一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器的分岔控制技术领域，具体而言，涉及一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法。

背景技术

DC-AC逆变器具有把直流电转换成任意所需频率交流电的功能，是一种重要且常见的电力电子变换器，已广泛应用于微电网、分布式发电系统、不间断供电系统以及其它各种电力电子系统中。同时，逆变器作为一类典型的非线性非自治系统，存在复杂的分岔行为。目前，电力电子变换器分岔行为控制方法的研究主要集中在DC-DC变换器，并取得了一定成果。现有DC-DC变换器分岔控制方法主要分为反馈控制法与非反馈控制法。反馈控制法主要包括打靶法[1]、主动反步控制法[2]、自适应观测器控制法[3]、自适应滑模控制法[4]、时间延迟反馈控制法[5]、扩展时间延迟反馈控制法[6]等，非反馈控制法包括扰动控制法[7-8]和斜坡补偿法[9]。这些方法均能较好地控制DC-DC变换器中的分岔行为，于是学者们尝试将其中的一些方法用于DC-AC逆变器的分岔控制。文献[10-11]将时间延迟反馈控制法引入到DC-AC逆变器的分岔控制中。该方法是取相邻开关周期状态变量之间的差值作为控制信号，能在一定程度上抑制逆变器中的分岔行为。但是DC-AC逆变器与DC-DC变换器不同，逆变器相邻开关周期状态变量并不相等，因此控制信号一直存在，会给逆变器带来扰动，影响逆变器原有的动态响应和稳态精度。文献[12]将基于滤波器的扰动控制法引入到电压控制型逆变器的分岔控制中，结果表明能有效抑制逆变器中的慢尺度分岔行为，但未能控制快尺度分岔，且未给出控制系数的选择依据，只能通过试凑法来确定，实用性受限。文献[13]将斜坡补偿法用于峰值电流控制逆变器的分岔控制，结果表明能有效控制快尺度分岔，然而该方法需外加控制信号来干预系统，控制信号始终存在，同样会改变系统原有的动力学特性。由上述分析可知，现有DC-AC逆变器的分岔控制方法会给逆变器带来扰动，且存在控制系数难以确定等问题。因此，亟需一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法。参考文献：

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[11]Jinke Zhang,Xiaojie Wu,and Lvshuai Xing.(2016)“BifurcationAnalysis of Five-Level Cascaded H-Bridge Inverter Using Proportional-ResonantPlus Time-Delayed Feedback.”International Journal of Bifurcation and Chaos,26.11(2016):1630031.

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发明内容

本申请的主要目的在于提供一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法，以至少解决现有技术中的DC-AC逆变器的分岔控制方法会给逆变器带来扰动，控制系数难以确定的问题，在不改变系统原有的动力学特性的前提下，扩大系统稳定运行域。

为实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法，包括：

根据逆变器的主电路和控制电路的状态方程，基于准静态的思想采用频闪映射法建立逆变器的离散映射模型，并求出所述离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；

基于平衡点处的雅克比矩阵，绘制雅克比矩阵的特征值随分岔参数变化轨迹图，根据特征值随分岔参数的变化情况判定是否发生分岔，当发生分岔时进入下一步骤；

令逆变器的状态变量在开关周期内的初值与终值之差为δ，给定参考信号在开关周期内的初值和终值之差为δ

将所述控制信号与逆变器原有的PI调节电流控制信号相叠加得到新的控制信号，再将新的控制信号施加于逆变器，使逆变器恢复至稳定态运行。

可选地，求出所述离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵包括以下步骤：

根据逆变器的主电路结构，建立第n个开关周期T内逆变器的主电路状态方程，

根据逆变器的PI调节电流控制电路结构，建立PI调节电流控制电路的状态方程；

结合所述主电路状态方程和PI调节电流控制电路的状态方程，以T为采样间隔，基于准静态思想采用频闪映射法得到逆变器系统的离散映射模型；

根据所述离散映射模型计算平衡点处的雅克比矩阵。

可选地，根据开关状态不同，所述第n个开关周期T内逆变器的主电路状态方程有两种形式，用T

其中，Q

可选地，所述PI调节电流控制电路的状态方程表示为：

其中，k

可选地，结合所述主电路状态方程和PI调节电流控制电路的状态方程，以T为采样间隔，基于准静态思想采用频闪映射法得到逆变器系统的离散映射模型，根据所述离散映射模型计算得到平衡点处的雅克比矩阵，包括：

以T为采样间隔，基于准静态思想，令i

其中，i

上式中：

U

由(4)式可得i

取系统状态向量为X

k

则，得到平衡点处的雅克比矩阵：

可选地，判断是否发生分岔为：当平衡点处雅克比矩阵的所有特征值均在单位圆内时，系统保持稳定运行；当有一个特征值或多个特征值穿出单位圆，而其他特征值在单位圆内时，则系统发生分岔。

可选地，还包括：建立引入基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法后逆变器的离散映射模型，并求出该离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；基于平衡点处的雅克比矩阵，绘制引入分岔控制后雅克比矩阵的特征值随分岔参数变化轨迹图，根据特征值随分岔参数的变化情况判定逆变器是否恢复稳定态运行，从而验证基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法的有效性。

根据本申请的再一方面，还提供了一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制装置，包括：

雅克比矩阵求解模块，用于根据逆变器的主电路和控制电路的状态方程，基于准静态的思想采用频闪映射法建立逆变器的离散映射模型，并求出所述离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；

分岔判断模块，用于基于平衡点处的雅克比矩阵，绘制雅克比矩阵的特征值随分岔参数变化轨迹图，根据特征值随分岔参数的变化情况判定是否发生分岔，当发生分岔时发送信号至控制信号处理模块；

控制信号处理模块，用于分岔判断模块判断为出现分岔后，令逆变器的状态变量在开关周期内的初值与终值之差为δ，给定参考信号在开关周期内的初值和终值之差为δ

新的控制信号产生模块，用于将所述控制信号与逆变器原有的PI调节电流控制信号相叠加得到新的控制信号，再将新的控制信号施加于逆变器，使逆变器恢复至稳定态运行。

根据本申请的一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行任意一项一种所述的基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法。

根据本申请的又一个方面，一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为通过所述计算机程序执行任意一项一种所述的基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.应用本申请的技术方案，根据逆变器的主电路和控制电路的状态方程，基于准静态的思想采用频闪映射法建立逆变器的离散映射模型，并求出离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；基于平衡点处的雅克比矩阵，绘制雅克比矩阵的特征值随分岔参数变化轨迹图，根据特征值随分岔参数的变化情况判定是否发生分岔，当发生分岔时进入下一步骤；令逆变器的状态变量在开关周期内的初值与终值之差为δ，给定参考信号在开关周期内的初值和终值之差为δ

2.基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法中，比例环节的比例控制系数的取值范围可基于逆变器稳定的必要条件快速筛选，即保证引入分岔控制后平衡点处雅克比矩阵的所有特征值的模均小于1，可借助MATLAB编程快速筛选比例控制系数的取值范围，能避免控制系数确定过程的复杂计算。

3.将新的控制信号施加于逆变器，使逆变器恢复至稳定运行，当系统恢复稳定时，δ与δ

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的逆变器的主电路结构图；

图3是根据本发明实施例的逆变器控制电路结构图，实线表示PI调节电流控制部分，虚线表示基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制部分；

图4是根据本发明实施例的分岔参数k

图5是根据本发明实施例的分岔参数E变化时特征值λ

图6是根据本发明实施例的分岔参数k

图7是根据本发明实施例的分岔参数E＝70V，k

图8是根据本发明实施例的k

图9是根据本发明实施例的E取值40V～80V，k

图10(a)是根据本发明实施例的k

图10(b)是根据本发明实施例的k

图10(c)是根据本发明实施例的k

图11(a)是根据本发明实施例的E＝70V，k

图11(b)是根据本发明实施例的E＝70V时引入基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法前电感电流i

图11(c)是根据本发明实施例的E＝70V，k

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1是根据本发明实施例的一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1：根据逆变器的主电路和控制电路的状态方程，基于准静态的思想采用频闪映射法建立逆变器的离散映射模型，并求出所述离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；

步骤S2：基于平衡点处的雅克比矩阵，选取PI调节电流控制中的比例控制系数k

步骤S3：为控制分岔引入状态变量周期差值反馈控制，即令逆变器的状态变量电感电流i

步骤S4：将所述控制信号与逆变器原有的PI调节电流控制信号相叠加得到新的控制信号，再将新的控制信号施加于逆变器，使逆变器恢复至稳定态运行。

在所述的实施例中，图2示出了逆变器的主电路结构，直流侧电源E供电，四个桥臂由带反并联二极管的开关器件Q

结合图1、图2、图3，步骤S1根据逆变器的主电路和控制电路的状态方程，基于准静态的思想采用频闪映射法建立逆变器的离散映射模型，并求出所述离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵包括以下步骤：

步骤S11、根据图2的逆变器的主电路可知，根据开关状态不同，第n个开关周期T内逆变器的主电路状态方程有两种形式，用T

其中，i

步骤S12、由图3实线部分可知，PI调节电流控制电路的状态方程表示为：

其中，k

步骤S13、结合所述主电路状态方程和PI调节电流控制电路的状态方程，以T为采样间隔，基于准静态思想令i

具体的，以T为采样间隔，基于准静态思想令i

式中，i

U

由(4)式可得i

取系统状态向量为X

则，得到平衡点处的雅克比矩阵：

在所述的实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21、根据平衡点处的雅克比矩阵，选取PI调节电流控制中的比例控制系数k

步骤S22、借助MATLAB计算绘制分岔参数变化时平衡点处雅克比矩阵特征值的变化轨迹，得到特征值随分岔参数变化轨迹图；

步骤S23、结合所述特征值随分岔参数变化轨迹图，即平衡点处特征值变化情况，分析k

其中，判断是否发生分岔为：当所有特征值均在单位圆内时，系统保持稳定运行；当有一个特征值或多个特征值穿出单位圆，而其他特征值在单位圆内时系统发生分岔。

具体的，当取k

表1逆变器参数设定值

由特征方程式det[λI－J(X

步骤S3为控制分岔引入基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法，即令逆变器的状态变量电感电流i

作为一种可选的实施例，基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法还包括步骤S4、建立引入基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法后逆变器的离散映射模型，并求出该离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；基于平衡点处的雅克比矩阵，绘制引入分岔控制后雅克比矩阵的特征值随分岔参数变化轨迹图，根据特征值随分岔参数的变化情况判定逆变器是否恢复稳定态运行，从而验证基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法的有效性。

具体的，为证明引入基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法的有效性，将新的控制信号施加于逆变器进行验证。引入分岔控制如图3虚线所示，其中分岔控制比例环节控制系数表示为k

v

其中，δ

上式中δ

分岔控制中比例控制系数k

图10、图11分别示出了k

本申请实施例还提供了一种基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制装置，需要说明的是,本申请实施例的基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制装置可以用于执行本申请实施例所提供的基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法。该装置用于实现所述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的,术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现,但是硬件,或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

以下对本申请实施例提供的基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制装置进行介绍。

该基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制装置包括：

雅克比矩阵求解模块，用于根据逆变器的主电路和控制电路的状态方程，基于准静态的思想采用频闪映射法建立逆变器的离散映射模型，并求出所述离散映射模型在平衡点处的雅克比矩阵；

分岔判断模块，用于基于平衡点处的雅克比矩阵，绘制雅克比矩阵的特征值随分岔参数变化轨迹图，根据特征值随分岔参数的变化情况判定是否发生分岔，当发生分岔时发送信号至控制信号处理模块；

控制信号处理模块，用于分岔判断模块判断为出现分岔后，令逆变器的状态变量在开关周期内的初值与终值之差为δ，给定参考信号在开关周期内的初值和终值之差为δ

新的控制信号产生模块，用于将所述控制信号与逆变器原有的PI调节电流控制信号相叠加得到新的控制信号，再将新的控制信号施加于逆变器，使逆变器恢复至稳定态运行

本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种电子装置,包括存储器和处理器,所述存储器中存储有计算机程序,所述处理器被设置为通过所述计算机程序执行所述的基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法。

本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现至少基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法步骤。

本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有至少基于状态变量周期差值反馈的逆变器分岔控制方法步骤的程序。

显然,本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,并且在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图-个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和)或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个......”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。