基于扩张状态观测器的多电平矩阵变流器控制方法与流程

1.本技术涉及变流器控制领域，尤其涉及基于扩张状态观测器的多电平矩阵变流器控制方法。


背景技术：

2.模块化多电平矩阵变流器(modular multilevel matrix converter,m3c)是一种结合了模块化多电平变流器(modular multilevel converter,mmc)和矩阵变流器(matrix converter,mc)的多电平交交变换拓扑。由于采用级联式的结构、模块化的设计、兼具多电平变流器的诸多优点，在高压大容量交交变换系统中具有广阔的应用前景。
3.为了满足m3c在不同场景下的控制需求，不同的控制算法相继被提出，例如模糊控制、滑膜控制、以及预测控制等等。然而，以上算法的控制性能很大程度上依赖于控制对象模型的精确程度，由于m3c复杂的拓扑结构和数量庞大的电路器件，使得系统建模中的参数失配、外部扰动等不确定性难以克服，因此影响高性能控制算法的控制精度，严重时会造成系统的不稳定。


技术实现要素：

4.本技术实施例提出了基于扩张状态观测器的多电平矩阵变流器控制方法，能够提高系统面对外部扰动以及参数失配等工况的鲁棒性。
5.具体的，本技术实施例提出的基于扩张状态观测器的多电平矩阵变流器控制方法，包括：
6.步骤一：根据m3c的拓扑结构，在abc坐标系下建立m3c的数学模型；
7.步骤二：对abc坐标系下的m3c数学模型进行双αβ0变换，得到m3c的解耦数学模型；
8.步骤三：将αβ0坐标系下m3c数学模型写成超局部模型的形式；
9.步骤四：设计对超局部模型中的不确定项进行估计的扩张状态观测器，；
10.步骤五：基于得到的扩张状态观测器，利用无差拍算法计算m3c参考桥臂电压，根据调制算法产生桥臂内子模块的开关状态组合。
11.可选的，所述步骤一中的m3c拓扑结构在abc坐标系下的数学模型为：
[0012][0013]
其中，vu,vv,vw为输入侧三相电压，va,vb,vc为输出侧三相电压，vi,ii,i∈{1,2,...,9}表示桥臂电压和桥臂电流，lb为桥臂电感值，v
nn
为输入侧和输出侧中性点的电压差，即共模电压。
[0014]
可选的，所述上式整理为：
[0015][0016]
可选的，所述步骤二所述的双αβ0变换为：
[0017][0018]
对abc坐标系下m3c数学模型各变量进行双αβ0变换后得m3c解耦模型为：
[0019][0020]
整理为超局部模型的形式如下：
[0021][0022]
可选的，所述扩张状态观测器表达式为：
[0023][0024]
其中z1表示系统状态i的观测值，er表示观测误差，z2表示系统不确定项和扰动项f的估计值，β1,β2为观测器的增益，b为控制输入增益。
[0025]
可选的，所述方法还包括，利用一阶欧拉离散方法，将所述的扩张状态观测器进行离散，获得离散化的扩张状态观测器方程为：
[0026][0027]
其中k1＝tsβ1,k2＝tsβ2是观测器离散增益，k表示系统当前时刻，ts表示采样时间。
[0028]
可选的，所述方法还包括：
[0029]
根据m3c的超局部模型，下一时刻系统参考控制输入通过延时补偿获得：
[0030][0031]
将获得的参考控制输入进行双αβ0反变换，获得9个桥臂相应的参考电压，继而通
过调制策略产生桥臂内各子模块的开关状态。
[0032]
有益效果：
[0033]
通过设计扩展状态观测器对m3c系统中的未建模动态和外部扰动进行实时估计，利用m3c的超局部模型进行控制，具有无模型的控制特性。因此能够提高系统面对外部扰动以及参数失配等工况的鲁棒性，改善传统无差拍控制策略依赖变流器精确数学模型的缺点，能够取得快速的动态响应和较好的稳态性能。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本技术实施例提出的模块化多电平矩阵变流器拓扑图；
[0036]
图2为本技术实施例提出的基于扩张状态观测器的多电平矩阵变流器控制方法对应的流程框图；
[0037]
图3为本技术实施例提出的扩张状态观测器流程图。
具体实施方式
[0038]
为使本技术的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的结构作进一步地描述。
[0039]
本技术公开了基于扩张状态观测器的多电平矩阵变流器控制方法。利用扩张状态观测器对模块化多电平矩阵变流器的系统不确定性和外部扰动进行估计和补偿，主要执行思想为：
[0040]
1)建立模块化多电平矩阵变流器的状态空间模型；
[0041]
2)将状态空间模型改写为超局部模型的形式；
[0042]
3)设计扩张状态观测器对系统不确定性进行估计并利用一阶欧拉法进行离散；
[0043]
4)基于无差拍控制的原理获取桥臂参考信号，并通过调制产生开关状态。
[0044]
本技术主要用于m3c控制领域，基于m3c的超局部模型，设计扩张状态观测器对系统不确定性进行估计，利用无差拍算法对系统下一时刻的参考桥臂电压进行计算，从而实现m3c的无模型预测控制，提升对参数失配和外部扰动的鲁棒性。本技术所述的m3c无模型鲁棒预测控制方法包含以下步骤：
[0045]
建立m3c在abc坐标下的数学模型；通过双αβ0变换获得m3c解耦模型；基于m3c解耦模型改写m3c的超局部模型；
[0046]
针对m3c超局部模型设计扩张状态观测器，并将其离散化；基于无差拍控制策略获取m3c下一时刻的参考桥臂电压。
[0047]
本技术所述的m3c拓扑结构如图1(a)所示，其中v
gu
,v
gv
,v
gw
为三相网侧电压，vu,vv,vw为m3c三相输出电压，且满足vu vv vw＝0。
[0048]iu
,iv,iw为三相输入电流，lf为网侧电感。i
b1-i
b9
为桥臂电流，v
b1-v
b9
是相应的桥臂内所有全桥子模块的电压和。每个桥臂包含n个全桥子模块和一个桥臂电感lb，桥臂和子模块结构分别如图1(b)和(c)所示。根据kvl和kcl，abc坐标系下m3c数学模型为：
[0049][0050]
其中输入侧和输出侧电流满足如下关系：
[0051][0052]
对abc坐标系下的数学模型进行双αβ0变换，
[0053]
其中所述的双αβ0为
[0054][0055]
获得m3c解耦模型为：
[0056][0057]
其中和分别为网侧输入电压和输入电流在αβ轴上的投影。和分别为输出电压和输出电流在αβ轴上的投影。v
nn
为共模电压。v
αα
,v
αβ
,v
βα
,v
ββ
,v
α0
,v
β0
,v
0α
,v
0β
,v
00
表示m3c内9个桥臂子模块电容电压和经过双αβ0变换后的值。
[0058]
将m3c解耦模型改写为超局部模型的形式：
[0059][0060]
其中i表示系统状态变量，u表示系统控制输入，b表示系统控制输入增益，f表示系统未建模动态和外部扰动。
[0061]
基于m3c超局部模型，设计扩张状态观测器为
[0062][0063]
利用欧拉离散方法将上式离散为：
[0064][0065]
其中表示变量x的估计值。
[0066]
利用无差拍控制策略，基于m3c超局部模型，可以得到下一时刻的参考控制输入为：
[0067][0068]
其中i
*
[k 2]表示系统状态矩阵的在k 2时刻的参考值，通过将用户给定或外环得到的参考电流进行拉格朗日外推得到。为m3c电流的预估值，通过离散扩张状态观测器获得。针对此过程的流程框图如图2所示。
[0069]
将得到的下一时刻参考控制输入进行双αβ0坐标反变换t
dual-αβ0-1
，即可获得m3c内9个桥臂电压的参考值进而通过调制策略产生子模块开关管的开关信号。
[0070]
图3为所述的扩张状态观测器流程图，其中k
1,2
为控制增益，人为给定，为k时刻电流的估计值，由通过延时环节1/z获得。以上所述仅为本技术的实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。