本發(fā)明涉及一種基于三電平boost變換器的的重復(fù)無(wú)差拍控制策略，其中無(wú)差拍控制項(xiàng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入側(cè)電流的快速響應(yīng)，重復(fù)控制項(xiàng)用于消除輸入側(cè)電流穩(wěn)態(tài)誤差，本控制策略適用于大功率ups、功率因數(shù)校正等場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

三電平直流變換器的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，在相同電感電流脈動(dòng)的情況下,開(kāi)關(guān)頻率僅為傳統(tǒng)二電平boost的一半，這便有效解決了一般直流變換器開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)可以優(yōu)化濾波電感的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的二電平boost變換器控制策略已經(jīng)比較成熟，對(duì)于三電平boost變換器，其工作模態(tài)多樣，控制策略較為復(fù)雜。對(duì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制等等。應(yīng)用最為廣泛的要屬傳統(tǒng)的pi控制方法，該方法具有算法簡(jiǎn)單、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是pi控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)與選擇過(guò)程比較繁瑣，設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和水平直接影響到變換器的跟蹤精度、響應(yīng)速度等性能；模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法具有動(dòng)態(tài)性能好、魯棒性高的特點(diǎn)，但是控制策略比較復(fù)雜，對(duì)處理器要求較高；無(wú)差拍控制是采樣控制系統(tǒng)特有的一種控制方式，正常的數(shù)字控制系統(tǒng)一般會(huì)有一或者多拍的延時(shí)，而無(wú)差拍控制的指令信號(hào)通過(guò)電路參數(shù)和合適的電流預(yù)測(cè)方法獲取，可以在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)指令信號(hào)的跟蹤，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但無(wú)差拍控制屬于開(kāi)環(huán)控制，存在穩(wěn)態(tài)誤差，其良好的電流跟蹤效果需要有合適的電流預(yù)測(cè)方案來(lái)保證，沒(méi)有預(yù)測(cè)方案的無(wú)差拍控制實(shí)際為差一拍或差兩拍控制，常用的電流預(yù)測(cè)方案有平推預(yù)測(cè)、重復(fù)預(yù)測(cè)、二階外推插值預(yù)測(cè)以及由以上預(yù)測(cè)方案相結(jié)合的預(yù)測(cè)方法；對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較強(qiáng)是影響無(wú)差拍控制應(yīng)用的另外一大原因，實(shí)際參數(shù)的獲取存在誤差，且隨著外界因素的變化，參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這些因素必然會(huì)影響補(bǔ)償電流的跟蹤精度。重復(fù)控制基于內(nèi)模原理，即如果穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中包含輸入信號(hào)的模型，則該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的無(wú)靜態(tài)誤差跟蹤，重復(fù)控制器對(duì)周期誤差信號(hào)的逐周期累加，使得上一周期的誤差信號(hào)在下一周期復(fù)現(xiàn)，從而可以消除誤差，重復(fù)控制的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，只能消除周期性的誤差信號(hào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，因此重復(fù)控制通常作為一種輔助的控制策略和其他控制策略結(jié)合使用，用以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。將無(wú)差拍控制和重復(fù)控制相結(jié)合，無(wú)差拍控制用于系統(tǒng)的快速響應(yīng)，利用重復(fù)控制器修正無(wú)差拍控制中周期性的控制偏差，從而達(dá)到很好的控制效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種三電平boost變換器重復(fù)無(wú)差拍復(fù)合控制策略，控制三電平boost變換器電感電流值，消除無(wú)差拍控制存在穩(wěn)態(tài)誤差、魯棒性差和重復(fù)控制響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種三電平boost變換器重復(fù)無(wú)差拍復(fù)合控制策略，所述控制策略包括下列步驟：

基于狀態(tài)空間平均法，推導(dǎo)三電平boost變換器占空比對(duì)輸出電流的傳遞函數(shù)；

設(shè)計(jì)無(wú)差拍控制算法，根據(jù)采樣的boost變換器輸入輸出電壓及電感電流，推導(dǎo)出下兩個(gè)控制周期的電感電流預(yù)測(cè)值計(jì)算公式；

讓參考電流等于下兩個(gè)控制周期的電感電流，從而求出當(dāng)前控制周期占空比，保證實(shí)際電流在兩個(gè)控制周期內(nèi)跟蹤上參考電流；

結(jié)合前面推導(dǎo)的三電平boost傳遞函數(shù)，推導(dǎo)重復(fù)控制器傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)重復(fù)控制器，包括周期延時(shí)環(huán)節(jié)及補(bǔ)償環(huán)節(jié)；

將所述無(wú)差拍控制算法嵌入到重復(fù)控制器中，得到三電平boost重復(fù)無(wú)差拍復(fù)合控制策略。

進(jìn)一步地，所述三電平boost變換器占空比對(duì)輸出電流的傳遞函數(shù)如下：

式中，il為電感電流穩(wěn)態(tài)值，d為穩(wěn)態(tài)占空比，l為boost輸入電感，r為輸出負(fù)載等效電阻，其中假設(shè)上下負(fù)載電阻值相等，c為輸出側(cè)上下電容值，其中假設(shè)上下電容值相等。

進(jìn)一步地，所述下兩個(gè)控制周期的電感電流預(yù)測(cè)值計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下：

ilk為當(dāng)前控制周期電流實(shí)際采樣值，為下一控制周期電流預(yù)測(cè)值，ilref為當(dāng)前控制周期電流參考值，為下兩個(gè)控制周期電流預(yù)測(cè)值，ilk+2為下兩個(gè)控制周期電流實(shí)際值，在兩個(gè)控制周期內(nèi)輸入輸出電壓波動(dòng)很小，可以認(rèn)為不變，電流預(yù)測(cè)值可以通過(guò)下面公式算出：

式中，vin為boost輸入電壓，vo為boost輸出電壓，dk-1為上一控制周期占空比，dk為當(dāng)前控制周期占空比，ts為控制周期。

進(jìn)一步地，所述求出當(dāng)前控制周期占空比的過(guò)程如下：

為了使電流在兩個(gè)控制周期后跟蹤上參考電流，令預(yù)測(cè)電流等于參考電流ilref，可以算出當(dāng)前控制周期占空比dk:

進(jìn)一步地，所述重復(fù)控制器傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程如下：

先設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)s(z)＝krz^kf(z)，推導(dǎo)出重復(fù)控制器的傳遞函數(shù)及整個(gè)重復(fù)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

go(z)＝gre(z)g(z)

式中，gre(z)為重復(fù)控制器傳遞函數(shù)，g(z)為被控對(duì)象，go為整個(gè)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，延時(shí)環(huán)節(jié)n等于67，衰減系數(shù)q取0.95，kr為比例系數(shù)，z^k為相位超前補(bǔ)償環(huán)節(jié)，k＝nθ/360,θ為系統(tǒng)相位延遲角，f(z)用來(lái)校正被控對(duì)象，增大系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。

進(jìn)一步地，所述補(bǔ)償環(huán)節(jié)s(z)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要求設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)s(z),f(z)設(shè)計(jì)為二階低通濾波器，通過(guò)連續(xù)域設(shè)計(jì)f(s)參數(shù)，自然角頻率ωn取3000rad/s，阻尼系數(shù)ξ取0.707，可得f(s)的傳遞函數(shù)，對(duì)f(s)進(jìn)行tustin離散化可得到f(z)，其中，f(s)連續(xù)域傳遞函數(shù)為：

f(s)離散域傳遞函數(shù)為：

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1、相較于傳統(tǒng)二電平boost變換器，三電平boost變換器直流電流脈動(dòng)更小，但數(shù)學(xué)模型更為復(fù)雜，本發(fā)明在分析了三電平boost變換器數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了三電平boost變換器的無(wú)差拍控制算法，該算法理論上可以在兩個(gè)控制周期內(nèi)使實(shí)際電流跟蹤上參考電流；

2、在上述三電平boost變換器無(wú)差拍控制基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了重復(fù)控制器，將無(wú)差拍控制嵌入到重復(fù)控制器中，得到三電平重復(fù)無(wú)差拍復(fù)合控制策略，該復(fù)合控制策略不僅具有無(wú)差拍控制的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，同時(shí)由于重復(fù)控制的作用，可以消除無(wú)差拍控制存在的周期穩(wěn)態(tài)誤差。該三電平boost變換器重復(fù)無(wú)差拍控制策略適用于對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要求比較高的大容量直流升壓場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1是三電平boost型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖2(a)是d<0.5時(shí)三電平boost電感電流脈動(dòng)原理圖；

圖2(b)是d>0.5時(shí)三電平boost電感電流脈動(dòng)原理圖；

圖3是boost電感電流無(wú)差拍控制示意圖；

圖4是重復(fù)控制系統(tǒng)控制框圖；

圖5是重復(fù)無(wú)差拍控制系統(tǒng)控制框圖；

圖6是boost電感電流參考值和實(shí)際值。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

一、三電平boost型變換器如圖1所示，兩開(kāi)關(guān)管采用移相控制方式，相位互差180°，根據(jù)占空比d<0.5和d>0.5,變換器共有四種工作模態(tài)，如圖2(a)及圖2(b)所示：

a1)s1導(dǎo)通，s2關(guān)閉，此時(shí)電流經(jīng)s1和c1形成回路；

b1)s1關(guān)閉，s2關(guān)閉，此時(shí)電流經(jīng)c1和c2形成回路；

c1)s1關(guān)閉，s2導(dǎo)通,此時(shí)電流經(jīng)c1和s2形成回路；

d1)s1導(dǎo)通，s2導(dǎo)通，此時(shí)電流經(jīng)s1和s2形成回路；

基于小信號(hào)分析法，對(duì)于每個(gè)工作模態(tài)，分別列出狀態(tài)方程，再進(jìn)行狀態(tài)空間平均，可到boost型變換器狀態(tài)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(fù)載上電阻，r2為下電阻，d為boost穩(wěn)態(tài)占空比,vc1為上電容電壓穩(wěn)態(tài)值，vc2為下電容電壓穩(wěn)態(tài)值，il為電感電流穩(wěn)態(tài)值，和為上下電容電壓擾動(dòng)值，為電感電流擾動(dòng)值，為輸入電壓擾動(dòng)值，為占空比擾動(dòng)值。

根據(jù)上述狀態(tài)方程，可以得到對(duì)輸出電流的傳遞函數(shù)：

上式中，假設(shè)r＝r1＝r2，c＝c1＝c2。

該數(shù)學(xué)模型用于重復(fù)控制器中補(bǔ)償器s(z)的設(shè)計(jì)。

二、設(shè)計(jì)無(wú)差拍控制算法：由于數(shù)字控制的一拍延時(shí)特性，當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算得到的占空比dk只能在下一個(gè)控制周期起作用，因此當(dāng)前時(shí)刻的電流誤差至少需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)控制周期才能消除，如圖3所示：

ilk為當(dāng)前控制周期電流實(shí)際采樣值，為下一控制周期電流預(yù)測(cè)值，ilref為當(dāng)前控制周期電流參考值，為下兩個(gè)控制周期電流預(yù)測(cè)值，ilk+2為下兩個(gè)控制周期電流實(shí)際值，在兩個(gè)控制周期內(nèi)輸入輸出電壓波動(dòng)很小，可以認(rèn)為不變，電流預(yù)測(cè)值可以通過(guò)下面公式算出：

式中，vin為當(dāng)前控制周期輸入電壓，vo為當(dāng)前控制周期輸出電壓，dk為第k控制周期占空比，dk-1為k-1控制周期占空比，ts為控制周期。

為了使電流在兩個(gè)控制周期后跟蹤上參考電流，令預(yù)測(cè)電流等于參考電流ilref，根據(jù)上式可以算出dk:

三、設(shè)計(jì)重復(fù)控制器。

如圖4所示，g(z)為被控對(duì)象，由于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(dòng)，控制周期ts取50us時(shí)，延時(shí)環(huán)節(jié)n約等于67；衰減系數(shù)q根據(jù)文獻(xiàn)，取0.95為宜。

設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)s(z)＝krz^kf(z),其中kr為比例系數(shù)，z^k為相位超前補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用于補(bǔ)償被控對(duì)象的控制延時(shí)，k＝nθ/360,θ為系統(tǒng)相位延遲角；f(z)用來(lái)校正被控對(duì)象，增大系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。重復(fù)控制器的傳遞函數(shù)為：

重復(fù)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

go(z)＝gre(z)g(z)

根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要求設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)s(z),其中f(z)設(shè)計(jì)為二階低通濾波器，通過(guò)連續(xù)域設(shè)計(jì)f(s)參數(shù)，自然角頻率ωn取3000rad/s，阻尼系數(shù)ξ取0.707，可得f(s)的傳遞函數(shù)，對(duì)f(s)進(jìn)行tustin離散化可得到f(z)。

f(s)連續(xù)域傳遞函數(shù)為：

f(s)離散域傳遞函數(shù)：

四、復(fù)合控制策略，如圖5所示，將無(wú)差拍控制嵌入重復(fù)控制當(dāng)中，可得到三電平boost型變換器重復(fù)無(wú)差拍復(fù)合控制策略。

五、用電磁暫態(tài)仿真軟件pscad對(duì)上述復(fù)合控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖6所示為boost電感參考電流和實(shí)際電流波形，可以看出，重復(fù)無(wú)差拍復(fù)合控制具有較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。