电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法及系统

技术领域

本发明属于功率变流器技术领域，尤其涉及一种电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法及系统。

背景技术

随着社会的进步以及对环境和能源等的要求，新能源电动汽车得到了快速发展，新能源电动汽车的充电机建设已成为“新基建”的重点发展方向。三相PWM整流器具有单位功率因数运行、电网电流正弦化和能量双向流动等优点，适合用作新能源电动汽车双向充电机的前端整流器。电网不平衡在实际中普遍存在，尤其是在新能源弱电网中，如果继续沿用平衡电网下的三相PWM整流器控制策略，易引发并网电流畸变以及直流电压二次纹波，进一步威胁电网电能质量以及充电机负载侧动力电池安全。

发明人发现，针对不平衡电网，国内外学者提出了一些解决方法。其中，基于双同步坐标系的控制方法，在正序同步坐标系和负序同步坐标系下分别控制正序和负序电流，实现无静差跟踪，但动态响应慢，另外，这种控制方法需要4个PI控制器、2个陷波滤波器以及同步锁相环，结构十分复杂；在两相静止坐标系下，PR控制方法可以同时控制电流的正负序分量，但PR控制器对电网频率变化很敏感，跟踪性能不稳。在两相静止坐标系下，模型预测控制无需电流控制环，实现了直接功率控制，但模型预测控制在线计算负担重，对处理器性能要求较高。此外，上述这些控制方案也无法保证变流器系统大范围的稳定性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法及系统，本发明针对现有控制方法结构复杂、动静态跟踪能力不足等问题，提出了一种不平衡电网下三相PWM变流器的有限时间控制方法，该方法结构简单，拥有良好的动静态控制性能，有效保障充电机在不平衡电网下稳定运行。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法，包括：

基于预设的功率环有限时间控制器，得到有功功率控制电压和无功功率控制电压；将所述有功功率控制电压和所述无功功率控制电压转变为两相静止坐标系下的调制电压；

根据两相静止坐标系下的调制电压进行调制得到驱动信号，实现对变流器的控制；

其中，结合电网不平衡下变流器交流侧动态数学模型，以及估计的功率参考导数，对功率子系统Lyapunov函数求导，得到所述功率环有限时间控制器；所述功率子系统Lyapunov函数为有功功率跟踪误差的平方加上无功功率跟踪误差平方的和的一半。

进一步的，电网不平衡下变流器交流侧动态数学模型为：

其中，L为滤波电感；u

进一步的，有功功率比上直流侧电容和直流电压实测值乘积的比值，再减去直流电流实测值比上直流侧电容比值的差，得到电网不平衡下变流器直流侧动态数学模型。

进一步的，在电网不平衡下，充电机前端变流器控制目标是获得正弦的三相并网电流、平均单位功率因数和恒定的直流电压。

进一步的，功率环有限时间控制器为：

其中，u

进一步的，功率参考导数通过有限时间微分器进行估计，有限时间微分器为：

当

其中，ζ、ρ

进一步的，利用预设的电压环有限时间控制器，实现直流电压跟踪；所述电压环有限时间控制器为：

其中，

第二方面，本发明还提供了一种电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制系统，包括：

调制电压获取模块，被配置为：基于预设的功率环有限时间控制器，得到有功功率控制电压和无功功率控制电压；将所述有功功率控制电压和所述无功功率控制电压转变为两相静止坐标系下的调制电压；

控制模块，被配置为：根据两相静止坐标系下的调制电压进行调制得到驱动信号，实现对变流器的控制；

其中，结合电网不平衡下变流器交流侧动态数学模型，以及估计的功率参考导数，对功率子系统Lyapunov函数求导，得到所述功率环有限时间控制器；所述功率子系统Lyapunov函数为有功功率跟踪误差的平方加上无功功率跟踪误差平方的和的一半。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的电网不平衡下充电机前端变流器的控制方法的步骤。

第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明中在电网不平衡条件下，结合变流器交流侧动态数学模型，以及估计的功率参考导数，对功率子系统Lyapunov函数求导，得到所述功率环有限时间控制器，然后基于预设的功率环有限时间控制器，得到有功功率电压和无功功率电压，控制器结构简单，拥有良好的动静态控制性能，保障了充电机在不平衡电网下稳定运行；

2、本发明在电网不平衡条件下，实现了三相PWM变流器跟踪控制系统有限时间稳定，响应快、精度高，保障了并网电流质量并维持直流电压恒定；

3、本发明在电网不平衡条件下，建立了新型的三相PWM变流器交流侧动态模型，基于此，为有功功率和无功功率独立设计控制器，无需电流控制环和锁相环直接进行功率控制，结构简单，实用性强；

4、本发明提出了新型有限时间微分器，避免了直接微分或繁琐的求导运算，易于推广应用。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的三相PWM变流器系统图；

图2为本发明实施例1的电网不平衡下三相PWM变流器有限时间控制实现框图；

图3为本发明实施例1的直流电压跟踪曲线；

图4为本发明实施例1的三相并网电流波形；

图5为本发明实施例1的无功功率跟踪曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

本实施例提供了一种电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法，包括：

基于预设的功率环有限时间控制器，得到有功功率控制电压和无功功率控制电压；将所述有功功率控制电压和所述无功功率控制电压转变为两相静止坐标系下的调制电压；

根据两相静止坐标系下的调制电压进行调制得到驱动信号，实现对变流器的控制；

其中，结合电网不平衡下变流器交流侧动态数学模型，以及估计的功率参考导数，对功率子系统Lyapunov函数求导，得到所述功率环有限时间控制器；所述功率子系统Lyapunov函数为有功功率跟踪误差的平方加上无功功率跟踪误差平方的和的一半。本实施例的具体内容为：

如图1所示，本实施例中的变流器可以理解为三相PWM变流器，其中，电网不平衡下三相PWM变流器模型建立内容为：

测量变流器的三相电网电流i

其中，上标+和-分别代表正序分量和负序分量。根据三相电网电压的运行原理，可得：

其中ω

另外，根据瞬时功率理论，有功功率P和无功功率Q可定义为：

结合公式(1)和公式(2)，对公式(3)进行求导运算，得到电网不平衡下三相PWM变流器交流侧动态数学模型：

其中，L为滤波电感；u

三相PWM整流器系统的控制输入定义为：

其中，v

根据功率守恒定理，得到直流侧动态数学模型为：

其中，V

在电网不平衡下，充电机前端三相PWM变流器控制目标为：获得正弦的三相并网电流、平均单位功率因数和恒定的直流电压；上述控制目标等效为：

其中，“→”代表实现跟踪，

本实施例为电网不平衡下三相PWM变流器设计了有限时间控制方法，具体的，如图2所示，本实施例中的制方法包括有限时间微分器、功率环有限时间控制器和电压环有限时间控制器。功率控制器u

引入有限时间微分器以精准获取

关于有限时间微分器，首先，根据反步递推设计步骤，定义三相PWM变流器跟踪误差为：

其中，z

显然，构造功率环控制器需要用到

/>

其中，滤波器参数ζ>0,ρ

当

功率环有限时间控制器，为使有功功率跟踪误差z

其中，

根据式(11)，结合有限时间微分器估计的功率参考导数，构造功率环有限时间控制器u

其中，控制器参数k

其中，a

电压环有限时间控制器，为使直流电压跟踪误差趋于零，选取直流侧Lyapunov函数为：

对于三相PWM变流器，有功功率响应动态远快于直流电压动态。根据奇异摄动理论，在直流电压子系统中可认为

其中，

进一步，对V

如构建电压环有限时间控制器

其中，控制器参数k

同样地，根据有限时间Lyapunov稳定性定理，V

为了进一步阐述所提控制方法的有效性，在Simulink中搭建系统仿真模型，进行仿真研究。主电路参数设置：三相电网电压幅值为100V，滤波电感L＝1mH，线路等效电阻R＝0.1Ω，负载电阻R

当t＝0.2s时，A相电压幅值从100V跌落到70V，三相PWM变流器工作在电网电压不平衡状态。仿真结果如图3、图4和图5所示。具体的说，图3展示了直流电压跟踪曲线，图4展示了三相并网电流波形，图5展示了无功功率跟踪曲线。可以看出，当变流器工作在电网不平衡工况时，直流电压仍保持了较好的控制精度，且三相并网电流质量高。此外，所提控制方法实现了时变无功功率的快速精准跟踪控制。

实施例2：

本实施例提供了一种电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制系统，包括：

调制电压获取模块，被配置为：基于预设的功率环有限时间控制器，得到有功功率控制电压和无功功率控制电压；将所述有功功率电压和所述无功功率电压转变为两相静止坐标系下的调制电压；

控制模块，被配置为：根据两相静止坐标系下的调制电压进行调制得到驱动信号，实现对变流器的控制；

其中，结合电网不平衡下变流器交流侧动态数学模型，以及估计的功率参考导数，对功率子系统Lyapunov函数求导，得到所述功率环有限时间控制器；所述功率子系统Lyapunov函数为有功功率跟踪误差的平方加上无功功率跟踪误差平方的和的一半。

所述系统的工作方法与实施例1的电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法相同，这里不再赘述。

实施例3：

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法的步骤。

实施例4：

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的电网不平衡下充电机前端变流器有限时间控制方法的步骤。

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