基于擴張狀態(tài)觀測器的三相并網(wǎng)整流器預(yù)測直接功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種=相并網(wǎng)整流器預(yù)測直接功率控制方法，屬于電力電子控制技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 并網(wǎng)連接整流器在工業(yè)生產(chǎn)中起著越來越重要的作用，例如智能電網(wǎng)，電動汽車， 能源存儲系統(tǒng)。對并網(wǎng)連接變換器的調(diào)制技術(shù)，拓撲結(jié)構(gòu)，控制算法的研究已成為電力電子 領(lǐng)域的研究熱點。模糊控制，滑?？刂?，預(yù)測控制已較好地應(yīng)用于此種電路拓撲結(jié)構(gòu)中。模 糊控制適用于系統(tǒng)參數(shù)未知的情況?；？刂朴泻芎玫聂敯粜阅?，它的開關(guān)特性天然地適 用于功率變換器系統(tǒng)的控制，但它的高頻抖振不可抑制，在頻率很高時甚至?xí)瓜到y(tǒng)失去 穩(wěn)定性。預(yù)測控制是處理多變量系統(tǒng)，系統(tǒng)約束和非線性系統(tǒng)的一種非常直觀的方法。雖 然，計算量大是預(yù)測控制發(fā)展的一個巨大的挑戰(zhàn)，但隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理 技術(shù)的快速發(fā)展，運個問題可基本得到解決。因此，預(yù)測控制受到了越來越多的研究者的青 睞。
[0003] 預(yù)測直接功率控制已成為并網(wǎng)連接變換器最受歡迎的一種控制技術(shù)。預(yù)測直接功 率控制結(jié)合了預(yù)測控制和直接功率控制各自的優(yōu)點（響應(yīng)速度快，恒定的開關(guān)頻率）。在預(yù) 測控制部分，利用系統(tǒng)模型預(yù)測電流及功率值，并通過最小化成本函數(shù)選擇一種最優(yōu)的開 關(guān)狀態(tài)。直接功率控制是電力系統(tǒng)中一種廣泛應(yīng)用的控制技術(shù)。外環(huán)主要用于補償直流側(cè) 電壓誤差，內(nèi)環(huán)主要跟蹤瞬時有功功率及無功功率。
[0004] 在現(xiàn)有的技術(shù)中，預(yù)測直接功率控制已應(yīng)用于電力系統(tǒng)的控制中，但此種控制方 法并沒有很好地提高系統(tǒng)的抗干擾性能(魯棒性）。影響系統(tǒng)魯棒性的主要是系統(tǒng)參數(shù)不確 定性及系統(tǒng)外部干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的是提供一種基于擴張狀態(tài)觀測器的=相并網(wǎng)整流器預(yù)測直接功率 控制方法，W解決現(xiàn)有技術(shù)中的=相并網(wǎng)整流器預(yù)測直接功率控制方法存在抗干擾性能較 差、響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大的問題。
[0006 ]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于擴張狀態(tài)觀測器的=相并網(wǎng)整流器預(yù)測直接功率控制方法，所述方法的 實現(xiàn)過程為：
[0008] 步驟一、=相并網(wǎng)整流電路動態(tài)模型的建立：
[0009] 將；相并網(wǎng)整流電路的輸入；相電壓Vab。、輸入S相電流iabcW及控制輸入量(開 關(guān)狀態(tài))UabG分別通過派克變換{ ? }ae = A{ ? }abG，得到地坐標系下Vae、iae、Uae;
[0010] 其中
[0011] =相并網(wǎng)整流電路動態(tài)模型表示為：
[0014]=相并網(wǎng)整流電路的有功功率P和無功功率q由下式計算：
[0017] P，q對時間求導(dǎo)可得
[0020] 式中：iae是S相并網(wǎng)整流電路的電源線電流，Vae是S相并網(wǎng)整流電路的電源線電 壓，Vdc為輸出電容電壓，Uae為控制輸入向量，Rs為寄生電阻，Ls為濾波電感，Rl為負載電阻，W 為電網(wǎng)電壓頻率，"。,3 扣
[0021] 步驟二、設(shè)計控制器：
[0022] 步驟二一、確定控制目標:選擇一種開關(guān)狀態(tài)Uae使得輸出電壓Vd。跟蹤設(shè)定值Vd，控 制有
[0023] 功功率P跟蹤P*和無功功率q跟蹤q*，其中P由電壓調(diào)節(jié)環(huán)產(chǎn)生，q設(shè)定為0, W保證功 率因數(shù)達到1;
[0024] 良P :
[0025] P 一 p*，q一 0 (4)
[0026] Vc 一 Vd (5)
[0027] 步驟二二、控制器構(gòu)建：
[0028] 通過由一個瞬時功率跟蹤回路（內(nèi)循環(huán)）和電壓調(diào)節(jié)環(huán)（外環(huán))組成的串級控制結(jié) 構(gòu)來實現(xiàn)上述控制目標，
[0029] A、功率跟蹤環(huán)控制回路的設(shè)計
[0030] 基于離散時間模型的預(yù)測控制策略來設(shè)計功率跟蹤環(huán)，使得有功功率P和無功功 率q跟蹤對應(yīng)的和
[0031] 電源線電流導(dǎo)數(shù)%由歐拉近似等效，電源線電流導(dǎo)數(shù)等效結(jié)果如下式： 姑
[003引式中，Ts是采樣時間，將式(6)代人(I)式，可得iae(k+l)的表達式
[003引進一步，將(7)代入(2)中，可得 麵])= + …典十1)巧） WA' + U = 1品巧 + 1).知。W
[0037] 在相鄰的采樣間隔中電網(wǎng)電壓可視為常數(shù)，因此Vae化+1) - Vae化）
[0038] k表示當(dāng)前采樣時間；
[0039] 設(shè)計成本函數(shù)g，在=相二電平整流器中，共有8種開關(guān)狀態(tài)，每一種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng) 不同的輸出電壓值，則每一種開關(guān)狀態(tài)下，電路有功功率及無功功率各不相同；使成本函數(shù) 最小的那個開關(guān)狀態(tài)，則此時的P，q最接近他們的
[0040] g= |q*-q化+1) | + |p*-p化+1) I (9)
[0041 ] B、基于ESO(擴張狀態(tài)觀測器)的電壓調(diào)節(jié)環(huán)控制回路的設(shè)計
[0042] 用PI控制器調(diào)節(jié)輸出電容電壓，PI控制器(比例積分控制器)的輸出獲得有功功率 P的參考值P%
[0043] 設(shè)計一個ESO估計干擾W加強S相并網(wǎng)整流電路抗干擾性能，
[0044] 在S相并網(wǎng)整流電路穩(wěn)態(tài)下，（1)式中的第一個式子
等 于0,可得到Vae表達式如下：
[0045] Vap = Uag-Rsiap (10)
[0046] 忽略很小的Rs,則（1)式中的第二個式子
可表示為
[0049] 定義兩個變量
，電壓動態(tài)方程(11)可寫為
[0050] Cz - E - d{f) (12)
[005。式中U = P*, d(t) =Pioad，d(t)為外部干擾；
[0052] 將ESO觀測器加入到電壓調(diào)節(jié)環(huán)中，ESO將S相并網(wǎng)整流電路動的外部干擾視為狀 態(tài)變量，
[0053] 定義 zi = z，Z2 = d(t)，可得
[0054] 巧=0-?
[0055] ~2 = Hf) (13)
[0056] 式中雌)=如)，
[0057] 二 y -焉 + 爲(wèi)(鳴-為）'(14)
[0058] 焉二 _片(氣一二1)
[0059] 至此用式（14)表達線性ES0,用于估計外部干擾；
[0060] 式中扣瓜為兩個系數(shù)，01龍使得式
成立即可，為是Zi的估 計值，聲是干擾量d(t)的估計值，使得緝馬，為</(f) s:s為復(fù)數(shù)頻率。
[0061] =相并網(wǎng)整流電路通過濾波電感Ls接入電網(wǎng)，=相并網(wǎng)整流電路的=相橋式整流 器用于實現(xiàn)交流-直流變換，負載電阻化與直流側(cè)電容C并行連接；
[0062] =相并網(wǎng)整流電路在abc坐標系下的開關(guān)狀態(tài)如下表：
[0064] 本發(fā)明的有益效果是：
[0065] 本發(fā)明方法提高了=相并網(wǎng)整流器的穩(wěn)定性及魯棒性。本發(fā)明的控制由兩個控制 環(huán)組成：電壓調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)，功率跟蹤環(huán)為內(nèi)環(huán)。PI控制器結(jié)合擴張狀態(tài)觀測器組成外環(huán)抵 抗外部干擾?；谙到y(tǒng)離散時間模型的預(yù)測控制構(gòu)成內(nèi)環(huán)W直接控制有功功率及無功功 率。系統(tǒng)(=相并網(wǎng)整流器電路)仿真結(jié)果展示了此本發(fā)明方法控制下，系統(tǒng)輸出電壓調(diào)節(jié) 性能及功率因素有所提高。
[0066] 本發(fā)明在預(yù)測直接功率控制中加入擴張狀態(tài)觀測器，很好地提高了系統(tǒng)的抗干擾 性能及穩(wěn)定性。擴張狀態(tài)觀測器將外部干擾視為一種新的系統(tǒng)狀態(tài)，并用反饋的方式進行 估計補償。此種觀測器已經(jīng)在電力系統(tǒng)的控制中得到了較好的使用，實踐證明，擴張狀態(tài)觀 測器是一種處理系統(tǒng)不確定性及外部干擾的一種十分有效的方式。
[0067] P-DPC控制算法對S相二電平并網(wǎng)連接電路有很好的適用性，當(dāng)在電壓調(diào)節(jié)環(huán)加 入夸張狀態(tài)觀測器，系統(tǒng)抗干擾能力更強。因此，系統(tǒng)輸出電壓能更好地調(diào)節(jié)，系統(tǒng)功率能 快速地跟隨參考值，得到單位功率因數(shù)?？傊?，在P-DPC控制算法中加入夸張狀態(tài)觀測器 化SO)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間更小，對外部干擾敏感度更低。
【附圖說明】
[0068] 圖1是本發(fā)明中的=相并網(wǎng)整流器電路結(jié)構(gòu)圖；圖2是預(yù)測控制過程的流程框圖， 圖3是本發(fā)明的=相并網(wǎng)整流器電路的控制框圖；
[0069] 圖4是直流側(cè)輸出電容電壓變化圖，圖中：（a)為傳統(tǒng)P-DPC控制器下的輸出電容電 壓變化圖，（b)為ESO-based P-DPC控制器下的輸出電容電壓變化圖；橫坐示為時間，縱坐標 表示為電壓值；
[0070] 圖5為功率跟蹤圖，圖中：（a)為ESO-based P-DPC控制器下有功功率跟蹤圖，（b)為 ESO-based P-DPC控制器下無功功率跟蹤圖；橫坐示為時間，縱坐標表示為功率值，單位為 (KW)；
[00川圖6為ESO輸出性能曲線圖；圖中橫坐示為時間，縱坐標表示為功率值，單位為 (KW)；
[0072] 圖7為相電流ia與電網(wǎng)電壓Van圖，圖中：（a)為傳統(tǒng)P-DPC控制器下的相電流ia與電 網(wǎng)電壓Van圖，（b)是ESO-based P-DPC控制器下的相電流ia與電網(wǎng)電壓Van圖；
[0073] 圖8為電流諧波分析圖，圖中：（a)為傳統(tǒng)P-DPC控制器下的電流諧波分析圖，（b)為 ESO-based P-DPC控制器下的電流諧波分析圖。圖中橫坐示為頻率，縱坐標表示為諧波百分 比；
【具體實施方式】
[0074] 結(jié)合圖1~3所示說明本實施方式，本實施方式針對基于擴張狀態(tài)觀測器的=相并 網(wǎng)整流器預(yù)測直接功率控制方法的實現(xiàn)過程，描述如下：
[0075] 本發(fā)明中的S相并網(wǎng)整流器模型(S相并網(wǎng)整流器拓撲結(jié)構(gòu))如圖1所示：
[0076] 系統(tǒng)通過濾波電感Ls連入電網(wǎng)，S相橋式整流器實現(xiàn)AC/DC(交流-直流)變換，外 部負載與直流側(cè)電容C并行連接，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示：
[0077] 表1系統(tǒng)參數(shù) [007 引
[0080]由派克變換，{ . }ae=A{ ? Uc，
[0081 ]其中，
，系統(tǒng)動態(tài)模型可表示為：
[0084] iae是系統(tǒng)線電流，Vae是電源線電壓，V。為輸出電容電壓，Uae為控制輸入向量，系統(tǒng) 在郵坐標系下的開關(guān)狀態(tài)如表2，
[0085] 表2abc坐標系下開關(guān)狀態(tài)及其對應(yīng)的電壓矢量值
[0086]
[0087] 控制目標是選擇一種開關(guān)狀態(tài)Uae使得輸出電壓Vc跟蹤設(shè)定值Vd，同時保持功率因 數(shù)接近1。根據(jù)定義，有功功率和無功