Z源并網(wǎng)逆變器基于能量的控制算法
【專利摘要】一種針對Z源并網(wǎng)逆變器的非線性控制算法研究。本發(fā)明基于能量的觀點，依據(jù)Z源并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，推導得到了Z源并網(wǎng)逆變器的端口受控哈密頓（PCH）模型。在Z源并網(wǎng)逆變器PCH模型的基礎上，建立Z源并網(wǎng)逆變器運行時的能量匹配方程，從匹配方程的求解過程中，得到Z源并網(wǎng)逆變器的能量成型控制器。在控制效果方面，與現(xiàn)有的PI控制方法比較，所述的能量成型控制器具有魯棒性強、穩(wěn)態(tài)輸出波動小、參數(shù)調整簡便的優(yōu)勢。
【專利說明】Z源并網(wǎng)逆變器基于能量的控制算法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬Z源逆變器的控制【技術領域】，具體涉及一種針對Z源并網(wǎng)逆變器的非線 性控制算法，以基于能量的觀點，實現(xiàn)Z源并網(wǎng)逆變器有效升壓逆變的算法。

【背景技術】
[0002] Z源逆變器具有獨特的電容電感儲能環(huán)節(jié)，電容電感中儲存的能量對Z源逆變器 的控制具有重要作用。傳統(tǒng)控制Z源逆變器的方法都是基于PI的控制方法，即是基于傳遞 函數(shù)和誤差的控制。這種控制實際是應用信號處理的觀點，PI控制器為信號濾波器，通過 PI控制器，減小誤差信號同時降低擾動信號對系統(tǒng)的動態(tài)影響。PI控制是一種線性控制方 法，通過建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，求取控制器方程以取得很好的控制效果，但是應用此種控制 方法于非線性的多輸入輸出系統(tǒng)，會難于建立系統(tǒng)整體的傳遞函數(shù)，計算量大，控制效果也 往往差強人意。
[0003] 為改進PI控制方法的控制效果，文獻(丁新平，錢照明，崔彬，彭方正. 基于模糊PID的Z源逆變器直流鏈升壓電路控制[J].中國電機工程學報.2008， 28(24):31-38.)采用了智能控制的方法，通過設計模糊PID控制器不需要計算系統(tǒng)的精 確的數(shù)學模型就可以實現(xiàn)良好的非線性控制；文獻（Rajaei A. H, Kaboli S, Emadi A. Sliding-mode control of z-source inverter[C]. Industrial Electronics, 2008. IEC0N 2008. 34th Annual Conference of IEEE. 2008:947-952.)通過對Z 源逆變器進行 工作原理的分析確定了逆變過程中具有變結構的特性，對于變結構系統(tǒng)采用滑?？刂频姆?法，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性有所提高。文獻（Rastegar Fatemi, M. J, Mirzakuchaki S, Rastegar Fatemi, S. M. J. Wide-range control of output voltage in Z-source inverter by neural network[C]. Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference. 2008:1653-1658.)米用神經網(wǎng)絡控制，進一步提高了 Z源逆變器輸出電壓的變化范圍。
[0004] 但是目前Z源逆變器的控制過程中出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)波動大、暫態(tài)過程長、魯棒性差、參 數(shù)調整困難等問題仍制約著Z源逆變器的實際應用。針對上述問題，本發(fā)明提出采用能量 成型的控制算法對Z源并網(wǎng)逆變器進行控制的思路。在充分分析Z源并網(wǎng)逆變器運行時能 量流動過程后，建立Z源并網(wǎng)逆變器的端口受控哈密頓（PCH)模型，并在PCH模型的基礎上， 建立Z源并網(wǎng)逆變器運行時的能量匹配方程，從匹配方程的求解過程中，得到Z源并網(wǎng)逆變 器的能量成型控制器。所述的能量成型控制器具有魯棒性強、快速性好、參數(shù)調整簡便的優(yōu) 勢。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對Z源并網(wǎng)逆變器通過Z源網(wǎng)絡中電容電感間的能量交互過程 實現(xiàn)升壓逆變的本質特點，經過分析能量在所述Z源并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的流動過程，將Z源 網(wǎng)絡和三相橋式逆變器看作兩個多端口的能量變換裝置，根據(jù)所述的Z源并網(wǎng)逆變器期望 達到的穩(wěn)定狀態(tài)來確定需要從外界經端口注入到系統(tǒng)內部的控制能量，此過程為能量成型 過程?？刂扑惴ê诵氖峭ㄟ^確定控制能量的多少來決定Z源并網(wǎng)逆變器的直通時間和通斷 開關函數(shù)。控制算法設計過程物理意義清晰，控制性能方面具有對輸入信號的魯棒性和快 速響應性。
[0006] 本算法發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：首先分析Z源網(wǎng)絡的工作狀態(tài)，結合三相橋 式并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，建立Z源并網(wǎng)逆變器的完整數(shù)學模型；由于Z源網(wǎng)絡存在直通狀 態(tài)和非直通狀態(tài)，故通過狀態(tài)平均理論建立Z源并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)平均數(shù)學模型，基于所 述狀態(tài)平均數(shù)學模型，構造端口受控哈密頓（PCH)模型，其中包括模型的輸入輸出端口變量 設計，端口受控哈密頓模型的內部能量轉換結構矩陣、內部阻尼結構矩陣、內外部能量交互 結構矩陣的構造，得到所述的Z源并網(wǎng)逆變器的PCH模型；根據(jù)逆變器并網(wǎng)的有功功率和無 功功率期望值和PCH模型設定Z源并網(wǎng)逆變器各狀態(tài)變量的期望平衡點；由所述的Z源并 網(wǎng)逆變器在平衡點處所具有的期望能量值與當前所具有的能量偏差確定所需的控制能量， 建立能量匹配方程，求解控制變量，即Z源并網(wǎng)逆變器的直通時間和通斷開關函數(shù)的表達 式，得到基于能量的控制器。
[0007] 本發(fā)明具有以下有益效果：1、基于能量的Z源并網(wǎng)逆變器的控制算法可替換PI控 制方法中的多個PI控制器，特別對于內環(huán)外環(huán)嵌套式的PI控制，避免了 PI參數(shù)整定的復 雜調節(jié)過程。2、算法屬多輸入多輸出的多變量同時反饋的非線性控制，可避免傳統(tǒng)單變量 反饋線性控制只關注某一或某幾個變量的動態(tài)特性，更便于確保Z源并網(wǎng)逆變器整體的控 制可靠性。3、基于能量的Z源并網(wǎng)逆變器的控制算法響應快、魯棒性好，能很好地實現(xiàn)Z源 并網(wǎng)逆變器的控制目標。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為Z源并網(wǎng)逆變器的PI控制框圖。
[0009] 圖2為Z源并網(wǎng)逆變器基于能量的控制算法框圖。圖2中A為Z源網(wǎng)絡，B為并網(wǎng)逆 變器，C為模擬電網(wǎng)，D為電壓測量，E為電流測量，F(xiàn)為直通時間的計算器，即

【權利要求】
1. 一種針對Z源并網(wǎng)逆變器的非線性控制算法，其特征在于，在分析Z源并網(wǎng)逆變器運 行時的能量流動過程后，建立Z源并網(wǎng)逆變器的端口受控哈密頓（PCH)模型，并在PCH模型 的基礎上，建立Z源并網(wǎng)逆變器運行時的能量匹配方程，從匹配方程的求解中，得到Z源并 網(wǎng)逆變器的能量成型控制器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的針對Z源并網(wǎng)逆變器基于能量的控制算法，其特征在于，所建 立的Z源并網(wǎng)逆變器的端口受控哈密頓模型，包括模型的輸入輸出端口變量設計，端口受 控哈密頓模型的內部能量轉換結構矩陣、內部阻尼結構矩陣、內外部能量交互結構矩陣的 構造。
3. 根據(jù)權利要求1所述的針對Z源并網(wǎng)逆變器基于能量的控制算法，其特征在于，算法 屬多輸入多輸出的多變量同時反饋的非線性控制，能量成型控制器的輸出為Z源并網(wǎng)逆變 器的直通時間和通斷開關函數(shù)。
【文檔編號】H02J3/38GK104158426SQ201410442112
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權日:2014年9月2日
【發(fā)明者】宋蕙慧, 曲延濱, 楊前 申請人:哈爾濱工業(yè)大學（威海）