基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法。該控制方法基于滯環(huán)比較跟蹤控制理論，應(yīng)用于兩電平逆變器輸出電流的控制及其數(shù)字方案的實施。所述方案可以在線預(yù)測采樣周期，實現(xiàn)最小采樣頻率，通過一種實時的“預(yù)測?校正”算法，固定電力電子器件的開關(guān)頻率。本發(fā)明的控制方法響應(yīng)速度快、跟蹤精度高、系統(tǒng)魯棒性好，同時降低了硬件設(shè)備的采樣頻率需求，具有實際的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】
基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于變流器控制研究領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于采樣周期在線預(yù)測的固定開 關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著電能在社會生產(chǎn)中起到愈加重要的作用，電力電子技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用。電 力電子變流器采用可控的開關(guān)器件，其性能受到相關(guān)控制技術(shù)的影響，對變流器的控制技 術(shù)的研究受到關(guān)注。
[0003] W絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)為代表的全控型器件在變流器中大量得W應(yīng)用，脈 沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。滯環(huán)控制方式是一種常用的pmi跟蹤控制技 術(shù)，滯環(huán)控制器實時反饋輸出電流和指令電流偏差值，將其結(jié)果和滯環(huán)環(huán)寬作為比較器的 輸入，通過比較結(jié)果控制偏差值超越環(huán)寬時，切換主電路功率開關(guān)，調(diào)節(jié)輸出電流誤差始終 小于滯環(huán)環(huán)寬。相比較其他控制方式，滯環(huán)控制器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、限流特性好，廣泛應(yīng) 用于變流器控制當(dāng)中。
[0004] 傳統(tǒng)滯環(huán)跟蹤控制算法采用固定環(huán)寬，電力電子開器件的開關(guān)頻率始終在一較大 范圍內(nèi)波動，從而造成開關(guān)過程中的損耗增加，開關(guān)引起的諧波難W有效濾除，因而開關(guān)頻 率固定的滯環(huán)跟蹤控制算法受到關(guān)注。當(dāng)滯環(huán)控制應(yīng)用于數(shù)字電路時，需通過大量過采樣 減小控制誤差，因而需要硬件電路具有較高的采樣頻率，該方案的控制精度很大程度上決 定于采樣電路性能。
[0005] 相關(guān)文獻(xiàn)：
[0006] [l]S.Srikanthan,M.K.Mishra,R.K.V.Rao,"Improved hysteresis current control of three-level inverter for distribution static compensator application,"lET Power Electron.,vol.2,no.5,pp.517-526,Nov.2009.
[0007] [2]C.N.Ho,V.S.P.Cheung,H.S.畑ung,"Constant-Frequency Hysteresis Current Control of Grid-Connected VSI Without Bandwidth ControlIEEE Trans.Power Electron.,vol.24,no.11,pp.2484-2495,Nov.2009.
[0008] [3]R.Ramchand,K.K.Gopakumar,C.Patel,K.K.Sivakumar,and etc., "Online computation of hysteresis boundary for constant switching frequency current- error space-vector-based hysteresis controller for VSI-Fed IM drivesIEEE Trans.Power Electron.,vol.27,no.3,pp.1521-1529,Mar.2012.
[0009] [4]W.Stefanutti'P.Mattavelli,"Fully Digital Hysteresis Modulation With Switching Time PredictionIEEE Trans.Ind.Appl.,vol.42,no.3,pp.763-769, May/June2006.
[0010] [5]R.Davoodnezhad'D.G.Holmes,B.P.McGrath,"A Fully Digital Hysteresis Current Controller for Current Regulation of Grid Connected PV Inverters," IEEE Power Electronics for Distributed Generation Systems(PEDG),2014 IEEE 5th International Symposium on,Galway,pp.1-8,June.2014.
[0011] [6]D.G.Holmes,R.Davoodnezhad,B.P.McGrath,"An Improved Three-曲ase Variable-Band Hysteresis Current RegulatorIEEE Trans . Power Electron ., vol.28,no.1,卵.441-450,Jan.2013.
[0012] [7]R.Davoodnezhad,D.G. Holmes ,B.P.McGrath ,"A Novel Three-Level Hysteresis Current Regulation Strategy for Three-Phase Three-Level InvertersIEEE Trans.Power Electron.,vol.29,no.11,pp.6100-6109,Nov.2014.
[0013] [8]M.Mohseni,S.M.Islam,"A new vector-based hysteresis current control scheme for three-phase PWM voltage-source inverters IEEE Trans . Power Electron.,vol.25,no.9,pp.2299-2309, Sept.2010.
[0014] [9]H.Mao,X.Yang,Z.Qien and Z.Wang, "A Hysteresis Current Conholler for Single-Phase Three-Level Voltage Source InvertersIEEE Trans . Power Electron.,vol.27,no.7,pp.3330-3339,July 2012.
[0015] [10]S.Buso,S.Fasolo,L.Malesani,and P.Mattavelli,"A dead-beat adaptive hysteresis current controlIEEE Trans. Ind. Appl. , vol. 36 ,no. 4 ,pp. 1174-1180, Jul./Aug.2000.

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0016] 本發(fā)明的目的在于改進(jìn)變流器的PWM控制技術(shù)，提出一種基于采樣周期在線預(yù)測 的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法。該方法基于滯環(huán)比較跟蹤控制理論，通過一種實時的 "預(yù)測-校正"策略，在線預(yù)測采樣周期和滯環(huán)環(huán)寬，實現(xiàn)最小采樣頻率及電力電子器件的開 關(guān)頻率恒定。
[0017]為達(dá)至化述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0018] 基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法，包括W下步驟：
[0019] 1)獲取逆變器輸出電流的指令值，采樣電網(wǎng)當(dāng)前的瞬時電壓e(t)和逆變器的瞬時 輸出電流i。；
[0020] 2)根據(jù)步驟1)得到的采樣結(jié)果，設(shè)定期望的開關(guān)頻率，預(yù)測下一周期的電流變化 速率，計算由設(shè)定開關(guān)頻率決定的滯環(huán)環(huán)寬B(t);
[0021] 3)根據(jù)步驟1)中獲取的輸出電流指令值和步驟2)中計算的滯環(huán)環(huán)寬，計算下一周 期的滯環(huán)邊界B并作記錄；
[0022] 4)由步驟3)得到的結(jié)果預(yù)測開關(guān)動作時間Tswitch和下一周期采樣時間Tsample;
[0023] 5)設(shè)定一個容許誤差闊值ierr_th，計算當(dāng)前輸出電流誤差；
[0024] 6)由輸出電流誤差和容許誤差闊值確定是否需要誤差校正，根據(jù)當(dāng)前輸出電流和 上周期滯環(huán)邊界值，確定誤差校正方法，對步驟4)中的開關(guān)動作時間Tswitch和采樣時間 Tsample進(jìn)行校正，按照新的時間采樣并控制開關(guān)器件動作；
[0025] 7)設(shè)定采樣周期上限闊值，限制采樣時間在該范圍之內(nèi)。
[0026] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中通過如下公式計算滯環(huán)環(huán)寬B(t):
[0027]
[002引式中，Vdc為直流側(cè)電壓，e(t)為電網(wǎng)電壓，fs*為開關(guān)頻率設(shè)定值，L為濾波電感值， B(t)是滯環(huán)環(huán)寬。
[0029] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)的具體實現(xiàn)方法如下，由W下公式計算下一周 期的滯環(huán)邊界B:
[0030]
[0031] 其中，Iref為獲取的指令電流值;如需下一周期電流上升，則采用上邊界，反之則采 用下邊界。
[0032] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟4)的具體實現(xiàn)方法如下，通過W下公式預(yù)測下一 周期開關(guān)動作時間Tswitch和下一周期義樣時間Tsample :
[0035] 其中，S為電流變化速率；當(dāng)電網(wǎng)電壓采樣值在正半周期時，下一周期電流上升時 按式（1)計算時間，電流下降時按式(2)計算時間；當(dāng)電網(wǎng)電壓采樣值在負(fù)半周期時，下一周 期電流上升時按式(2)計算時間，電流下降時按式(1)計算時間。
[0036] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟5)中，計算當(dāng)前輸出電流的和上一周期預(yù)測的電 流邊界值之間的差值，作為輸出電流誤差。
[0037] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟6)中，計算的誤差小于設(shè)定的容許誤差闊值時，直 接控制開關(guān)在動作，并確定下一次采樣時間Tsample;在誤差超過設(shè)定的容許誤差闊值時，若 誤差實際輸出電流在預(yù)測電流邊界內(nèi)時，由當(dāng)前電流誤差值和電流變化速率，預(yù)測輸出電 流變化至邊界值的時間；其中，補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)動作時間按照下式計算：
[00；3 引
[0039] 其中，ipre為上一周期的預(yù)測邊界，i。為輸出電流，S為上一周期電流變化速率，控 審研關(guān)在tcom時刻后動作，并相應(yīng)計算下一采樣時間為Tsample+tcom，其中，Tsample按下式校正；
[0040]
[0041] 若實際輸出電流超過預(yù)測電流邊界時，控制開關(guān)在當(dāng)前時刻立刻動作，下一周期 采樣時間與預(yù)測時間相同。
[0042] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟6)中，當(dāng)采樣周期Tsample大于采樣周期上限闊值 時，令采樣時間與該采樣周期上限闊值相等。
[0043] 本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0044] 本發(fā)明通過一種"預(yù)測-校正"算法，實現(xiàn)了固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制功能。整個 系統(tǒng)具有良好的魯棒性和的跟蹤性能，通過在線預(yù)測，實現(xiàn)最小采樣頻率，固定開關(guān)頻率。 系統(tǒng)易于實現(xiàn)于實際，具有良好的應(yīng)用前景。此外，搭建了逆變器及其控制系統(tǒng)的仿真模 型，對所提出的控制方案和相關(guān)算法進(jìn)行了仿真驗證，證明了該方法的正確性和可靠性。該 控制方法系統(tǒng)魯棒性好，跟蹤控制精度高，響應(yīng)速度快，且控制結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，具有較 為實際的的工程應(yīng)用價值。
【附圖說明】：
[0045] 圖1為本發(fā)明所介紹的單相兩電平逆變器；
[0046] 圖2為本發(fā)明所介紹方案的控制系統(tǒng)原理圖；
[0047] 圖3為本發(fā)明介紹的數(shù)字控制算法總體程序流程圖；
[0048] 圖4為本發(fā)明介紹的"預(yù)測-校正"算法程序流程圖；
[0049] 圖5為本發(fā)明介紹的數(shù)字滯環(huán)控制的逆變器仿真波形，圖中（a)為穩(wěn)態(tài)情況下輸出 電流的波形圖，（b)為指令變化時輸出電流波形圖，（C)為"預(yù)測-校正"算法結(jié)果。
【具體實施方式】：
[0050] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0051] 如圖1中所示，單相電壓型逆變器采用單相橋式逆變電路，直流側(cè)連接電容器C或 直流電源，交流側(cè)通過進(jìn)線電感L連接電網(wǎng)。電路原理如下：主電路S1和S4導(dǎo)通、S2和S3關(guān)斷 時，逆變器輸出電流增大;主電路S2和S3導(dǎo)通、S1和S4關(guān)斷時，逆變器輸出電流減小。
[0052] 本發(fā)明所提控制方法如圖2所示，具體數(shù)字實現(xiàn)如圖3和圖4所示，該方法可W根據(jù) 電網(wǎng)電壓、輸出電流、指令電流和開關(guān)頻率計算采樣周期和開關(guān)動作時間，構(gòu)成實現(xiàn)最小采 樣頻率和固定開關(guān)頻率的滯環(huán)控制系統(tǒng)。下面分別從預(yù)測和誤差校正算法作W闡述。
[0化3] 預(yù)測部分：
[0054] 根據(jù)期望的開關(guān)頻率，可W預(yù)測下周期滯環(huán)環(huán)寬和電流變化速率，從而預(yù)測下周 期的采樣和開關(guān)動作時間，【具體實施方式】如下：
[0055] 首先，為實現(xiàn)恒定的開關(guān)頻率，根據(jù)單相電壓型橋式逆變電路原理計算環(huán)寬，即 公"')=^^，其中，乂<1。為直流側(cè)電壓，6(〇為電網(wǎng)電壓^3^3開關(guān)頻率，1^為濾波電感值。
[0化6]計算下一周期的滯環(huán)邊界如下：
[0057] 當(dāng)直流側(cè)電壓一定時，可W由電網(wǎng)電壓瞬時值得到逆變器輸出電流變化率，從而 預(yù)測下一開關(guān)周期如下：
[0058] 下一采樣周期和預(yù)測的開關(guān)動作周期相同，同時對采樣周期設(shè)有上限闊值，當(dāng)采 樣周期超過該采樣周期設(shè)有上限闊值時，令下一采樣周期與該采樣周期設(shè)有上限闊值相 等。
[0化9]誤差校正部分：
[0060] 首先計算上周期輸出電流預(yù)測值和實際采樣值之間的誤差，設(shè)定一個容許誤差闊 值，當(dāng)計算的誤差小于該容許誤差闊值時，直接調(diào)用預(yù)測結(jié)果T控制開關(guān)動作，并確定下一 次采樣時間。對如圖1所示的電路，開關(guān)動作狀態(tài)按下表執(zhí)行：
[0061]
[0062] 誤差超過設(shè)定的容許誤差闊值時，需要進(jìn)一步校正。當(dāng)實際輸出電流在預(yù)測輸出 電流邊界外時，開關(guān)立刻按如上表格所示執(zhí)行動作。實際輸出電流在預(yù)測輸出電流邊界內(nèi) 時，由當(dāng)前電流誤差值和電流變化速率，預(yù)測輸出電流變化至邊界值的時間作為補(bǔ)償?shù)拈_ 關(guān)動作時間，控制開關(guān)在該時刻動作，補(bǔ)償輸出電流誤差，并相應(yīng)修正下一采樣時間，補(bǔ)償 輸出電流誤差。補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)動作時間按照下式計算：
其中，ipre為預(yù)測邊界，i。 為輸出電流。補(bǔ)償完成后不引入額外采樣，由上一周期預(yù)測結(jié)果控制開關(guān)動作，直到下一采 樣時刻。
[0063] 本發(fā)明通過數(shù)字方式實現(xiàn)了單相電壓型橋式逆變電路的控制功能，采用PSIM軟件 平臺搭建了逆變器及其控制系統(tǒng)的仿真模型，對所提出的控制方案和相關(guān)算法進(jìn)行了仿真 驗證，證明了該方法的正確性和可靠性。
[0064] 仿真結(jié)果如圖5所示，其中（a)為輸出電流波形圖，（b)為指令電流變化時輸出電流 波形圖，（C)為"預(yù)巧校正"算法結(jié)果。iref是指令電流，io是輸出的實際電流，e是電網(wǎng)電壓， count值控制采樣時間，計數(shù)頻率是107Hz，count值為零時，B為滯環(huán)邊界。從仿真結(jié)果可W 看到，該方法很好地實現(xiàn)了單相電壓型橋式逆變器的數(shù)字滯環(huán)控制方案，發(fā)明的"預(yù)測-校 正"控制方法性能優(yōu)異，跟蹤速度快、精度高、可靠性好且易于實現(xiàn)，對于逆變器控制及進(jìn)一 步性能提升提供了很高的參考價值。
[0065] W上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法，其特征在于，包括以下 步驟： 1) 獲取逆變器輸出電流的指令值，采樣電網(wǎng)當(dāng)前的瞬時電壓e (t)和逆變器的瞬時輸出 電流i。； 2) 根據(jù)步驟1)得到的采樣結(jié)果，設(shè)定期望的開關(guān)頻率，預(yù)測下一周期的電流變化速率， 計算由設(shè)定開關(guān)頻率決定的滯環(huán)環(huán)寬B(t); 3) 根據(jù)步驟1)中獲取的輸出電流指令值和步驟2)中計算的滯環(huán)環(huán)寬，計算下一周期的 滯環(huán)邊界B并作記錄； 4) 由步驟3)得到的結(jié)果預(yù)測開關(guān)動作時間Tswltc；h和下一周期采樣時間T_ple3; 5) 設(shè)定一個容許誤差閾值計算當(dāng)前輸出電流誤差； 6) 由輸出電流誤差和容許誤差閾值確定是否需要誤差校正，根據(jù)當(dāng)前輸出電流和上周 期滯環(huán)邊界值，確定誤差校正方法，對步驟4)中的開關(guān)動作時間T swltc；h和采樣時間Tsample^ 行校正，按照新的時間采樣并控制開關(guān)器件動作； 7) 設(shè)定采樣周期上限閾值，限制采樣時間在該范圍之內(nèi)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法， 其特征在于，步驟2)中通過如下A##晳、〉》夜夜舍W式中，vd。為直流側(cè)電壓，e(t)為電網(wǎng)電壓，f/為開關(guān)頻率設(shè)定值，L為濾波電感值，B(t) 是滯環(huán)環(huán)寬。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法， 其特征在于，步驟3)的具體實現(xiàn)方法如下，由以下公式計算下一周期的滯環(huán)邊界B:其中，Iref為獲取的指令電流值;如需下一周期電流上升，則采用上邊界，反之則采用下 邊界。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法， 其特征在于，步驟4)的具體實現(xiàn)方法如下，通過以下公式預(yù)測下一周期開關(guān)動作時間T swltc；h 和下一周期米樣時間Tsample :其中，S為電流變化速率；當(dāng)電網(wǎng)電壓采樣值在正半周期時，下一周期電流上升時按式 (1)計算時間，電流下降時按式(2)計算時間；當(dāng)電網(wǎng)電壓采樣值在負(fù)半周期時，下一周期電 流上升時按式(2)計算時間，電流下降時按式(1)計算時間。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法， 其特征在于，步驟5)中，計算當(dāng)前輸出電流的和上一周期預(yù)測的電流邊界值之間的差值，作 為輸出電流誤差。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法， 其特征在于，步驟6)中，計算的誤差小于設(shè)定的容許誤差閾值時，直接控制開關(guān)在動作，并 確定下一次采樣時間T sampl(3;在誤差超過設(shè)定的容許誤差閾值時，若誤差實際輸出電流在預(yù) 測電流邊界內(nèi)時，由當(dāng)前電流誤差值和電流變化速率，預(yù)測輸出電流變化至邊界值的時間； 其中，補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)動作時間按照下式計算：其中，ipre為上一周期的預(yù)測邊界，i。為輸出電流，S為上一周期電流變化速率，控制開關(guān) 在t。?時刻后動作，并相應(yīng)計算下一采樣時間為Tsample+t。?，其中，TsamPl e按下式校正；若實際輸出電流超過預(yù)測電狐^^卜卩、」，；&巾ΙΙΤΓΧΙ工=1 HIIP、」炎」1刻動作，下一周期米樣 時間與預(yù)測時間相同。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采樣周期在線預(yù)測的固定開關(guān)頻率數(shù)字滯環(huán)控制方法， 其特征在于，步驟6)中，當(dāng)采樣周期Tsampl(3大于采樣周期上限閾值時，令采樣時間與該采樣 周期上限閾值相等。
【文檔編號】H02M7/5395GK105871241SQ201610214107
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】易皓, 王振雄, 卓放
【申請人】西安交通大學(xué)