阅读说明：本技术 一种基于z源逆变器的直流链电压控制系统及其方法 (Direct-current link voltage control system and method based on Z-source inverter ) 是由 徐书豪 李琳 刘海龙 于 2019-12-23 设计创作，主要内容包括：一种基于Z源逆变器的直流链电压控制系统及其方法,系统包括阻抗网络,所述阻抗网络的信号输出端与电容电压采集电路的信号输入端相连,所述电容电压采集电路的信号输出端与线性自抗扰控制模块的信号输入端相连,线性自抗扰控制模块的信号输出端与SPWM控制模块的信号输入端相连接,SPWM控制模块的信号输出端与逆变桥中开关管的信号输入端相连；通过采集电容电压,再将其转化为直流链电压,再将直流链电压与直流链电压参考峰值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得到当前时刻直通占空比D<Sub>0</Sub>,将占空比D<Sub>0</Sub>输入至SPWM控制模块中,调节SPWM控制模块中的直通零矢量的导通时间,进而控制逆变桥,实现直流链电压U<Sub>dc</Sub>的稳定；本发明具有稳定可靠的优点。(A direct current link voltage control system based on a Z-source inverter and a method thereof are disclosed, the system comprises an impedance network, the signal output end of the impedance network is connected with the signal input end of a capacitance voltage acquisition circuit, the signal output end of the capacitance voltage acquisition circuit is connected with the signal input end of a linear active disturbance rejection control module, the signal output end of the linear active disturbance rejection control module is connected with the signal input end of an SPWM control module, and the signal output end of the SPWM control module is connected with the signal input end of a switching tube in an inverter bridge; the method comprises the steps of collecting capacitor voltage, converting the capacitor voltage into direct-current link voltage, calculating the direct-current link voltage and a direct-current link voltage reference peak value to obtain a direct-through duty ratio deviation value delta D, and adding the direct-current duty ratio delta D at the previous moment to obtain a direct-through duty ratio D at the current moment 0 Will duty ratio D 0 Inputting the voltage into the SPWM control module, adjusting the conduction time of a through zero vector in the SPWM control module, further controlling an inverter bridge, and realizing the DC link voltage U dc The stability of (2); the invention has the advantages of stability and reliability。)

一种基于Z源逆变器的直流链电压控制系统及其方法

技术领域

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。

发明内容

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U_c；第一运算模块10将该信号处理完毕得到直流链电压U_dc，并将直流链电压U_dc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U_c为电容电压，U_dc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U_dc结合直流链电压参考峰值U_dc，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＝k_p(r-z₁) (1-3)

所述r代表直流链电压参考峰值U_dc，ref，u代表直通占空比偏差值Δd，k_p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＝ω₀ ²，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U_dc，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＝k_p(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U_c，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＝[1 0]，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＝ω₀ ²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U_c再，根据式1-1：

运算出直流链电压U_dc；

所述U_c为电容电压，U_dc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U_dc与直流链电压参考峰值U_dc，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＝k_p(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U_dc，ref，u代表直通占空比偏差值Δd，k_p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z_f的导函数，

第二输出信号函数z₂的导函数，所述l₁＝2ω₀,l₂＝ω₀ ²，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U_dc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U_c；第一运算模块10将该信号处理完毕得到直流链电压U_dc，并将直流链电压U_dc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U_c为电容电压，U_dc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U_dc结合直流链电压参考峰值U_dc，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＝k_p(r-z₁) (1-3)

所述r代表直流链电压参考峰值U_dc，ref，u代表直通占空比偏差值Δd，k_p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＝ω₀ ²，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U_dc，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＝k_p(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U_c，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＝[1 0]，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＝ω₀ ²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U_c再，根据式1-1：

运算出直流链电压U_dc；

所述U_c为电容电压，U_dc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U_dc与直流链电压参考峰值U_dc，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＝k_p(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U_dc，ref，u代表直通占空比偏差值Δd，k_p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＝ω₀ ²，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U_dc的稳定。

本发明的工作原理是：通过采集电容电压U_c，再将其转化为直流链电压U_dc，再将直流链电压U_dc与直流链电压参考峰值U_dc，_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U_dc的稳定。