如下：
ilk為當前控制周期電流實際採樣值，為下一控制周期電流預測值，ilref為當前控制周期電流參考值，為下兩個控制周期電流預測值，ilk+2為下兩個控制周期電流實際值，在兩個控制周期內輸入輸出電壓波動很小，可以認為不變，電流預測值可以通過下面公式算出：
式中，vin為boost輸入電壓，vo為boost輸出電壓，dk-1為上一控制周期佔空比，dk為當前控制周期佔空比，ts為控制周期。
進一步地，所述求出當前控制周期佔空比的過程如下：
為了使電流在兩個控制周期後跟蹤上參考電流，令預測電流等於參考電流ilref，可以算出當前控制周期佔空比dk:
進一步地，所述重複控制器傳遞函數的推導過程如下：
先設計補償環節s(z)＝krzkf(z)，推導出重複控制器的傳遞函數及整個重複控制系統的開環傳遞函數為：
go(z)＝gre(z)g(z)
式中，gre(z)為重複控制器傳遞函數，g(z)為被控對象，go為整個控制系統開環傳遞函數，延時環節n等於67，衰減係數q取0.95，kr為比例係數，zk為相位超前補償環節，k＝nθ/360,θ為系統相位延遲角，f(z)用來校正被控對象，增大系統的穩定裕度。
進一步地，所述補償環節s(z)設計過程如下：
根據系統的動態性能和穩態性能要求設計補償環節s(z),f(z)設計為二階低通濾波器，通過連續域設計f(s)參數，自然角頻率ωn取3000rad/s，阻尼係數ξ取0.707，可得f(s)的傳遞函數，對f(s)進行tustin離散化可得到f(z)，其中，f(s)連續域傳遞函數為：
f(s)離散域傳遞函數為：
本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果：
1、相較於傳統二電平boost變換器，三電平boost變換器直流電流脈動更小，但數學模型更為複雜，本發明在分析了三電平boost變換器數學模型基礎上，推導了三電平boost變換器的無差拍控制算法，該算法理論上可以在兩個控制周期內使實際電流跟蹤上參考電流；
2、在上述三電平boost變換器無差拍控制基礎上，設計了重複控制器，將無差拍控制嵌入到重複控制器中，得到三電平重複無差拍複合控制策略，該複合控制策略不僅具有無差拍控制的快速動態響應速度，同時由於重複控制的作用，可以消除無差拍控制存在的周期穩態誤差。該三電平boost變換器重複無差拍控制策略適用於對控制系統動態性能和穩態性能要求比較高的大容量直流升壓場合。
附圖說明
圖1是三電平boost型變換器拓撲結構；
圖2(a)是d0.5時三電平boost電感電流脈動原理圖；
圖3是boost電感電流無差拍控制示意圖；
圖4是重複控制系統控制框圖；
圖5是重複無差拍控制系統控制框圖；
圖6是boost電感電流參考值和實際值。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例
下面將結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
一、三電平boost型變換器如圖1所示，兩開關管採用移相控制方式，相位互差180°，根據佔空比d0.5,變換器共有四種工作模態，如圖2(a)及圖2(b)所示：
a1)s1導通，s2關閉，此時電流經s1和c1形成迴路；
b1)s1關閉，s2關閉，此時電流經c1和c2形成迴路；
c1)s1關閉，s2導通,此時電流經c1和s2形成迴路；
d1)s1導通，s2導通，此時電流經s1和s2形成迴路；
基於小信號分析法，對於每個工作模態，分別列出狀態方程，再進行狀態空間平均，可到boost型變換器狀態方程：
式中，l為boost濾波電感，c為boost輸出上下電容值，r1為boost輸出負載上電阻，r2為下電阻，d為boost穩態佔空比,vc1為上電容電壓穩態值，vc2為下電容電壓穩態值，il為電感電流穩態值，和為上下電容電壓擾動值，為電感電流擾動值，為輸入電壓擾動值，為佔空比擾動值。
根據上述狀態方程，可以得到對輸出電流的傳遞函數：
上式中，假設r＝r1＝r2，c＝c1＝c2。
該數學模型用於重複控制器中補償器s(z)的設計。
二、設計無差拍控制算法：由於數字控制的一拍延時特性，當前時刻計算得到的佔空比dk只能在下一個控制周期起作用，因此當前時刻的電流誤差至少需要經過兩個控制周期才能消除，如圖3所示：
ilk為當前控制周期電流實際採樣值，為下一控制周期電流預測值，ilref為當前控制周期電流參考值，為下兩個控制周期電流預測值，ilk+2為下兩個控制周期電流實際值，在兩個控制周期內輸入輸出電壓波動很小，可以認為不變，電流預測值可以通過下面公式算出：
式中，vin為當前控制周期輸入電壓，vo為當前控制周期輸出電壓，dk為第k控制周期佔空比，dk-1為k-1控制周期佔空比，ts為控制周期。
為了使電流在兩個控制周期後跟蹤上參考電流，令預測電流等於參考電流ilref，根據上式可以算出dk:
三、設計重複控制器。
如圖4所示，g(z)為被控對象，由於直流輸入電壓為三相整流器輸出，具有6脈波300hz的周期擾動，控制周期ts取50us時，延時環節n約等於67；衰減係數q根據文獻，取0.95為宜。
設計補償環節s(z)＝krzkf(z),其中kr為比例係數，zk為相位超前補償環節，用於補償被控對象的控制延時，k＝nθ/360,θ為系統相位延遲角；f(z)用來校正被控對象，增大系統的穩定裕度。重複控制器的傳遞函數為：
重複控制系統開環傳遞函數為：
go(z)＝gre(z)g(z)
根據系統的動態性能和穩態性能要求設計補償環節s(z),其中f(z)設計為二階低通濾波器，通過連續域設計f(s)參數，自然角頻率ωn取3000rad/s，阻尼係數ξ取0.707，可得f(s)的傳遞函數，對f(s)進行tustin離散化可得到f(z)。
f(s)連續域傳遞函數為：
f(s)離散域傳遞函數：
四、複合控制策略，如圖5所示，將無差拍控制嵌入重複控制當中，可得到三電平boost型變換器重複無差拍複合控制策略。
五、用電磁暫態仿真軟體pscad對上述複合控制策略進行仿真驗證，如圖6所示為boost電感參考電流和實際電流波形，可以看出，重複無差拍複合控制具有較好的動態性能和穩態性能。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。