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一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法

阅读：935发布：2020-06-17

专利汇可以提供一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，包括以下步骤：S1、对控制对象高频逆变器进行数学建模分析，建立传统控制器；S2、设计重复控制器，并根据传统控制器的性能指标要求选取重复控制器参数范围；S3、在步骤S2获得的重复控制器参数范围内重复筛选重复控制器参数，得到留存控制参数集合；S4、将步骤S3中的留存控制参数进一步筛选得到针对性控制参数集合，对针对性参数仿真验证后选择满足设计需要的全局优化参数。相较传统设计方法针对单个参数设计的原则，该方法设计过程简单高效且能得到全局优化参数。，下面是一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对控制对象高频逆变器进行数学建模分析，建立传统控制器；
S2、设计重复控制器，并根据传统控制器的性能指标要求选取重复控制器参数范围；
S3、在步骤S2获得的重复控制器参数范围内重复筛选重复控制器参数，得到留存控制参数集合；
S4、将步骤S3中的留存控制参数进一步筛选得到针对性控制参数集合，对针对性参数仿真验证后选择满足设计需要的全局优化参数。
2.如权利要求1所述的一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述对控制对象高频逆变器进行数学建模分析，建立传统控制器，包括：
利用控制理论分析高频逆变器，进行数学建模分析，得出系统传递函数，满足稳定性要求前提下根据传递函数特性选择传统控制策略。
3.如权利要求1所述的一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据传统控制器的性能指标要求选取重复控制器参数范围，包括，建立重复控制器稳定判断表达式，得出不同相位补偿下相角补偿环节结合表达式的相频响应曲线，考虑建模误差确定补偿范围；满足稳定性前提下，为减少测试次数确定重复控制增益范围；综合稳定性和准确性确定稳定系数取值范围。
4.如权利要求1所述的一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，其特征在于，步骤S3中，所述在步骤S2获得的重复控制器参数范围内重复筛选重复控制器参数，得到留存控制参数集合，包括以下步骤：
S31、选定重复控制参数最小值作为初始值，设计低通滤波环节；
S32、在相角补偿系数范围内对当前选择的重复控制参数取值进行稳定性分析，存取满足条件的控制参数；
S33、控制增益按照设定步长增长，重复重复执行步骤S32，存取当前稳定系数下满足稳定性分析条件下的控制参数；
S34、稳定系数按照设定步长增长，重复步骤S32和S33，得到稳定系数变化下的控制参数集合。
5.如权利要求3所述的一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，其特征在于，步骤S32中，所述在相角补偿系数范围内进行稳定性分析，存取满足条件的控制参数，包括：
获取重复控制器稳定判据的奈奎斯特曲线，求取提高控制系统稳定裕度的相角补偿系数参数取值；
引入稳态误差频域分析，保证在控制系统的高频点处不会引入谐振增益下相角补偿系数取值。
6.如权利要求1所述的一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述将步骤S3中的留存控制参数进一步筛选得到针对性控制参数集合，对针对性参数仿真验证后选择满足设计需要的全局优化参数，包括：
满足稳定性前提下，根据对快速性的需求调节控制增益参数，根据对准确性的需求调节稳定系数；
对满足上述条件的参数进行仿真验证，剔除不符合数据，选择符合实际系统设计需求的全局优化参数。

说明书全文

一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法。

背景技术

[0002] 为了实现高频逆变器的精准快速控制，将实时指令转变为准确的电压电流输出，逆变器控制通常选用闭环控制来实现无差跟踪，传统控制方法如PI控制、无差拍控制以及PR控制，可以实现工频信号的无差跟踪，当系统需要控制或抑制高频谐波信号时，系统开环控制增益逐渐衰减，系统跟踪精度会随频率增加而出现衰减，为解决高频增益衰减问题，逆变器高频控制通常采用重复控制，该控制方法可以在不增加运算强度的前提下，实现高频信号的无差跟踪或抑制。在高精度机床控制、有源滤波器以及光伏逆变器领域应用广泛。

[0003] 重复控制算法结构为一个正反馈控制系统，将输出信号滞后一个周波后与指令信号正向叠加，其数学解析式可看作无穷整数次谐振控制器叠加，理论上能实现任意次谐波指令无差跟踪。但正反馈结构属于不稳定系统，将该结构嵌入到传统控制系统会导致系统失稳，尤其是该算法应用于逆变器控制时，系统一次侧电压、电流输出会出现严重失控，系统硬件结构会出现过热甚至烧毁的风险，严重威胁人身设备安全。为保证该算法的控制稳定性，在实际应用该结构时经常结合补偿环节使用，包含以下几种控制参数：稳定系数、相角补偿、控制增益及高频抑制环节。通过调节上述参数改善系统控制性能，提高重复控制稳定裕度。

[0004] 重复控制算法的控制性能主要受到补偿环节参数的影响，补偿环节的参数设计往往依赖于理论模型分析，而实际系统的等效模型受模型分析方法、设备制造工艺、系统运行参数漂移等因素影响，理论分析设计的参数并不能对应实际系统最优运行效果。且补偿环节参数之间耦合性干扰，在设计各项参数时往往只是根据补偿环节的单项最优进行设计，当几种参数组合起来时，即使能保证系统的稳定性与控制精度，也不能保证系统具有较高的鲁棒性，即当系统参数发生变化(电网参数变化、电机拖动负载突变)时，实际控制参数不能保证系统运行的稳定性而造成失控。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，通过判别不同参数的渐进变化得到符合设计要求的参数区间，设计过程简单高效且能得到全局优化参数。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0007] 一种基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，包括以下步骤：

[0008] S1、对控制对象高频逆变器进行数学建模分析，建立传统控制器；

[0009] S2、设计重复控制器，并根据传统控制器的性能指标要求选取重复控制器参数范围；

[0010] S3、在步骤S2获得的重复控制器参数范围内重复筛选重复控制器参数，得到留存控制参数集合；

[0011] S4、将步骤S3中的留存控制参数进一步筛选得到针对性控制参数集合，对针对性参数仿真验证后选择满足设计需要的全局优化参数。

[0012] 进一步地，步骤S1中，所述对控制对象高频逆变器进行数学建模分析，建立传统控制器，包括：利用控制理论分析高频逆变器，进行数学建模分析，得出系统传递函数，满足稳定性要求前提下根据传递函数特性选择传统控制策略。

[0013] 进一步地，步骤S2中，所述根据传统控制器的性能指标要求选取重复控制器参数范围，包括，建立重复控制器稳定判断表达式，得出不同相位补偿下相角补偿环节结合表达式的相频响应曲线，考虑建模误差确定补偿范围；满足稳定性前提下，为减少测试次数确定重复控制增益范围；综合稳定性和准确性确定稳定系数取值范围。

[0014] 进一步地，步骤S3中，所述在步骤S2获得的重复控制器参数范围内重复筛选重复控制器参数，得到留存控制参数集合，包括以下步骤：

[0015] S31、选定重复控制参数最小值作为初始值，设计低通滤波环节；

[0016] S32、在相角补偿系数范围内对当前选择的重复控制参数取值进行稳定性分析，存取满足条件的控制参数；

[0017] S33、控制增益按照设定步长增长，重复重复执行步骤S32，存取当前稳定系数下满足稳定性分析条件下的控制参数；

[0018] S34、稳定系数按照设定步长增长，重复步骤S32和S33，得到稳定系数变化下的控制参数集合。

[0019] 进一步地，步骤S32中，所述在相角补偿系数范围内进行稳定性分析，存取满足条件的控制参数，包括：

[0020] 获取重复控制器稳定判据的奈奎斯特曲线，求取提高控制系统稳定裕度的相角补偿系数参数取值；

[0021] 引入稳态误差频域分析，保证在控制系统的高频点处不会引入谐振增益下相角补偿系数取值。

[0022] 进一步地，所述步骤S4中，所述将步骤S3中的留存控制参数进一步筛选得到针对性控制参数集合，对针对性参数仿真验证后选择满足设计需要的全局优化参数，包括：

[0023] 满足稳定性前提下，根据对快速性的需求调节控制增益参数，根据对准确性的需求调节稳定系数；

[0024] 对满足上述条件的参数进行仿真验证，剔除不符合数据，选择符合实际系统设计需求的全局优化参数。

[0025] 本发明的有益效果是，

[0026] 本发明通过使用流程化的参数设计方法，结合理论分析与仿真实验验证参数，能有效挑选出稳定性与控制精度满足设计要求的最优参数解，相较传统设计方法针对单个参数设计的原则，该方法设计过程简单高效且能得到全局优化参数。附图说明

[0027] 图1是本发明的参数设计流程图；

[0028] 图2是谐波电流源主电路结构示意图；

[0029] 图3是本发明的传统控制结构框图；

[0030] 图4是本发明的嵌入式重复控制结构图；

[0031] 图5是本发明的相位补偿效果图；

[0032] 图6是本发明的详细参数设及流程图；

[0033] 图7是本发明的奈氏曲线稳定判断原理图；

[0034] 图8是本发明的稳态误差频域分析稳定判断原理图；

[0035] 图9是本发明的仿真效果图；

[0036] 图10是本发明稳态跟踪误差图。

具体实施方式

[0037] 如图1所示，基于流程框图的高频逆变器重复控制参数设计方法，包括以下步骤：

[0038] S1、对控制对象高频逆变器进行数学建模分析，建立传统控制器；

[0039] S2、设计重复控制器，并根据传统控制器的性能指标要求选取重复控制器参数范围；

[0040] S3、在步骤S2获得的重复控制器参数范围内重复筛选重复控制器参数，得到留存控制参数集合；

[0041] S4、将步骤S3中的留存控制参数进一步筛选得到针对性控制参数集合，对针对性参数仿真验证后选择满足设计需要的全局优化参数。

[0042] 如图2所示，本实施例选择谐波电流源作为具体方案实施对象。

[0043] 1、设计传统控制器结构；

[0044] 逆变器主电路选用LCL型结构，选择使用有源阻尼方法来进行谐振峰衰减，其控制结构如图3所示，通过电容电流前馈，引入虚拟电阻等效实际系统中电阻，该结构引入后系统传递函数如公式(1)所示。

[0045]

[0046] 表达式中括号部分内为典型二阶系统，根据自动控制理论知识，二阶系统阻尼系数ξ＝0.707，即前馈补偿系数满足时，此时传递函数谐振尖峰抑制消失，系统自稳定特性提高。

[0047] 传统控制器选用PI控制串联零点补偿策略，其数学表达式如公式(2)所示。PI控制提高中低频处控制增益；零点补得零点为系统转折频率ωref，其作用在于提高开环系统高频增益曲线，增加相角稳定裕度，增强系统的动态稳定性。

[0048]

[0049] 2、设计重复控制器结构及控制器参数范围选取。

[0050] 如图4所示，选用“嵌入式”重复控制结构，重复控制器及其补偿环节并联于控制系统前向通路，重复控制稳定判断表达式如下式(3)所示。

[0051] |Q-Zd*Kr*S(Z)*P(Z)|＜1 (3)

[0052] 本应用中谐波电流源生成电流最高频率为1KHz，S(z)选取截止频率为1.5KHz的二阶巴特沃斯低通滤波器；相角补偿环节结合表达式Zd*Kr*S(Z)*P(Z)的相频响应特性，画出附图5所示不同相位补偿下，以相角接近0作为基准范围，考虑建模误差，选择超前和滞后一定的补偿范围d∈(4,7)；若要满足稳定性，重复控制增益需保证0

[0053] 3、重复控制参数循环筛选

[0054] 3.1选定重复控制参数取值范围最小值作为初始值：稳定系数Q＝0.9，控制增益系数Kr＝0.6，设计低通滤波环节 (T＝0.0001s)：

[0055] 3.2在当前选择的重复控制参数取值下，对相角补偿系数范围在d∈(4,7)的范围内进行稳定性分析，分析使用主要方法为式(3)中的稳定判据与控制系统的误差传递函数，选择条件的参数存取；

[0056] 1)表达式(3)的物理意义可以看作Q-Zd*Kr*S(Z)*P(Z)的奈奎斯特曲线位于单位圆1之中，若想提高稳定系统的稳定裕度，需要满足奈氏曲线尽可能远离单位圆边界，如图7所示，在当前参数取值下，相角补偿系数在d＝5时可以实现最优稳定裕度；

[0057] 2)为分析高频时系统的边界稳定性，引入稳态误差频域分析，需要保证在系统的高频点处不会引入谐振增益，保证该频点处的增益平缓过渡，如图8所示，当d＝6,7时，系统的误差高频增益突增，需要避免这种情况；当选取d＝4,5时，系统的误差高频增益缓慢逐渐大到1，系统高频稳定性较好，且该结果与稳定判据相符合。

[0058] 3.3控制增益参数Kr按设定步长递增变化，步长为0.1，完成第一个参数循环流程，重复执行步骤3.2中的判定顺序，得到在当前稳定系数Q的前提下，控制增益参数Kr变化范围内的符合条件的参数集。

[0059] 3.4在执行完一次步骤3.3中判定任务后，稳定系数Q按照步长递增，步长为0.01，完成后重新进入步骤3.2和步骤3.3中的判断流程，得到在新变化的稳定系数下，所得到的一系列控制参数集。

[0060] 4、参数筛选与仿真验证

[0061] 留存的参数均为理论分析满足稳定性的参数，为了符合实际应用情况，在满足稳定性的前提下，应根据对快速性(误差收敛速度)与准确性(跟踪精度)的需求，分别偏向于对控制增益参数Kr和稳定系数Q的偏向选择(满足快速性，调节Kr；满足跟踪精度，调节Q)，在已经选择好的控制参数集中选出一部分针对性控制集，将这部分参数仿真验证，剔除不符合数据，选择出符合实际系统设计需求的全局优化参数。

[0062] 设计选取重复控制参数集如下：

[0063]

[0064] 将其代入所设计的谐波电流源控制结构，如图9所示，系统最开始控制时，传统控制起主要作用，此时系统跟踪误差较大；当运行时间过1个周期以后，重复控制开始介入控制，系统跟踪误差迅速衰减至一个最小值。

[0065] 如图10所示，由此可以证明，所选择控制参数符合最优化控制设计原则，可以实现较好的跟踪精度和较快的跟踪速度。

[0066] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

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