一种基于Z源逆变器的直流链电压控制系统及其方法与流程

本发明涉及一种电压控制技术领域，具体涉及一种基于z源逆变器的直流链电压控制系统及其方法。

背景技术：

由于人们对环境越来越关注，清洁能源如燃料电池、光伏发电、风能发电等得到了广泛的关注和应用。但燃料电池、光伏电池发电输出的直流电压波动范围很大，当它们作为逆变器的输入时，逆变器的直流链电压也会受到影响而波动，逆变器在缺乏闭环控制的情况下会造成误差累积，这样就会对逆变器的输出造成很大的影响；为了使逆变器的直流链电压稳定，就需要为逆变器直流链电压增加闭环控制系统。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于z源逆变器的直流链电压控制系统及其方法，能够稳定直流电压的输出范围，具有安全可靠的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于z源逆变器的直流链电压控制系统，包括电源模块1，所述电源模块1与阻抗网络2电力连接，阻抗网络2与逆变桥3电力连接，所述阻抗网络2中的电容器两端与电容电压采集电路4信号连接，所述电容电压采集电路4与总控制器5信号连接，所述总控制器5与逆变桥3中的开关管信号连接。

所述阻抗网络2包括第一电感线圈l1和第二电感线圈l2，第一电感线圈l1的一端与第一电容器c1的一端连接，第一电感线圈l1的另一端与第一电容器c2的一端连接；第二电感线圈l2的一端与第一电容器c1的另一端连接，第二电感线圈l2的另一端与第二电容器c2的另一端连接。

所述电源模块1包括直流电源dc，所述直流电源dc的一端与二极管d1的一端连接，所述二极管d1的另一端与第一电感线圈l1的一端相连；所述直流电源dc的另一端与第二电感线圈l2的另一端相连。

所述逆变桥3包括第一支路、第二支路和第三支路；所述第一支路、第二支路和第三支路之间为并联关系；

所述第一支路包括串联的第一开关管k1和第二开关管k2；

所述第二支路包括串联的第三开关管k3和第四开关管k4；

所述第三支路包括串联的第五开关管k5和第六开关管k6；

所述总控制器5的内部包括第一运算模块10、线性自抗扰控制模块6、第三运算模块12和spwm控制模块7；

所述第一运算模块10处理所述总控制器5接收自电容电压采集电路4的电容电压uc；第一运算模块10将该信号处理完毕得到直流链电压udc，并将直流链电压udc发送至线性自抗扰控制模块6；

所述第一运算模块10服从式1-1：

所述uc为电容电压，udc为直流链电压，为上一时刻直通占空比；

所述线性自抗扰控制模块6将直流链电压udc结合直流链电压参考峰值udc，ref进行运算处理，得到直通占空比偏差值δd，再将直通占空比偏差值δd输出至第三运算模块12；

所述线性自抗扰控制模块6服从式1-2、式1-3和式1-4

u0＝kp(r-z1)(1-3)

所述r代表直流链电压参考峰值udc，ref，u代表直通占空比偏差值δd，kp为控制比例，u0为运算中间量，z1为第一输出信号函数，z2为第二输出信号函数，为第一输出信号函数z1的导函数，第二输出信号函数z2的导函数，所述l1＝2ω0,l2＝ω0²，所述ω0为线性扩张观测模块的带宽，所述b的取值范围为10～80；

第三运算模块12将直通占空比偏差值δd结合上一时刻直通占空比d0^*得出当前时刻直通占空比d0；所述第三运算模块12服从式1-5：

d0＝d0^*+δd(1-5)

所述d0为当前时刻直通占空比，d0^*为上一时刻直通占空比，δd为直通占空比偏差值。

第三运算模块12通过总控制器5的信号输出端将当前时刻直通占空比d0输出至spwm控制模块7；

所述spwm控制模块7接收到第三运算模块12发送的当前时刻直通占空比d0的信号，然后spwm控制模块7生成控制信号，通过总控制器5的信号输出端将控制信号发送至逆变桥3中各开关管的控制端。

所述线性自抗扰控制模块6包括线性状态反馈律运算模块9、第二运算模块11和线性状态扩张观测器8；

所述线性状态反馈律运算模块9接收发送自线性状态扩张观测器8的第一输出信号z1，线性状态反馈律运算模块9将第一输出信号z1和直流链电压参考峰值udc，ref进行运算处理，得到中间值u0；所述线性状态反馈律运算模块9服从式1-3：

u0＝kp(r-z1)(1-3)

线性状态反馈律运算模块9再将中间值u0发送至第二运算模块11；

第二运算模块11还接收发送自线性状态扩张观测器8的第二输出信号z2，第二运算模块11对中间值u0和第二输出信号z2进行运算，得到第二运算模块11的输出u；第二运算模块11将输出u发送至线性状态扩张观测器8和第三运算模块12；

所述第二运算模块11服从式1-4：

u＝δd＝(-z2+u0)/b(1-4)

所述b的取值范围为10～80；

所述线性扩张状态观测模块8服从形如式1-2的数学模型：

所述式1-2的原型为式1-6：

其中，u为代表直通占空比偏差值δd，y代表电容电压uc，u与y均作为式1-6的输入；

敲为线性扩张观测器的状态矩阵；

为线性扩张观测器的状态向量；

b为输入矩阵，所述b取值在范围为10～80；

l为线性扩张观测器的观测器增益矩阵；

c＝[10]，c为线性扩张观测器的输出矩阵；

根据线性扩张状态观测模块8的输入输出，将式1-6改写为式1-7：

对式1-7进行进一步变换，令l1＝2ω0,l2＝ω0²即得到式1-2：

一种基于z源逆变器的直流链电压控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将上一时刻直通占空比瞬时值记为d0^*，通过电容电压采集电路4获取电容电压信息uc再，根据式1-1：

运算出直流链电压udc；

所述uc为电容电压，udc为直流链电压，为上一时刻直通占空比；

步骤二、将直流链电压udc与直流链电压参考峰值udc，ref输入线性自抗扰控制模块6，再根据式1-2、1-3和1-4；

u0＝kp(r-z1)(1-3)

经运算后得到代表直通占空比偏差值δd的u；

所述r代表直流链电压参考峰值udc，ref，u代表直通占空比偏差值δd，kp为控制比例，u0为运算中间量，z1为第一输出信号函数，z2为第二输出信号函数，为第一输出信号函数zf的导函数，第二输出信号函数z2的导函数，所述l1＝2ω0,l2＝ω0²，所述ω0为线性扩张观测模块的带宽；

步骤三、上一时刻直通占空比瞬时值d0^*加上直通占空比偏差值δd，得到当前时刻直通占空比d0；

步骤四、将所述直通占空比d0输入至spwm控制模块7中，spwm控制模块7通过控制直通零矢量的导通时间,进而控制逆变桥3中的开关管，最终实现直流链电压udc的稳定。

本发明的有益效果是：本发明建立了从阻抗网络1到spwm控制模块7再到阻抗网络1的闭环控制系统，能够在无外界扰动的情况下逐步缩小误差范围，即便受到外界扰动也能逐步恢复到平衡状态。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明的控制流程图。

图3是本发明中线性自抗扰控制模块6的内部工作逻辑。

1、电源模块；2、阻抗网络；3、逆变桥；4、电压电容采集电路；5、总控制器；6、线性自抗扰控制模块；7、spwm控制模块；8、线性扩张状态观测模块；9、线性状态反馈律运算模块；10、第一运算模块；11、第二运算模块；12、第三运算模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步描述。

一种基于z源逆变器的直流链电压控制系统，包括电源模块1，所述电源模块1与阻抗网络2电力连接，阻抗网络2与逆变桥3电力连接，所述阻抗网络2中的电容器两端与电容电压采集电路4信号连接，所述电容电压采集电路4与总控制器5信号连接，所述总控制器5与逆变桥3中的开关管信号连接。

所述阻抗网络2包括第一电感线圈l1和第二电感线圈l2，第一电感线圈l1的一端与第一电容器c1的一端连接，第一电感线圈l1的另一端与第一电容器c2的一端连接；第二电感线圈l2的一端与第一电容器c1的另一端连接，第二电感线圈l2的另一端与第二电容器c2的另一端连接。

所述电源模块1包括直流电源dc，所述直流电源dc的一端与二极管d1的一端连接，所述二极管d1的另一端与第一电感线圈l1的一端相连；所述直流电源dc的另一端与第二电感线圈l2的另一端相连。

所述逆变桥3包括第一支路、第二支路和第三支路；所述第一支路、第二支路和第三支路之间为并联关系；

所述第一支路包括串联的第一开关管k1和第二开关管k2；

所述第二支路包括串联的第三开关管k3和第四开关管k4；

所述第三支路包括串联的第五开关管k5和第六开关管k6；

所述总控制器5的内部包括第一运算模块10、线性自抗扰控制模块6、第三运算模块12和spwm控制模块7；

所述第一运算模块10处理所述总控制器5接收自电容电压采集电路4的电容电压uc；第一运算模块10将该信号处理完毕得到直流链电压udc，并将直流链电压udc发送至线性自抗扰控制模块6；

所述第一运算模块10服从式1-1：

所述uc为电容电压，udc为直流链电压，为上一时刻直通占空比；

所述线性自抗扰控制模块6将直流链电压udc结合直流链电压参考峰值udc，ref进行运算处理，得到直通占空比偏差值δd，再将直通占空比偏差值δd输出至第三运算模块12；

所述线性自抗扰控制模块6服从式1-2、式1-3和式1-4

u0＝kp(r-z1)(1-3)

所述r代表直流链电压参考峰值udc，ref，u代表直通占空比偏差值δd，kp为控制比例，u0为运算中间量，z1为第一输出信号函数，z2为第二输出信号函数，为第一输出信号函数z1的导函数，第二输出信号函数z2的导函数，所述l1＝2ω0,l2＝ω0²，所述ω0为线性扩张观测模块的带宽，所述b的取值为45；

第三运算模块12将直通占空比偏差值δd结合上一时刻直通占空比d0^*得出当前时刻直通占空比d0；所述第三运算模块12服从式1-5：

d0＝d0^*+δd(1-5)

所述d0为当前时刻直通占空比，d0^*为上一时刻直通占空比，δd为直通占空比偏差值。

第三运算模块12通过总控制器5的信号输出端将当前时刻直通占空比d0输出至spwm控制模块7；

所述spwm控制模块7接收到第三运算模块12发送的当前时刻直通占空比d0的信号，然后spwm控制模块7生成控制信号，通过总控制器5的信号输出端将控制信号发送至逆变桥3中各开关管的控制端。

所述线性自抗扰控制模块6包括线性状态反馈律运算模块9、第二运算模块11和线性状态扩张观测器8；

所述线性状态反馈律运算模块9接收发送自线性状态扩张观测器8的第一输出信号z1，线性状态反馈律运算模块9将第一输出信号z1和直流链电压参考峰值udc，ref进行运算处理，得到中间值u0；所述线性状态反馈律运算模块9服从式1-3：

u0＝kp(r-z1)(1-3)

线性状态反馈律运算模块9再将中间值u0发送至第二运算模块11；

第二运算模块11还接收发送自线性状态扩张观测器8的第二输出信号z2，第二运算模块11对中间值u0和第二输出信号z2进行运算，得到第二运算模块11的输出u；第二运算模块11将输出u发送至线性状态扩张观测器8和第三运算模块12；

所述第二运算模块11服从式1-4：

u＝δd＝(-z2+u0)/b(1-4)

所述b的取值范围为45；

所述线性扩张状态观测模块8服从形如式1-2的数学模型：

所述式1-2的原型为式1-6：

其中，u为代表直通占空比偏差值δd，y代表电容电压uc，u与y均作为式1-6的输入；

敲为线性扩张观测器的状态矩阵；

为线性扩张观测器的状态向量；

b为输入矩阵，所述b取值在范围为45；

l为线性扩张观测器的观测器增益矩阵；

c＝[10]，c为线性扩张观测器的输出矩阵；

根据线性扩张状态观测模块8的输入输出，将式1-6改写为式1-7：

对式1-7进行进一步变换，令l1＝2ω0,l2＝ω0²即得到式1-2：

一种基于z源逆变器的直流链电压控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将上一时刻直通占空比瞬时值记为d0^*，通过电容电压采集电路4获取电容电压信息uc再，根据式1-1：

运算出直流链电压udc；

所述uc为电容电压，udc为直流链电压，为上一时刻直通占空比；

步骤二、将直流链电压udc与直流链电压参考峰值udc，ref输入线性自抗扰控制模块6，再根据式1-2、1-3和1-4；

u0＝kp(r-z1)(1-3)

经运算后得到代表直通占空比偏差值δd的u；

所述r代表直流链电压参考峰值udc，ref，u代表直通占空比偏差值δd，kp为控制比例，u0为运算中间量，z1为第一输出信号函数，z2为第二输出信号函数，为第一输出信号函数z1的导函数，第二输出信号函数z2的导函数，所述l1＝2ω0,l2＝ω0²，所述ω0为线性扩张观测模块的带宽；

步骤三、上一时刻直通占空比瞬时值d0^*加上直通占空比偏差值δd，得到当前时刻直通占空比d0；

步骤四、将所述直通占空比d0输入至spwm控制模块7中，spwm控制模块7通过控制直通零矢量的导通时间,进而控制逆变桥3中的开关管，最终实现直流链电压udc的稳定。

本发明的工作原理是：通过采集电容电压uc，再将其转化为直流链电压udc，再将直流链电压udc与直流链电压参考峰值udc，ref进行运算得到直通占空比偏差值δd，再给δd加上上一时刻直通占空比d0^*得到当前时刻直通占空比d0，将d0输入至spwm控制模块7中，调节spwm控制模块7中的直通零矢量的导通时间，进而控制逆变桥3实现直流链电压udc的稳定。