基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换器控制方法属于电力电子技术领域。其特征在于，把将电力电子变换器的控制对象转换为瞬态电磁能量，将不同量纲的控制对象通过电磁能量实现统一，在动态过程中调节瞬态电磁能量快速跟踪目标稳态能量，在稳态过程中保持电磁能量在其动态输出的目标能量值允许变化的范围内。基于该控制方法应用于多种电力电子变换器中，实施结果表明：与常规控制方法相比，该控制方法在保证稳态控制精度的同时，加快了动态响应速度，消除了控制超调，提高了系统可靠性。
1.一种基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换器控制方法，其特征在于，是在一种基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统中依次按以下步骤实现的：步骤（1） 构建一个所述的基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统；
所述PWM变换器控制系统含有：PWM变换器、瞬态能量计算电路、瞬态输出功率计算电路、目标稳态能量计算电路、输入功率控制量计算电路、直接功率控制开关表形成电路、比较器以及开关量控制信号形成电路，其中：瞬态能量计算电路，设有：第一输出电压Vdc1和第二输出电压Vdc2的输入端，Vdc1+ Vdc2= Vdc，a相、b相电源瞬时电压ea、eb两个输入端，a相、b相电源瞬时电流ia、ib两个输入端，还设有：所述PWM变换器中感性元件上磁场能量WEI-1输出端和容性元件上电场能量WEI-2输出端，瞬态三相有功功率Pin输出端和瞬态三相无功功率qin输出端，瞬态输出功率计算电路，设有：所述的ia、ib、Pin、WEI-1、WEI-2各量的输入端，还设有：瞬态输出功率Pout输出端，目标稳态能量计算电路，设有：所述PWM变换器的输出电压目标稳态值 输入端，所述Pout值的输入端，还设有：两个所述WEI-1和WEI-2的目标稳态值 和 的输出端，输入功率控制量计算电路，设有：所述各目标稳态量 、 、各瞬态量Pout、WEI-1、WEI-2的输入端，还设有：所述pin的目标稳态量 ，也称输入有功功率控制量 的输出端，比较器，包括：第一比较器Yp，第二比较器Yq，第三比较器Yn，其中：第一比较器Yp，为功率有功分量比较器，输入是输入有功功率控制量 ，还有一个所述瞬态有功功率pin，输出是 ，第二比较器Yq，为功率无功分量比较器，输入是无功功率控制量 和所述瞬态无功功率qin，输出是 ，第三比较器Yn，输入为vdc1和vdc2，输出是vdc1- vdc2，开关量控制信号形成电路，包括：开关量控制信号Sq的形成电路、开关量控制信号Sp和开关量控制信号Sn的形成电路，其中：开关量控制信号Sp的形成电路，输入是 ，输出是有功功率控制的开关量控制信号Sp，开关量控制信号Sq的形成电路，输入是 ，输出是无功功率控制的开关量控制信号Sq，开关量控制信号Sn的形成电路，输入是vcd1和vcd2，输出是vcd1- vcd2，所述三个开关量控制信号形成电路均为一种滞环比较电路，
直接功率控制开关表，是一种根据三个开关量控制信号Sp、Sq和Sn换算出送往所述PWM变换器三个开关量Sa、Sb和Sc的控制矢量矩阵；
步骤（2） 所述基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统依次按以下步骤进行基于瞬态电磁能量平衡的PWM控制：步骤（2.1） 所述瞬态能量计算电路分别按下式计算WEI-1、WEI-2、pin和qin：其中：Ls是网侧电抗器的电感，Cdc1、Cdc2分别是直流母线上半边母线电容和直流母线下半边母线电容，ic可根据三相电路平衡原理，由ia、ib检测值计算得出，其中： ， ，
步骤（2.2） 所述瞬态输出功率计算电路按下式计算瞬态输出功率Pout，按连续的两个周期Ts计算ΔWEI-1、ΔWEI-2：其中：PRS是瞬态等效电阻损耗，
步骤（2.3） 所述目标稳态能量计算电路按下式计算 、 和稳态等效电阻损耗：其中：Rs是等效电阻，E是电源电压有效值，
步骤（2.4） 所述输入功率控制量计算电路按下式计算输入有功功率控制量 和输入无功功率控制量 ：其中：Rs1、Rs1、….. Rsk表示k组等效电阻，k是有限正整数，ERk表示第k组等效电阻Rk上的电压，步骤（2.5） 所述第一比较器Yp输出 ，所述第二比较器Yq输出-qin，所述第三比较器Yn输出vdc1- vdc2步骤（2.6） 所述开关量控制信号Sp 、Sq、Sn分别由滞环比较电路确定，步骤（2.7） 所述直接功率控制开关表形成电路输出三个开关量Sa、Sb、Sc；
步骤（3） 判断连续两个周期Ts的ΔWEI-1=ΔWEI-2=0否，若ΔWEI-1≠ΔWEI-2≠0，则重复步骤（2.1）至步骤（2.7），一直到ΔWEI-1=ΔWEI-2=0，控制结束。
基于瞬态电磁能量平衡的电力电子变换器控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子变换系统的控制方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
[0002] 变换器的目的是实现电磁能量特征（电量波形、特征参数等）的有效变换。为得到所期望的变换特性，目前大部分电力电子变换器中都采用PWM的方法以得到所需的电力特性，这种以PWM方式输出的电磁能量表现为脉冲及脉冲序列形式，有效的脉冲能量及其序列是电力电子变换器中的基本形式。这种脉冲能量是电磁能量瞬态变换过程的一种形式，其时间常数通常在微秒或纳秒之内。这种短时间尺度的电磁能量瞬态过程对于电力电子变换器的可靠运行起决定性作用：一方面它是电量波形变换的基础；另一方面，若控制不好，它将直接导致器件失效和装置损坏。
[0003] 对于电力电子变换器各种经典控制方法，如矢量控制（VC）、直接转矩控制(DTC)、直接功率控制(DPC)等，虽然其内环（电流环或功率环）各具特点，但共同点是其外环均采用了相似的结构，即通过指令值（电压或电流）和反馈值的误差，采用PI调节器进行调节，控制结构图如图1 所示。
[0004] 这种常规的PI控制器（以直流母排电压控制为例）如式（1）所示：
[0005]
[0006] 它利用其积分环节消除控制误差。但是，积分环节对过去时刻系统状态的“记忆效应”会在动态过程中造成超调。以直流母线电压上升过程为例，在电压控制动态过程中，实际直流母线电压偏离其指令值，指令值和反馈值之差在PI控制器积分环节中随时间积累，变换器输入有功功率或有功电流逐渐增加。当输入功率上升至高于输出功率与电阻消耗功率之和，即pin > pRs + pout时，可得能量平衡关系：
[0007]
[0008] “过剩”的输入能量将补偿变换器中的电感电容电磁储能与其稳态目标值之差，储能元件对应的能量特征量（直流母线电压和电网电流）逐渐增大。当电感电容中储能达到其目标稳态值时，理想的变换器输入功率应该瞬间下降至pin = pRs* + pout*使变换器保持在目标稳态（ΔWEI-1 = ΔWEI-2 = 0）进而将直流母线电压保持在其指令值。但是由于PI控制器积分环节的存在，使输入有功功率或有功电流指令值只能逐渐缓慢下降，实际输入变换器的有功功率也随之缓慢下降。在实际有功功率下降至目标能量平衡状态对应的输入有功功率值（pRs* + pout*）之前，其中“过剩”的输入能量继续使电感电容的储能增加，在直流母线电压中产生超调量。
[0009] 增大式（2）中PI控制器积分环节系数ki虽然可以加快动态过程中有功功率控制量的上升速度，使直流母线电压动态响应加快，但同时也会增强控制器的“记忆效应”，使直流母线电压超调量增大；相反地，减小ki可以有效降低直流母线电压超调量，但是会造成其动态响应减慢，而且负载功率变化造成的直流母线电压跌落也会增大，如图2中仿真波形所示。因此，电力电子变换器在应用常规电压控制策略时，动态响应速度和超调量之间存在难以调和的矛盾。
[0010] 众所周知，在电磁能量的变换过程中，必须遵循电磁能量守恒和能量不能突变原则，这是瞬态电磁能量变换的理论基础。以往的瞬态电磁能量研究主要在电磁兼容与电子时域测试技术和冲激雷达等方面。在电力电子领域应用很少，在“半导体器件失效的物理机理研究”和“简单斩波电路的瞬态电磁场分析”等方面有一些初步的应用，但仅限于半导体开关器件和简单拓扑中的电磁场分析。2001年Jan Abraham Ferreira和J. Dan Van Wyk发表了一篇电力电子变换器中的电磁能量传播的论文，展现了从能量的角度来看电力电子变换器的结构和运行，具有启发性。但没有论及瞬态电磁能量平衡过程的分析及其控制。
[0011] 当电力电子变换器中存在多组储能元件或者具有多种不同性质的控制目标（既要控制电压，又要控制电流）时，传统的电压或电流闭环控制策略往往难以做到统筹兼顾。
发明内容
[0012] 本发明的目的是采用瞬态电磁能量平衡原理来实施变换器的多变量控制。其控制框图如图3所示。
[0013] 本发明的特征在于，是在一种基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统中依次按以下步骤实现的：
[0014] 步骤（1） 构建一个所述的基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统；
[0015] 所述PWM变换器控制系统含有：PWM变换器、瞬态能量计算电路、瞬态输出功率计算电路、目标稳态能量计算电路、输入功率控制量计算电路、直接功率控制开关表形成电路、比较器以及开关量控制信号形成电路，其中：
[0016] 瞬态能量计算电路，设有：第一输出电压Vdc1和第二输出电压Vdc2的输入端，Vdc1+ Vdc2= Vdc，a相、b相电源瞬时电压ea、eb两个输入端，a相、b相电源瞬时电流ia、ib两个输入端，还设有：所述PWM变换器中感性元件上磁场能量WEI-1输出端和容性元件上电场能量WEI-2输出端，瞬态三相有功功率Pin输出端和瞬态三相无功功率qin输出端，
[0017] 瞬态输出功率计算电路，设有：所述的ia、ib、Pin、WEI-1、WEI-2各量的输入端，还设有：瞬态输出功率Pout输出端，
[0018] 目标稳态能量计算电路，设有：所述PWM变换器的输出电压目标稳态值 输入端，所述Pout值的输入端，还设有：两个所述WEI-1和WEI-2的目标稳态值 和 的输出端，[0019] 输入功率控制量计算电路，设有：所述各目标稳态量 、 、各瞬态量Pout、WEI-1、WEI-2的输入端，还设有：所述pin的目标稳态量 ，也称输入有功功率控制量 的输出端，
[0020] 比较器，包括：第一比较器Yp，第二比较器Yq，第三比较器Yn，其中：
[0021] 第一比较器Yp，为功率有功分量比较器，输入是输入有功功率控制量 ，还有一个所述瞬态有功功率pin，输出是 ，
[0022] 第二比较器Yq，为功率无功分量比较器，输入是无功功率控制量 和所述瞬态无功功率qin，输出是 ，
[0023] 第三比较器Yn，输入为vdc1和vdc2，输出是vdc1- vdc2，
[0024] 开关量控制信号形成电路，包括：开关量控制信号Sq的形成电路、开关量控制信号Sp和开关量控制信号Sn的形成电路，其中：
[0025] 开关量控制信号Sp的形成电路，输入是 ，输出是有功功率控制的开关量控制信号Sp，
[0026] 开关量控制信号Sq的形成电路，输入是 ，输出是无功功率控制的开关量控制信号Sq，
[0027] 开关量控制信号Sn的形成电路，输入是vcd1和vcd2，输出是vcd1- vcd2，[0028] 所述三个开关量控制信号形成电路均为一种滞环比较电路，
[0029] 直接功率控制开关表，是一种根据三个开关量控制信号Sp、Sq和Sn换算出送往所述PWM变换器三个开关量Sa、Sb和Sc的控制矢量矩阵；
[0030] 步骤（2） 所述基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制系统依次按以下步骤进行基于瞬态电磁能量平衡的PWM控制：
[0031] 步骤（2.1） 所述瞬态能量计算电路分别按下式计算WEI-1、WEI-2、pin和qin：
[0032]
[0033]
[0034] 其中：Ls是网侧电抗器的电感，Cdc1、Cdc2分别是直流母线上半边母线电容和直流母线下半边母线电容，ic可根据三相电路平衡原理，由ia、ib检测值计算得出，
[0035]
[0036]
[0037] 其中： ， ，
[0038] 步骤（2.2） 所述瞬态输出功率计算电路按下式计算瞬态输出功率Pout，按连续的两个周期Ts计算ΔWEI-1、ΔWEI-2：
[0039]
[0040] 其中：PRS是瞬态等效电阻损耗，
[0041] 步骤（2.3） 所述目标稳态能量计算电路按下式计算 、 和稳态等效电阻损耗 ：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 其中：Rs是等效电阻，E是电源电压有效值，
[0046] 步骤（2.4） 所述输入功率控制量计算电路按下式计算输入有功功率控制量 和输入无功功率控制量 ：
[0047]
[0048] 其中：Rs1、Rs1、….. Rsk表示k组等效电阻，k是有限正整数，ERk表示第k组等效电阻Rk上的电压，
[0049]
[0050] 步骤（2.5） 所述第一比较器Yp输出 ，所述第二比较器Yq输出 ，所述第三比较器Yn输出vdc1- vdc2
[0051] 步骤（2.6） 所述开关量控制信号Sp 、Sq、Sn分别由滞环比较电路确定，[0052] 步骤（2.7） 所述直接功率控制开关表形成电路输出三个开关量Sa、Sb、Sc；
[0053] 步骤（3） 判断连续两个周期Ts的ΔWEI-1=ΔWEI-2=0否，若ΔWEI-1≠ΔWEI-2≠0，则重复步骤（2.1）至步骤（2.7），一直到ΔWEI-1=ΔWEI-2=0，控制结束。
[0054] 本发明具有以下的优点：
[0055] 1、物理意义明确：基于瞬态能量平衡的控制策略中控制方程的推导依据是变换器中的瞬态能量平衡关系式，该关系式各项分别对应变换器的输入能量、输出能量、变换器中的损耗以及储能变化量，具有明确的物理意义。
[0056] 2、统一不同控制对象：基于瞬态能量平衡的控制策略应用在具有多个控制对象的电力电子变换系统中时，将各个电流、电压控制对象分别转换为感性元件和容性元件存储的瞬态电磁能量，并通过能量平衡关系建立联系，从而可以在控制中统一考虑各控制对象。
[0057] 3、控制精度高：由于基于瞬态能量平衡控制策略的控制方程是由瞬态能量平衡关系式严格推导得来，控制量的计算考虑了所有的瞬态能量流向，因此具有更高的控制精度。
[0058] 4、动态性能好：基于瞬态能量平衡的控制策略的目标是在最短时间内使变换器达到目标能量稳态，计算过程中只涉及当前控制周期和上一控制周期的系统状态，避免了传统控制策略的“记忆效应”，动态响应快；变换器中各个储能元件同时达到能量稳态后，基于瞬态能量平衡的控制策略迅速调节控制量，使各储能元件保持在该稳态而不再发生能量交换，使动态过程基本不产生超调量。
附图说明
[0059] 图1. 电力电子变换器常规控制方法框图;
[0060] （a）电压定向矢量控制（VOC）方法框图
[0061] （b）直接功率控制（DPC）方法框图
[0062] 图2. 传统控制策略电压控制效果仿真波形;
[0063] （a）增大积分系数
[0064] （b）减小积分系数
[0065] 图3. 基于瞬态电磁能量平衡的PWM变换器控制框图
[0066] 图4. 变换器中能量分布和流向；
[0067] 图5. 三电平PWM变换器基于瞬态能量平衡的控制方法结构框图
[0068] 图6. 三电平PWM变换器直流母线电压指令值突变仿真对比波形
[0069] （a）传统控制策略
[0070] （b）基于瞬态能量平衡的控制策略
[0071] 图7. 三电平PWM变换器负载功率突变仿真对比波形
[0072] （a）传统控制策略
[0073] （b）基于瞬态能量平衡的控制策略
[0074] 图8. 三电平PWM变换器负载功率突变实验对比波形
[0075] （a）传统控制策略
[0076] （b）基于瞬态能量平衡的控制策略
具体实施方式
[0077] 根据能量守恒定律，电力电子变换器在任意一段时间内应保持能量平衡，即输入、输出、损耗和储能之间的能量平衡。以电力电子变换器一个控制周期Ts为例，其能量分布和流动如图4所示。一个控制周期内输入能量的流向均可分为四部分：第一部分转换为变换器中各电阻（包括等效电阻）上的损耗，第二部分转换为感性元件中存储的磁场能，第三部分转换为容性元件中存储的电场能，第四部分输出到变换器的负载。这里输入能量、输出能量和流向储能元件的能量都可以是双向流动的。
[0078] 假设变换器中存在m组感性元件，n组容性元件和k组等效电阻，则根据上述能量平衡关系，
[0079]
[0080] 其中，Ein和Eout分别是变换器一个控制周期内的输入和输出能量，ERi (i=1…k)是等效电阻在一个控制周期内损耗的能量，ΔWLi (i=1…m)是感性元件中瞬态磁场能量在一个控制周期内的变化量，ΔWEi (i=1…n)是容性元件中瞬态电场能量在一个控制周期内的变化量。
[0081] 电力电子变换器的闭环控制目标通常为电压或者电流量，公式（3）中的各物理量可以和各电压或电流量建立对应关系：
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087] 以上各物理量中，电感电流iLi和电容电压uCi是系统状态变量，一般作为变换器的闭环控制对象；输入电压vin、输入电流iin或输入功率pin是通过改变开关状态直接可控的控制变量，闭环控制策略需要根据变换器的控制目标和当前控制周期状态计算出下一周期的控制变量，进而推导出下一周期的开关状态。基于瞬态能量平衡控制策略的目标是使变换器以最快速度（一个控制周期Ts内）达到并保持在稳态，因此得出其控制方程：
[0088]
[0089] 等号右侧不带上标变量的代表实际值，可以通过传感器反馈值得到；带星号上标变量的代表目标值（稳态值），其中部分是已知的变换器控制目标，另一部分则需要通过变换器的目标稳态能量平衡关系计算出。
[0090] 当变换器达到目标稳态时，变换器中各储能元件中存储的瞬态电磁能量不再发生变化，在一个控制周期内，输入能量与电阻损耗和输出能量达到平衡，因此，[0091] 根据此能量平衡关系式可以计算出式（7）中的未知目标值，进一步可计算出下一控制周期变换器所需要的输入控制量，最后根据变换器主电路得到下一周期的开关控制信号。
[0092] 以三电平PWM变换器中的瞬态能量平衡控制为例。
[0093] 根据公式（9），三电平PWM变换器中的瞬态能量平衡控制方程为：
[0094]
[0095] 其中，网侧电抗器和母线电容当前存储的瞬态能量WEI-1和WEI-2可通过传感器采样值计算：
[0096]
[0097]
[0098] 母线电容目标稳态能量WEI-2*可以根据直流母线电压指令值直接计算：
[0099]
[0100] 输出功率pout可由连续两个周期采样值计算：
[0101]
[0102] 稳态等效电阻损耗pRs*和网侧电抗器目标稳态能量WEI-1*则需要根据目标稳态能量平衡关系（10）推导出：
[0103]
[0104]
[0105] 根据上述输入有功功率控制量计算步骤，构建三电平PWM变换器基于瞬态能量平衡的控制策略结构框图如图5所示。
[0106] 图6为三电平PWM变换器传统控制策略与基于瞬态能量平衡的控制策略在直流母线电压指令值突变时的直流母线电压和有功、无功功率仿真对比波形。可以看出，相对于传统控制策略，基于瞬态能量平衡的控制策略对功率的调节更加迅速而精确，直流母线电压的动态响应速度更快，而且几乎不存在超调。
[0107] 图7和图8分别为三电平PWM变换器传统控制策略与基于瞬态能量平衡的控制策略在负载功率突变时的仿真对比波形和实验对比波形。可以看出采用基于瞬态能量平衡的控制策略后，有功功率控制更加迅速，直流母线电压跌落更小，而且恢复得更快。从实验结果可以得出，采用基于瞬态能量平衡的控制策略后，直流母线电压跌落幅度下降到原来的1/3以下，有效提高了直流母线电压的稳定性。
