一种基于高增益双向准Z源逆变器的直流链电压控制方法

一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法
技术领域
1.本发明涉及逆变器的直流链电压控制技术领域，是一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法。


背景技术：

2.在zsi的控制策略中，研究直流链电压控制策略是至关重要的。恒定直通占空比常用于直流链电压的控制，因而使直流链电压利用率降低，而且在输入电源电压波动时会使直流链电压不能及时动态变化。尤其是受环境影响较大的分布式电源，当电源电压波动较大时，会造成zsi输出电压波动较大，这样会降低供电质量，严重时还会破坏电力系统稳定性。目前，在直流链电压控制应用的算法和现场调试的方法中还是主要依赖pid控制，传统pid的优势是在不依赖系统模型的情况下，参数设置简单方便。为了追求更好的优化效果，在zsi的直流链电压的控制中应用了更多的优化算法。比如模糊控制，滑模控制和bp神经网络控制等。这种非线性控制方法的使用大大改善了直流链电压的调节鲁棒性和直流链电压的闭环控制性能。
3.为了消除系统的非最小相位特性，在自抗扰控制的基础上，进一步设计鲁棒性更强的自抗扰滑模控制是亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明为克服现有技术的不足，本发明为通过自抗扰滑模控制对高增益双向准z源逆变器的直流链电压进行控制，用以提高系统的快速性、稳定性以及鲁棒性。
5.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
6.本发明提供了一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法，本发明提供了以下技术方案：一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法，所述方法基于一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制系统，所述系统包括：直流供电模块、并网控制模块、直通svpwm调制模块和自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块；所述直流供电模块包括依次连接的直流电压源、高增益双向准z源逆变器、滤波网络和电网；所述并网控制模块采用恒功率并网控制策略；所述直通svpwm调制模块采用直通六分段式svpwm调制策略；所述自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块利用直流电压源和直流链电压和的一半与电容的电压获得直通占空比，并将其输入直通svpwm调制模块，所述方法包括以下步骤：
步骤1：基于普通自抗扰控制fal函数原则，建立非线性函数hfal函数，并应用于扩张状态观测器中来估计和补偿系统内部和外部的扰动；步骤2：采用滑模控制来替换非线性状态误差反馈律，引入指数趋近律的滑模控制律；步骤3：根据步骤1和步骤2中的扩张状态观测器和滑模控制律，建立自抗扰滑模控制器，通过自抗扰滑模控制器对直流链电压进行控制。
7.所述步骤1中具体为：建立非线性函数hfal函数为：当时，设计成多项式和三角函数拟合的形式，通过下式表达：(1)其中，、和为待定系数；为非线性因子；为滤波因子；为满足拟合过程需要的连续可导条件，则下式成立：(2)代入函数通过下式表示：(3)求解可得：(4)当时，hfal表达式设为：(5)其中，e为误差，为区间数；当误差较大时，即时，设定：(6)式中：和函数系数，和为待定系数；为满足拐点处光滑且连续可导，式(6)必须满足：(7)
将(7)代入(6)计算得出：当时：(8)当时：(9)完整的hfal函数通过下式表示：(10)其中，。
8.优选地，所述步骤2具体为：滑模控制具体为：定义误差如下：(11)式中,和分别为跟踪输出与观测输出的差值及其微分的差值；为输出观测值；为输出微分观测值；和为参考输入信号的过渡值和微分值。
9.选取滑模面为：(12)式(12)中，满足hurwitz条件，对其求微分：(13)式中，为补偿因子；为总扰动观测值，u为控制器输出。
10.为了消除抖振，提高控制器性能，用tanh(s)替换经典指数趋近律sgn(s)，具体趋近律：(14)式中，;。
11.由滑动面和指数趋近律可得自抗扰滑模控制律为：
(15)优选地，所述步骤3具体为：建立跟踪微分器，二阶跟踪微分器结构通过下式表示：(16)其中，fhan为快速最优控制综合函数，具体定义如下：(17)式中，为参考输入信号；为跟踪速度因子；为积分步长。
12.扩张状态观测器通过下式表示：(18)式中：、和为观测器误差增益，和分别为两个不同的非线性因子的取值。
13.控制律通过下式表示：(19)一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法。
14.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法。
15.本发明具有以下有益效果：本发明与现有技术相比：本发明公开了一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法，包括直流供电模块、并网控制模块、直通svpwm调制模块和基于自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块。所述直流供电模块包括依次连接的直流电压源、高增益双向准z源逆变器、滤波网络和电网。所述并网控制模块采用恒功率并网控制策略。所述直通svpwm调制模块采用直通六分段式svpwm调制策略。所述基于自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块利用直流电压源
电压和直流链电压和的一半与电容的电压获得直通占空比，并将其输入直通svpwm调制模块。通过自抗扰滑模控制对高增益双向准z源逆变器的直流链电压进行控制，用以提高系统的快速性、稳定性以及鲁棒性。
16.本发明为消除系统固有的非最小相位特性，更好的对直流链电压进行控制，最后提出自抗扰滑模控制，提出非线性函数hfal函数，同时利用设计的滑模控制器替换自抗扰控制中的非线性状态误差反馈律。将自抗扰滑模应用于直流链电压控制，用以提高系统的快速性、稳定性以及鲁棒性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
18.图1为高增益双向准z源逆变器控制系统图；图2为基于自抗扰滑模控制的直流链电压间接控制图；图3为二阶自抗扰滑模结构图。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
23.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
24.具体实施例一：根据图1至图3所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法，所述方法基于一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制系统，所述系统包括：直流供电模块、并网控制模块、直通svpwm调制模块和自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块；
所述直流供电模块包括依次连接的直流电压源、高增益双向准z源逆变器、滤波网络和电网；所述并网控制模块采用恒功率并网控制策略；所述直通svpwm调制模块采用直通六分段式svpwm调制策略；所述自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块利用直流电压源和直流链电压和的一半与电容的电压获得直通占空比，并将其输入直通svpwm调制模块，所述方法包括以下步骤：步骤1：基于普通自抗扰控制fal函数原则，建立非线性函数hfal函数，并应用于扩张状态观测器中来估计和补偿系统内部和外部的扰动；步骤2：采用滑模控制来替换非线性状态误差反馈律，引入指数趋近律的滑模控制律；步骤3：根据步骤1和步骤2中的扩张状态观测器和滑模控制律，建立自抗扰滑模控制器，通过自抗扰滑模控制器对直流链电压进行控制。
25.所述步骤1中具体为：建立非线性函数hfal函数为：当时，设计成多项式和三角函数拟合的形式，通过下式表达：(1)其中，、和为待定系数；为非线性因子；为滤波因子；为满足拟合过程需要的连续可导条件，则下式成立：(2)代入函数通过下式表示：(3)求解可得：(4)当时，hfal表达式设为：(5)其中，e为误差，为区间数；当误差较大时，即时，设定：(6)式中：和函数系数，和为待定系数；
为满足拐点处光滑且连续可导，式(6)必须满足：(7)将(7)代入(6)计算得出：当时：(8)当时：(9)完整的hfal函数通过下式表示：(10)其中，。
26.具体实施例二：本技术实施例二与实施例一的区别仅在于：所述步骤2具体为：滑模控制具体为：定义误差如下：(11)式中,和分别为跟踪输出与观测输出的差值及其微分的差值；为输出观测值；为输出微分观测值；和为参考输入信号的过渡值和微分值。
27.选取滑模面为：(12)式(12)中，满足hurwitz条件，对其求微分：(13)
式中，为补偿因子；为总扰动观测值，u为控制器输出。
28.为了消除抖振，提高控制器性能，用tanh(s)替换经典指数趋近律sgn(s)，具体趋近律：(14)式中，;。
29.由滑动面和指数趋近律可得自抗扰滑模控制律为：(15)具体实施例三：本技术实施例三与实施例二的区别仅在于：所述步骤3具体为：建立跟踪微分器，二阶跟踪微分器结构通过下式表示：(16)其中，fhan为快速最优控制综合函数，具体定义如下：(17)式中，为参考输入信号；为跟踪速度因子；为积分步长。
30.扩张状态观测器通过下式表示：(18)式中：、和为观测器误差增益，和分别为两个不同的非线性因子的取值。
31.控制律通过下式表示：(19)具体实施例四：本技术实施例四与实施例三的区别仅在于：本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器
执行，以用于实现如一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法。
32.具体实施例五：本技术实施例五与实施例四的区别仅在于：本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法。
33.具体实施例六：本技术实施例六与实施例五的区别仅在于：本发明提出一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法，所述的自抗扰滑模控制直流链电压控制方法包括以下步骤：步骤一：在遵循普通自抗扰控制fal函数原则的基础上，设计非线性函数hfal函数，并应用于扩张状态观测器中来估计和补偿系统内部和外部的扰动；步骤二：用滑模控制来替换非线性状态误差反馈律，在设计中引入指数趋近律的滑模控制律；步骤三：基于步骤一和步骤二中的扩张状态观测器和滑模控制律，设计自抗扰滑模控制器。
34.所述步骤一具体为：设计的hfal函数为：当时，设计成多项式和三角函数拟合的形式，因为三角函数有较好的连续性和光滑性，表达式如下：(1)式中、和为待定系数；为非线性因子；为滤波因子。为满足拟合过程需要的连续可导条件，则下式成立：(2)代入函数即为：(3)求解可得：(4)当时，hfal表达式设为：
(5)其中，e为误差，为区间数；当误差较大时，即时，设(6)式中：和函数系数，和为待定系数；为满足拐点处光滑且连续可导，式(3-25)必须满足：(7)将(7)代入(6)计算得出：当时：(8)当时：(9)综上，完整的hfal函数表达式为：(10)式中。
35.所述步骤二具体为：滑模控制律设计为：定义误差如下：(11)式中：和分别为跟踪输出与观测输出的差值及其微分的差值；为输出观测值；为输出微分观测值；和为参考输入信号的过渡值和微分值。
36.选取滑模面为：(12)
式(3-32)中，满足hurwitz条件，对其求微分：(13)式中：为补偿因子；为总扰动观测值，u为控制器输出。
37.为了消除抖振，提高控制器性能，用tanh(s)替换经典指数趋近律sgn(s)，具体趋近律：(14)式中：;。
38.由滑动面和指数趋近律可得自抗扰滑模控制律为：(15)所述步骤三具体为：自抗扰滑模控制是以自抗扰控制为基础的，用所设计的hfal函数替换原有的扩张状态观测器中的fal函数；同时，用滑模控制替换非线性状态误差反馈律改善控制性能；跟踪微分器：二阶跟踪微分器结构如下：(16)式中：fhan为快速最优控制综合函数，能计算出过渡处理后的输入信号及其导数，快速抑制高频信号，其具体定义如下：(17)式中：为参考输入信号；为跟踪速度因子；为积分步长。
39.扩张状态观测器：(18)式中：、和为观测器误差增益，和分别为两个不同的非线性因子的取值。
40.控制律：
(19)至此，即完成了一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法。
41.本发明针对高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制的问题，提出了鲁棒性更强的自抗扰滑模控制，该控制方法主要由跟踪微分器、新型扩张状态观测器和滑模控制律三部分组成。图1所示为系统控制的总体框图，采用图2所示的直流链电压间接控制方式。图3所示，利用所设计的hfal函数代替原有的eso中的fal函数，进而得到改进eso。同时，利用tanh(s)指数趋近律代替经典指数趋近律sgn(s)得到改进smc。其中，自抗扰控制可以利用扩张状态观测器来估计和补偿系统内部和外部的扰动，同时滑模控制具有实现简单、响应快速和稳定性高的优点。因为滑模控制不需要给出具体的数学模型，同时具有强鲁棒性，所以用滑模控制来替换非线性状态误差反馈律以提高自抗扰控制的性能，这样不但包含滑模控制特性，扩张状态观测器的观测能力也提高了。在非线性状态误差反馈律的设计中引入指数趋近律的滑模控制律，提高系统的快速性、稳定性以及鲁棒性。自抗扰滑模不受限于数学模型，具有更好的跟踪性能和抗干扰性能。当时，hfal函数比经典fal函数更加光滑且连续性更好。当时， hfal函数无限趋近于一个常数，有效减小了大误差条件下的误差。hfal函数各点光滑连续，避免了抖振现象。设置总仿真时常0.2s，为了验证改进自抗扰滑模控制的鲁棒性，在0.1s时输入电压从200v下降到180v，根据两者仿真和实验测试波形可以看出，普通自抗扰控制和改进自抗扰滑模控制超调很小，且改进自抗扰滑模控制的过渡过程较普通自抗扰控制更短。在0.1电压下降后，在普通自抗扰控制下，电压跳变至608v，跳变了18v，经过0.021s恢复平稳；在改进自抗扰滑模控制下，电压跳变至644v，跳变了4v，经过0.018s后恢复稳定，在实验测试中变化并不明显。由此可知改进自抗扰滑模控制在输入电压波动时，其对直流链电压的控制过渡过程更短，恢复速度更快，具有更强的鲁棒性。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
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示例”、“具体示 例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或 者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或 n 个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下， 本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特 征进行结合和组合。 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如 两个，三个等，除非另有明确具体的限定。 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个 或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的 实施例所属技术领域的技术人员所理解。 在流程图中表
示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实 现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设 备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播 或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或n个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（ram），只读存储器（rom），可擦除可编辑只读存储器（eprom 或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（cdrom）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进 行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存 储在计算机存储器中。 应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实 施方式中，n 个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或 固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离 散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（pga），现场 可编程门阵列（fpga）等。以上所述仅是一种基于拍卖算法的仓库任务分配方法的优选实施方式，一种基于拍卖算法的仓库任务分配方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制方法，所述方法基于一种基于高增益双向准z源逆变器的直流链电压控制系统，所述系统包括：直流供电模块、并网控制模块、直通svpwm调制模块和自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块；所述直流供电模块包括依次连接的直流电压源、高增益双向准z源逆变器、滤波网络和电网；所述并网控制模块采用恒功率并网控制策略；所述直通svpwm调制模块采用直通六分段式svpwm调制策略；所述自抗扰滑模控制的直流链电压控制模块利用直流电压源和直流链电压和的一半与电容的电压获得直通占空比，并将其输入直通svpwm调制模块，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤1：基于普通自抗扰控制fal函数原则，建立非线性函数hfal函数，并应用于扩张状态观测器中来估计和补偿系统内部和外部的扰动；步骤2：采用滑模控制来替换非线性状态误差反馈律，引入指数趋近律的滑模控制律；步骤3：根据步骤1和步骤2中的扩张状态观测器和滑模控制律，建立自抗扰滑模控制器，通过自抗扰滑模控制器对直流链电压进行控制；所述步骤1中具体为：建立非线性函数hfal函数为：当时，设计成多项式和三角函数拟合的形式，通过下式表达：(1)其中，、和为待定系数；为非线性因子；为滤波因子；为满足拟合过程需要的连续可导条件，则下式成立：(2)代入函数通过下式表示：(3)求解可得：(4)当时，hfal表达式设为：(5)其中，e为误差，为区间数；当误差较大时，即时，设定：
(6)式中：和函数系数，和为待定系数；为满足拐点处光滑且连续可导，式(6)必须满足：(7)将(7)代入(6)计算得出：当时：(8)当时：(9)完整的hfal函数通过下式表示：(10)其中，。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤2具体为：滑模控制具体为：定义误差如下：(11)式中,和分别为跟踪输出与观测输出的差值及其微分的差值；为输出观测值；为输出微分观测值；和为参考输入信号的过渡值和微分值；选取滑模面为：(12)式(12)中，满足hurwitz条件，对其求微分：(13)
式中，为补偿因子;为总扰动观测值，u为控制器输出；为了消除抖振，提高控制器性能，用tanh(s)替换经典指数趋近律sgn(s)，具体趋近律：(14)式中，;由滑动面和指数趋近律可得自抗扰滑模控制律为：(15)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述步骤3具体为：建立跟踪微分器，二阶跟踪微分器结构通过下式表示：(16)其中，fhan为快速最优控制综合函数，具体定义如下：(17)式中，为参考输入信号；为跟踪速度因子；为积分步长；扩张状态观测器通过下式表示：(18)式中，、和为观测器误差增益，和分别为两个不同的非线性因子的取值；控制律通过下式表示：(19)。4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-3的任意一项权利要求所述的方法。5.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-3任意一项权利要求所述的方法。

技术总结
本发明是一种基于高增益双向准Z源逆变器的直流链电压控制方法。本发明涉及逆变器的直流链电压控制技术领域，本发明为消除系统固有的非最小相位特性，更好的对直流链电压进行控制，最后提出自抗扰滑模控制，提出非线性函数hfal函数，同时利用设计的滑模控制器替换自抗扰控制中的非线性状态误差反馈律。将自抗扰滑模控制应用于直流链电压控制，用以提高系统的快速性、稳定性以及鲁棒性。稳定性以及鲁棒性。稳定性以及鲁棒性。


技术研发人员：颜景斌 许森洋 王玺哲 王怡斐 朱强
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/8/6