三相PWM电压型逆变器的双闭环控制装置及控制方法

摘要

本发明涉及一种三相PWM电压型逆变器的双闭环控制装置及控制方法，属于逆变器控制技术领域。本发明将分数阶PI和预测函数控制相结合，得到新型的FOPI‑PFC算法，替代传统的PI控制，将该方法引入到逆变器电压和电流双闭环控制系统中来替代传统的电压外环所使用的预测控制器或PI控制器，以改善系统的动态响应与抗扰动能力，在这基础上，引入新的分数阶参数，使控制更加灵活；进一步地，采用离散滑模电流控制器作为内环的电流控制器，以获得良好的动态响应能力与稳定的输出电压。

主权项

一种三相PWM电压型逆变器的双闭环控制装置，包括外环的电压控制器和内环的电流控制器，其特征在于，所述电压控制器为多变量分数阶PI预测函数控制器，其控制模型具体如下：U(k)＝(L_a+L_b+L_c)F_n(0)^T其中：$L_a=-[K_a{F}_n^T{G}^T{\mathrm{QGF}}_n+F_n^T{\mathrm{RF}}_n]·(K_p+K_a)F_n^T{G}^{T}QD\left(k\right)$$L_b=[K_a{F}_n^T{G}^T{\mathrm{QGF}}_n+F_n^T{\mathrm{RF}}_n]·2K_p{F}_n^T{G}^T{\mathrm{Qq}}^{-1}D\left(k\right)$$L_c=-[K_a{F}_n^T{G}^T{\mathrm{QGF}}_n+F_n^T{\mathrm{RF}}_n]·K_p{F}_n^T{G}^T{\mathrm{Qq}}^{-2}D\left(k\right)$F_n＝[f₁(i) f₂(i) … f_J(i)],i＝1,2,…,P‑1G＝[G₁^T G₂^T … G_P^T]^TD(k)＝[D₁(k)^T D₂(k)^T … D_P(k)^T]^T其中$D_i\left(k\right)=C_m{A}_m^i{X}_m\left(k\right)+Y_p-C_m{X}_m\left(k\right)-c\left(k\right)+{\alpha }^i[c\left(k\right)-Y_p\left(k\right)],i=\mathrm{1,2},···,P$其中，c(k)＝[c₁(k) c₂(k) … c_N(k)]^TU(k)是电压外环控制回路第k个时刻的控制量输出向量；K_p为比例系数矩阵，其中K_i为积分系数矩阵，T_s为采样时间，λ为分数阶积分参数；f_j(i)为基函数在t＝(k+i)T_s时的值，T_s为采样周期，F_n为基函数的值构成的向量，下标J表示基函数的阶数，j为基函数个数的索引，从1到J之间整数；Q和R分别表示误差加权矩阵和控制加权矩阵；q^‑1和q^‑2为延时算子；Y_p(k)为当前时刻逆变器输出的内环逆变器参考电流直轴分量和内环逆变器参考电流交轴分量组成的向量；c(k)为k时刻PWM参考电压直轴分量和PWM参考电压交轴分量的参考值组成的向量；X_m(k)为电压控制器的模型状态向量；T_r是参考轨迹的期望响应时间；为第i时刻第n个输出的参考轨迹衰减因子，αⁱ为由组成的第i时刻参考轨迹衰减因子矩阵；P为预测步长；i为第i步预测时刻；N为输出变量的个数；Α_m、B_m、C_m为电压控制器状态空间方程的系数矩阵；所述电流控制器为离散滑模电流控制器，其控制模型具体如下：$U_{in}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{eq}\left(k\right),& \left|\right|U_{eq}\left(k\right)\left|\right|\le u_0\\ u_0\frac{U_{eq}\left(k\right)}{\left|\right|U_{eq}\left(k\right)\left|\right|},& \left|\right|U_{eq}\left(k\right)\left|\right|>u_0\end{array}\right.$其中，U_eq(k)＝‑(C_nB_n^*)^‑1[C_nA_n^*X_n(k)‑Y_ref(k+1)]，U_eq(k)是电流内环控制回路第k个时刻的控制量输出向量，即PWM参考电压；A_n^*、B_n^*是经离散化后的状态空间系数矩阵，A_n^*＝exp(A_n·T_s)，T_s为采样周期，参考输入为Y_ref(k)，X_n(k)为电流控制器的模型状态向量，Α_n、B_n、C_n为电流控制器状态空间方程的系数矩阵，u₀为预设的逆变器电流幅值上限，U_in(k)为电流控制器的经限幅后的实际输出向量。