基于二阶滑模和扰动观测器的三相pwm逆变器控制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于二阶滑模和扰动观测器的三相PWM逆变器控制方法，适用于三相交流逆变器的高性能控制，该方法首先用3/2坐标变换将三相交流逆变器系统解耦为两个单相的二阶子系统，在此基础上分别对两个二阶子系统进行设计，考虑系统负载变换的情况下设计扰动观测器来对匹配和不匹配扰动进行观测，在获得扰动估计值的基础上设计二阶滑模控制和扰动观测器的复合控制方法，可以提高系统的抗负载扰动能力，该方法实现简单，参数调节较少，可以有效地减小三相交流逆变器系统电压输出谐波，从而达到提高交流逆变器系统稳态精度的目的，满足高性能交流逆变器系统电压输出领域应用。
【专利说明】基于二阶滑模和扰动观测器的三相PWM逆变器控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三相电力电子逆变器控制技术，特别涉及一种基于二阶滑模控制 和扰动观测器的三相PWM逆变器控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着环境问题的日益凸显与化石能源的逐渐枯竭，新能源发电受到越来越多的关 注。逆变器作为其中的主要接口装置，带来的最主要的电能质量问题是谐波污染。低性能 逆变器会威胁负载设备安全和影响用户侧电能的使用。通过先进控制算法控制逆变器降低 谐波污染问题，对改善电能质量和维护电网稳定起着重要作用。
[0003] 为此，人们提出了多种控制方法：PID控制、线性反馈控制、重复控制、谐振控制 等。文献（彭力，张宇，康勇，等.高性能逆变器模拟控制器设计方法[J].中国电机工程 学报，2006, 26(6) :89-94.)提出一种基于极点配置的PID参数设计方法，适用于输出电压 单闭环控制。传统PID控制具有动态响应快、标称线性负载下输出电压总谐波畸变率（THD) 较低等优点，但是对正弦形式的信号难以实现静态无差调节。基于零极点配置的线性反馈 控制如无差拍控制、状态反馈控制等方法能显著改善系统的动态性能和鲁棒性，但是对精 确数学模型的依赖性高，在非线性负载、系统参数变化等情况下不能实现静态无差调节，甚 至会使系统性能恶化。基于内模原理的重复控制对周期性信号可以实现静态无差跟踪控制 或者扰动消除，近年来获得广泛关注。文献（刘飞，邹云屏，李辉.基于重复控制的电压源 型逆变器输出电流波形控制方法[J].中国电机工程学报，2006, 25 (19) : 58-63.)将重复控 制和状态反馈共同用到逆变器控制中，不仅保证了系统的稳定性，而且提高了控制精度。但 受信号内模中延迟环节的限制，动态响应较慢。谐振控制对正弦信号的无差控制误差收敛 速度和系统响应速度较快，但一个谐振环节只针对单一频率的正弦信号，所以当对多个频 率的正弦信号进行稳态无差控制时，结构就会变得复杂。文献（Yang Y，Zhou K，Cheng M，et al. Phase compensation multiresonant control of CVCF PWM converters[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2013, 28(8) :3923-3930.)提出多谐振控制和重复控 制结合对逆变器进行相位补偿的方法，提高了跟踪精度和误差收敛速度。
[0004] 扰动观测器（DO)具有良好的处理系统外界干扰和内部不确定的能力，已经成 为近年来先进控制方法研究的热点。它的优点在于：可将系统的外部干扰和内部不确定 性及建模误差等统一看成系统的复合干扰，通过设计扰动观测器对其进行估计，进而设 计基于估计值的复合控制器来对扰动进行补偿使系统获得期望的性能。文献（李春鹏， 贲洪奇，孙绍华，等.采用扰动观测器的并网逆变器死区补偿方法[J].电机与控制学 报，2013, 17(3) :28-33.)将扰动观测器引入并网逆变器控制，不仅提高了死区补偿效果， 而且提高了系统的稳定性和抗扰性能。
[0005] 另外，滑模变结构控制通过控制量的切换使系统状态沿着预定"滑动模态"的 轨迹运动，而滑动模态的设计与对象参数及扰动无关，这就使得系统在受到参数摄动 和外干扰的时候具有不变性，具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，同样受到 国内外学者的广泛关注。文献（Schirone L，Celani F，Macellari M.Discrete-time control for DC - AC converters based on sliding mode design[J]. IET Power Electronics，2012, 5(6) :833-840.)利用改进的滑模控制方法提高了逆变器的鲁棒性，降 低了总谐波畸变率。
[0006] 然而，滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性会引起系统的抖振问题。传统 滑模控制往往需要很大的切换增益来消除外加干扰及不确定项，因此，外界干扰及不确定 项是滑模控制中抖振的主要来源，特别是当面对不匹配扰动时传统的滑模显得无能为力。
【发明内容】
[0007] 本发明针对以上问题，提出一种基于扰动观测器估计负荷扰动并加以补偿来消除 滑模控制抖振问题的三相PWM逆变器控制方法，通过本发明可以提高逆变器输出电能质 量，提高系统的动态性能和鲁棒性。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆变器系统交流电压谐波抑制 方法，其特征是包括如下步骤：
[0010] 步骤一：用3/2坐标变换将三相PWM逆变器系统解耦为两个单相的二阶子系统；
[0011] 步骤二：分别对两个单相的二阶子系统进行设计，考虑系统负载变换的情况下设 计扰动观测器（DO)来对匹配和不匹配扰动进行观测，获得扰动的估计值；
[0012] 步骤三：在获得扰动估计值的基础上设计二阶滑模控制（SOSMC)和扰动观测器 (DO)来进行复合控制；
[0013] 步骤四：对滑动模态控制律进行2/3坐标变换，然后通过SPWM调制产生PWM信号 控制逆变器开关管的开通和关断。
[0014] 具体包括如下步骤：
[0015] (1)对三相PWM逆变器系统建模可得i =沦+ 5? ,其中X= (vab Vbc Vca iA iB ic) τ是状态变量，Vab、vb。、vea、i A、iB、i。分别是三相PWM逆变器输出端的三相电容电压和三相电 感电流，i是X的导数，u是逆变器开关管的控制输入，A和B是与系统有关的矩阵，对模型 进行3/2变换，将系统分解成α - β坐标系下两个独立的系统：
【权利要求】
1. 一种基于二阶滑模和扰动观测器的三相PWM逆变器系统交流电压谐波抑制方法，其 特征是包括如下步骤： 步骤一：用3/2坐标变换将三相PWM逆变器系统解耦为两个单相的二阶子系统； 步骤二：分别对两个单相的二阶子系统进行设计，考虑系统负载变换的情况下设计扰 动观测器来对匹配和不匹配扰动进行观测，获得扰动的估计值； 步骤三：在获得扰动估计值的基础上设计二阶滑模控制器和扰动观测器来进行复合控 制； 步骤四：对滑动模态控制律进行2/3坐标变换，然后通过SPWM调制产生PWM信号控制 逆变器开关管的开通和关断。
2. 根据权利要求1所述的一种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆变器系统 交流电压谐波抑制方法，其特征是步骤一包括以下步骤： 对三相PWM逆变器系统建模，对模型进行3/2坐标变换，将系统分解成α-β坐标系下 两个独立的系统：
其中，以V、i和u。统一表示两个子系统的电压、电流和控制量，V = να或Ve，i = ia 或!^,Ue = Ua *ue,va、ia、ua、ve、i e、ue分别为变换到a轴上的电压、电流、控制量和 变换到β轴上的电压、电流和控制量，1)和/分别为的V和i导数，L和C是滤波电感和电 容，R是负载电阻，E是直流电压。
3. 根据权利要求2所述的一种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆变器系统 交流电压谐波抑制方法，其特征是步骤二包括以下步骤： 当负载R变化时，系统方程变换成如下形式：
其中X1和X2为重新构造的状态，f、b、k与系统参数有关,给定系统参数后可以确定，d 为负载扰动项； 基于上述模型，设计对应的扰动观测器：
其中^是对d的估计，z是对X1的估计，λ是要进行设计的参数。
4. 根据权利要求3所述的一种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆变器系统 交流电压谐波抑制方法，其特征是步骤三包括以下步骤： 根据设计的扰动观测器对负载扰动项d的估计值^，设计二阶滑模控制器：首先，设 计模滑面切换函数s = C1X1 +χ2 ，C1为要设计的参数；然后设计滑动模态控制律U s = Uusw，等效控制Ueq保证系统的状态在滑模面上，切换控制Usw保证系统的状态不离开滑模 面，最后的设计结果：
其中.和A分别为S和Usw的导数，选择李雅普诺夫方程：F = #/，设计参数Cl、入、 S 11SW 1 rpAiiV 的导数f><0。
5. 根据权利要求1-4任一所述的一种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆变 器系统交流电压谐波抑制方法，其特征是，所述的扰动观测器是线性的扰动观测器，可以观 测正弦波扰动。
6. 根据权利要求1-4任一所述的一种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆变 器系统交流电压谐波抑制方法，其特征是，所述的二阶滑模控制器是采用螺旋的二阶滑模 控制器。
7. 根据权利要求1-4任一所述的一种基于二阶滑模控制和扰动观测器的三相PWM逆 变器系统交流电压谐波抑制方法，其特征在于：所述三相PWM逆变器是二电平三相PWM逆变 器，其采取的调制策略是SPWM。
【文档编号】H02M7/48GK104393775SQ201410735635
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】李世华, 郑雯, 王军晓, 王佐, 李奇 申请人:东南大学