一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法

摘要

本发明公开一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法，包括：主电源自主生成输出电压相位和频率，副电源采用自适应陷波器模块实时获取主电源相位角θ1和角频率ω1，得到与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur；将副电源输出电压给定值U2乘以ur后，与副电源实际输出电压uo2作差，得到差值△ue2，并经过副电源电压控制模块改进的PI控制器，得到副电源电压调制信号ut2；副电源SPWM模块根据副电源电压调制信号ut2得到对应的开关控制信号，控制逆变电源开关管的开通和关断。通过仿真软件验证，上述方法能够实现串联逆变电源同步稳定运行，静态误差小。相比于现有控制方法，控制结构简单，输出电压波形质量高。

权利要求

1.一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法，其特征在于，包括：逆变电源包括主电源和副电源，串联电源由主电源和副电源组成，所述主电源自主生成输出电压相位和频率，副电源采用自适应陷波器模块根据主电源输出电压u1实时获取主电源相位角θ1和角频率ω1，得到与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur；

自适应陷波器采用如下形式的动力学方程：

其中y为输入信号，x为自适应陷波器的状态信号，θ为自适应陷波器的工作频率，γ为控制自适应陷波器频率自适应速度的参数，ζ为控制自适应陷波器带宽的参数，γ和ζ都取正数，式(1)所示动力学方程在达到稳定状态时，具有如下运行轨道：此时，与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur由下式直接计算得到：式(3)中的参数 由式(2)中的轨道变量直接观测得到；

将副电源输出电压给定值U2乘以ur后，与副电源实际输出电压uo2作差，将得到的差值Δue2送入副电源电压控制模块，得到副电源电压调制信号ut2；

副电源电压控制模块采用改进的PI控制器，输入为误差信号Δue2，输出为电压调制信号ut2；

副电源电压控制模块采用改进的PI控制器，在传统PI控制器的基础上增加准谐振控制器，副电源电压控制模块中基波电压由PI控制器调节，谐波电压由并联的若干个准谐振控制器抑制，改进的PI控制器的传递函数为：其中，KP、KI、KR 、ωc分别为改进的PI控制器的比例和积分系数,ω0为式(2)所示自适应陷波器估测的主电源输出电压频率；

副电源SPWM模块根据副电源电压调制信号ut2得到对应的开关控制信号，控制逆变电源开关管的开通和关断。

说明书

一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法。

背景技术

[0002] 随着逆变电源的飞速发展以及高压大功率的电源需求，各种逆变电源的串、并联组合得到了广泛应用，其中以并联应用居多，但在需要高电压输出、宽范围输出等特殊应用场合，串联工作方式具有优势。在逆变电源串联运行时，需要保持电源之间的同步、稳定运行才能保证组合电源的电能质量，这就需要各个逆变电源具有实时同步功能和输出电压控制功能。

[0003] 同步控制算法是逆变电源串联控制的基础，其动态和静态性能，影响组合电源的电能质量。目前，常见的同步控制算法主要有：过零点检测法、乘法鉴相器法、二阶积分器法、基于傅里叶变换的同步法、基于小波变换的同步法等。但是上述方法均存在各自的缺点而影响逆变电源串联运行时的电能质量。例如：过零点检测法对噪声敏感且动态响应速度慢；乘法鉴相器法存在低通滤波时延，导致动态响应速度慢；二阶积分器法频率是固定的，在频率波动时存在误差；基于傅里叶变换的同步法、基于小波变换的同步法计算负担较大，较难在一般数控芯片中实现。而在逆变电源控制器方面，有较多可控选择的控制算法，如PI控制、PR控制、预测控制等，上述算法在动态响应速度和稳定精度之间需要平衡。当任一串联的逆变电源无法做到同步或无法实现较好输出波形时，整个组合电源的电能质量都会受到影响。

[0004] 因此，研究一种能实现逆变电源串联稳定运行的同步控制算法对提高电源输出电能质量非常重要。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法，以解决现有的串联逆变电源同步运行稳定性差，组合电源电压稳态误差大的问题。

[0006] 一种基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法，包括：

[0007] 串联电源由主电源和副电源组成，所述主电源自主生成输出电压相位和频率，副电源采用自适应陷波器模块根据主电源输出电压u1实时获取主电源相位角θ1和角频率ω1，得到与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur；

[0008] 将副电源输出电压给定值U2乘以ur后，与副电源实际输出电压uo2作差，将得到的差值△ue2送入副电源电压控制模块，得到副电源电压调制信号ut2；

[0009] 副电源电压控制模块采用改进的PI控制器，输入为误差信号△ue2，输出为电压调制信号ut2；

[0010] 副电源SPWM模块根据副电源电压调制信号ut2得到对应的开关控制信号，控制逆变电源开关管的开通和关断。

[0011] 优选的，在上述基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法，副电源采用自适应陷波器的方法实时获得主电源输出电压相位和频率，得到与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur。自适应陷波器采用如下形式的动力学方程：

[0012]

[0013]

[0014] 其中y为输入信号，x为自适应陷波器的状态信号，θ为自适应陷波器的工作频率，γ为控制自适应陷波器频率自适应速度的参数，ζ为控制自适应陷波器带宽的参数，γ和ζ都取正数。式(1)所示动力学方程在达到稳定状态时，具有如下运行轨道：

[0015]

[0016] 此时，与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur由下式直接计算得到：

[0017]

[0018] 式(3)中的参数 由式(2)中的轨道变量直接观测得到。

[0019] 优选的，在上述基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法，副电源电压控制模块采用改进的PI控制器，在传统PI控制器的基础上增加准谐振控制器，副电源电压控制模块中基波电压由PI控制器调节，谐波电压由并联的若干个准谐振控制器抑制，改进的PI控制器的传递函数为：

[0020]

[0021] 其中，KP、KI、KI、ωc分别为改进的PI控制器的比例和积分系数,ω0为式(2)所示自适应陷波器估测的主电源输出电压频率。

[0022] 相比于现有控制方法，本发明提供的控制结构简单，通过仿真软件验证，上述方法能够实现串联逆变电源同步稳定运行，静态误差小，输出电压波形质量高。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明提供的基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法所应用场景的硬件连接关系图；

[0025] 图2为本发明提供的基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法的控制框图；

[0026] 图3为采用本发明提供的基于自适应陷波器的同步控制方法运行的串联逆变电源的仿真波形。

具体实施方式

[0027] 请参考图1，本发明提供的基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法所应用场景的硬件连接关系图，主要包括主电源和副电源两部分，两者串联形成组合电源。其中：主电源和副电源均采用单相全桥逆变拓扑结构，主电源自主生成输出电压相位和频率，副电源采用自适应陷波器模块跟踪主电源输出电压相位和频率。对于图1中硬件的控制过程，请参考图2，图2为本发明提供的基于自适应陷波器的逆变电源串联同步控制方法的控制框图，如图2所示，首先利用自适应陷波器对主电源输出电压u1进行自适应滤波，获取主电源的相位角θ1和角频率ω1，得到与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur。

[0028] 自适应陷波器采用如下形式的动力学方程：

[0029]

[0030]

[0031] 其中y为输入信号，x为自适应陷波器的状态信号，θ为自适应陷波器的工作频率，γ为控制自适应陷波器频率自适应速度的参数，ζ为控制自适应陷波器带宽的参数，γ和ζ都取正数。式(1)所示动力学方程在达到稳定状态时，具有如下运行轨道：

[0032]

[0033] 此时，与主电源电压同频同相的单位幅值正弦信号ur由下式直接计算得到：

[0034]

[0035] 式(3)中的参数 由式(2)中的轨道变量直接观测得到。

[0036] 将副电源的电压给定幅值U2乘以ur得到副电源参考电压瞬时值，然后减掉实时采集的副电源实际输出电压uo2即得到误差信号△ue2将误差信号△ue2和自适应陷波器模块估测的主电源输出电压频率ω0传入副电源电压控制模块，该模块采用改进的PI控制器，其传递函数如式(4)所示，得到输出电压调制信号ut2通过常规的SPWM调制方法生成驱动指令，控制逆变电源开关管的开通和关断。

[0037] 副电源电压控制模块采用改进的PI控制器，在传统PI控制器的基础上增加准谐振控制器，副电源电压控制模块中基波电压由PI控制器调节，谐波电压由并联的若干个准谐振控制器抑制，改进的PI控制器的传递函数为：

[0038]

[0039] 其中，KP、KI、KI、ωc分别为改进的PI控制器的比例和积分系数,ω0为式(2)所示自适应陷波器估测的主电源输出电压频率。

[0040] 图3是采用专业电源仿真软件Saber，对采用本发明的控制方法运行的串联逆变电源仿真波形进行仿真验证的结果图。其中，(a)为主电源输出电压波形；(b)为副电源用自适应陷波器模块估测的主电源电压相位，(c)为主电源与副电源串联后的输出电压波形。可见，图3(b)估测的相位与图3(a)的结果基本一致；图3(c)中采用本发明的串联同步控制方法后，输出电压为正弦波形，其THD(总谐波畸变)为1％左右，电压幅值稳定，波动幅度为2％，说明较好的实现了串联逆变电源同步稳定运行，静态误差小。相比于常规控制方法，本发明控制结构简单，输出电压波形质量高，具有一定的应用前景。

[0041] 以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。