CN102916599B

CN102916599B - 不平衡电压下三相pwm整流器的模型预测控制方法

Info

Publication number: CN102916599B
Application number: CN201210416004.9A
Authority: CN
Inventors: 施艳艳; 王萌
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102916599A

Abstract

本发明公开了一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法。本发明的技术方案要点为：一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，将计算得到的输入有功功率、无功功率取反，经比例谐振控制器，再通过补偿电压计算得到两相旋转坐标系下的二倍频补偿电压，然后经过反Park变换得到两相静止坐标系下的二倍频补偿电压并补偿到传统模型预测控制的输出电压中，通过价值函数选择使电流给定值与电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量作为最优电压矢量，并作为控制功率器件的开关信号。本发明在电网电压不平衡条件下能够有效抑制整流器输入功率的二倍频波动，控制结构简单，系统延时较小，能够同时消除系统输入有功功率、无功功率的二次脉动。

Description

不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及电压型PWM整流器的控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域，特别涉及一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法。

背景技术

随着微处理器技术的快速发展和相关研究的深入，模型预测控制在电力电子及电机驱动的应用中体现出巨大的优势。模型预测控制是一种基于数学模型来预测控制对象未来响应的控制算法。算法中包含一个根据控制目标进行定义的价值函数。通过最小化价值函数，算法在每个采样周期预测得到最佳电压矢量作为下一周期的作用矢量，算法在每个采样周期循环一次。基于模型预测控制的功率变换器全数字控制方法得到快速发展，该方法不包含线性控制器和调制器，系统具有较快的瞬态响应速度。

大功率单相负载的接入、单相负荷在三相系统中的不均衡分配以及单相负载用电的随机性等因素，会造成电网三相电压不平衡。在电网不平衡时，基于模型预测控制器的PWM整流器交流侧功率产生二次脉动，严重影响整流器的运行品质。针对电网电压不平衡时PWM整流器的控制，传统方法需要首先对系统中各变量进行正、负序分解运算，然后计算正、负序电流给定值，再采用控制器对正、负序电流统一进行调节，大大增加了控制方案的运算量。由于模型预测控制采用循环寻优，直接输出的不定频控制方式，虽然系统瞬态响应速度优良，但其采样频率高，运行性能受系统延迟影响较为明显。当控制算法较为复杂、运算量较大时，计算过程会产生较大的延迟，影响系统的动态响应速度和控制品质。

因此，有必要设计一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，在控制系统运行时，不需要复杂的正、负序分解又能够抑制PWM整流器的输入功率脉动，保证系统的控制品质。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，该方法可以在三相电压不平衡情况下，对PWM整流器的输入功率脉动进行有效抑制，提高了不平衡电压下PWM整流器的控制效果。

本发明的技术方案为：一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测三相电压型PWM整流器系统三相电网电压、三相输入电流和直流母线电压，将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角；(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值；(3)、将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差，经过PI控制器得到同步旋转坐标系下d轴电流参考值，设q轴电流参考值为0，以电压位置角度为变换角对d、q轴电流参考值进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电流参考值；(4)、根据两相静止坐标下的电网电压和电网电流计算系统有功功率和无功功率的实际值，将系统有功功率和无功功率实际值取反，分别经过比例谐振控制器(1)、比例谐振控制器(2)并通过补偿电压计算得到有功功率、无功功率二倍频补偿电压；(5)、将步骤(4)得到的二倍频补偿电压以电网电压位置角度为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的二倍频补偿电压；(6)、采用步骤(5)得到的两相静止坐标系下的二倍频补偿电压分别对各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压进行补偿，得到补偿后的各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压；(7)、将步骤(3)中计算得到的两相静止坐标系下的电流参考值、步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的电网电压和电流采样值，以及步骤(6)中得到的补偿后的各输入电压分别作为模型预测控制器的输入；(8)、将三相电压型PWM整流器模型作为预测模型，通过预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流，通过价值函数选择使电流给定值与电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量作为最优电压矢量；(9)、用步骤(8)得到的最优电压矢量对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(6)中所述的补偿过程具体为：将各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压分别与步骤(4)得到的两相静止坐标系下的二倍频补偿电压相减，得到补偿后的各开关组合作用下的输入电压。

本发明的不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，通过对各开关组合作用下整流器的输出电压进行实时二倍频补偿，消除了电网电压不平衡对控制系统造成的影响，消除了三相PWM整流器在电网不平衡情况下的输入功率波动，增强了模型预测控制系统在电网不平衡时的运行性能。

附图说明

图1为三相电压型PWM变换器主电路结构；图2为基于模型预测控制的三相PWM整流器控制结构图；图3为本发明控制系统的结构原理图；图4为采用本发明控制算法前后的输入功率波形图。

具体实施方法

结合附图详细描述实施例。三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构如图1所示。图中，u _ga、u _gb、u _gc为交流侧三相电压源，i _ga、i _gb、i _gc为三相交流侧电流，u _ca、u _cb、u _cc为整流桥输入侧三相电压，u _dc为直流侧电压，L _g和R _g分别为进线电感及其等效电阻，C为直流滤波电容，O为电网中点，i _L为负载电流，直流侧负载由电阻R _L等效表示。

三相VSR的数学模型可通过坐标变换转换到两相静止坐标系中，表示为

(1)

式中：u _gα、u _gβ分别为α、β轴电网电压，i _gα、i _gβ、u _cα、u _cβ分别为整流器α、β轴输入电流和输入电压。

对式(1)进行离散化，可得

(2)

定义价值函数如下式所示

(3)

式中：i _mαi(k+1)、i _mβi(k+1)为采用不同开关状态时输出的电压矢量u _cαi(k)、u _cβi(k)作用下的预测电流值，下标i=1,2,...,7。

模型预测控制算法在每个开关周期循环一次，因此，系统需有较高的采样频率。其工作原理是：根据控制对象的离散模型预测系统下一时刻不同开关状态下的动态行为，采用预设的价值函数对不同开关状态下的预测结果进行评估，并选择使价值函数最小的电压矢量作为控制器的输出。

采用模型预测控制算法的三相PWM整流器系统控制结构如图2所示。系统运行时首先采集电网电压和输入电流，将采集到的电压通过锁相环得到电网电压角度，将三相电压、电流信号通过3/2变换得到两相坐标系下的电压、电流信号，通过三相PWM整流器模型，对下一时刻不同电压矢量作用下的电流动态行为进行预测，采用价值函数对预测的结果进行评估和优化，并选择最优的开关状态作为下一时刻功率开关的控制信号。

在电网三相电压平衡且稳定情况下，PWM整流器在同步旋转坐标系中的数学模型可表示为

(4)

式中：u _gd、u _gq分别为电网电压的d、q轴分量，i _gd、i _gq分别为交流侧电流的d、q轴分量，u _cd、u _cq分别为整流桥交流侧输入电压的d、q轴分量，w _g为电网电压旋转角速度。

系统功率方程为：

(5)

P _g 、Q _g分别为有功功率和无功功率。令电网电压矢量和d轴同向，此时u _gq =0，系统功率方程可简化为：

(6)

由式(6)可知，通过调节i _gd 、i _gq可以实现网侧有功功率、无功功率的独立控制。

电网电压不平衡是电力系统中常见的故障类型，当电网电压不平衡时，系统各电量在正、反转旋转坐标系中相应正、负序分量的形式：

(7)

式中上标n，p分别表示正、反转同步旋转坐标系；下标n，p分别表示正、负序分量。由上式可知，在不平衡电网电压下各电量在正转旋转坐标系中均含有二倍频交流量，因此电网电压，整流桥交流侧电压及电网电量可表示为：

(8)

式中下标0，2分别表示直流分量和二倍频分量。

由上式可知，不平衡电网电压下各电量在正向同步旋转坐标系中表现为直流分量与二倍频分量之和。为了对二倍频分量进行单独控制，将式(8)带入式(4)并将式中直流量和二倍频分量分离可得系统二倍频电压方程

(9)

电网电压不平衡时系统功率也可表示为直流量与二倍频分量之和的形式:

(10)

将式(8)，(10)带入式(6)可得

(11)

当系统功率不存在二倍频分量时式(11)可表示为

(12)

将式(12)带入式(11)，可得

(13)

在不平衡电网电压下各电量在正转旋转坐标系中均含有二倍频交流量。因此不平衡电网电压下PWM整流器的控制关键在于对其二倍频分量的抑制。

为了体现对功率二倍频分量的控制，对式(13)求导可得

(14)

在电网不平衡情况下，考虑稳态情况时的直流分量可认为是常数，式(14)可进一步表示为

(15)

由于电网电压为不可控量，根据式(9)和式(15)可得

(16)

式中、为同步旋转坐标系中PWM整流器二倍频控制参考电压。

为了实现在指定的频率下具有较大增益且对其他频段信号不产生影响的控制特性，本发明文采用中心角速度设为二倍同步角速度的比例谐振控制器。当电网不平衡时，控制器可以根据功率二倍频信号，对不同开关状态下的输出电压进行实时补偿，达到去除有功功率和无功功率二倍频脉动的目的。系统运行时无需对不平衡系统中的电量进行正、负相序分解。

、可按比例谐振控制原则设计为

(17)

其中，

(18)

(19)

式中：k _pr、k _ir分别为比例谐振控制器的比例、谐振系数，ω _g为电网电压旋转角速度，式(17)中v _gd2、v _gq2的系数可以用比例系数补偿，式(18)为前馈补偿量可以被谐振器补偿。式（17）即为补偿电压计算模块。

将补偿电压、反PARK变换可得到两相静止坐标系下的补偿电压、，则补偿后的预测模型输入电压可表示为

(18)

式中，下标i=1,2,...,7。

图3为本发明模型预测控制的结构原理图，其控制方法具体包括如下步骤：

(1)、检测三相电压型PWM整流器系统三相电网电压u _ga(k)、u _gb(k)、u _gc(k)，三相输入电流i _ga(k)、i _gb(k)、i _gc(k)和直流母线电压u _dc(k)，将三相电网电压信号经过软件锁相环(PLL)得到电网电压位置角θ(k)；

(2)、将检测到的三相电网电压u _ga(k)、u _gb(k)、u _gc(k)和三相输入电流i _ga(k)、i _gb(k)、i _gc(k)经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u _gα(k)、u _gβ(k)和输入电流i _gα(k)、i _gβ(k)；

(3)、将直流母线电压参考值u _dc ^*(k)与步骤(1)得到的直流母线电压实际值u _dc(k)做差，经过PI控制器得到同步旋转坐标系下d轴电流参考值i _gd ^*(k)，设q轴电流参考值i _gq ^*(k)为0，以电压位置角度θ(k)为变换角对d、q轴电流参考值进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电流参考值i _gα ^*(k)、i _gβ ^*(k)；

(4)、根据两相静止坐标下的电网电压u _gα(k)、u _gβ(k)和输入电流i _gα(k)、i _gβ(k)计算系统有功功率P _g(k)和无功功率实际值Q _g(k)，将系统有功功率和无功功率实际值取反，分别经过比例谐振控制器(1)、比例谐振控制器(2)并通过补偿电压计算得到有功功率、无功功率二倍频补偿电压u _cd2 ^*(k)、u _cq2 ^*(k)；

(5)、将步骤(4)得到的二倍频补偿电压u _cd2 ^*(k)、u _cq2 ^*(k)以电网电压角度为变换角θ(k)进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的二倍频补偿电压u _cα2 ^*(k)、u _cβ2 ^*(k)；

(6)、采用步骤(5)得到的两相静止坐标系下的二倍频补偿电压u _cα2 ^*(k)、u _cβ2 ^*(k)分别对各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压u _cαi(k)、u _cβi(k)进行补偿，得到补偿后的各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压u _cαic(k)、u _cβic(k)，其中下标i=1,2,...,7；

(7)、将步骤(3)中计算得到的两相静止坐标系下的电流参考值i _gα ^*(k)、i _gβ ^* (k)、步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u _gα(k)、u _gβ(k)和输入电流i _gα(k)、i _gβ(k)，以及步骤(6)中得到的补偿后的各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压u _cαic(k)、u _cβic(k)作为模型预测控制器的输入；

(8)、将三相电压型PWM整流器模型作为预测模型，通过预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流i _mαi(k+1)、i _mβi(k+1)，其中下标i=1,2,...,7，通过价值函数g _i(k)选择使电流给定值i _gα ^*(k)、i _gβ ^*(k)与电流预测值i _mαi(k+1)、i _mβi(k+1)，之差的绝对值最小的电压矢量u _cα(k)、u _cβ(k)作为最优电压矢量；

(9)、用步骤(8)得到的最优电压矢量u _cα(k)、u _cβ(k)对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(6)中所述的补偿过程具体为：将各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压u _cαi(k)、u _cβi(k)分别与步骤(5)得到的两相静止坐标系下的二倍频补偿电压u _cα2 ^*(k)、u _cβ2 ^*(k)相减，得到补偿后的各开关组合作用下的输入电压u _cαic(k)、u _cβic(k)。

图4采用本发明控制算法前后的输入功率波形图，由图4可以看出，在电网不平衡时，采用传统模型预测控制的输入有功功率、无功功率发生二倍频波动，采用本发明控制后，系统输入有功功率、无功功率的二倍频波动得到有效抑制。

综上所述，本发明的模型预测控制方法在电网电压不平衡条件下能够有效的抑制整流器输入功率的二倍频波动，有效提高整流器的运行品质，与传统方法相比计算量小，控制结构简单，系统延时较小，能够同时消除系统输入有功功率、无功功率的二次脉动。

Claims

1.一种不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测三相电压型PWM整流器系统三相电网电压、三相输入电流和直流母线电压，将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角；(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值；(3)、将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差，经过PI控制器得到同步旋转坐标系下d轴电流参考值，设q轴电流参考值为0，以电压位置角度为变换角对d、q轴电流参考值进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的电流参考值；(4)、根据两相静止坐标下的电网电压和电网电流计算系统有功功率和无功功率的实际值，将系统有功功率和无功功率实际值取反，分别经过比例谐振控制器(1)、比例谐振控制器(2)并通过补偿电压计算得到有功功率、无功功率二倍频补偿电压；(5)、将步骤(4)得到的二倍频补偿电压以电网电压位置角度为变换角进行反Park变换，得到两相静止坐标系下的二倍频补偿电压；(6)、采用步骤(5)得到的两相静止坐标系下的二倍频补偿电压分别对各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压进行补偿，得到补偿后的各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压；(7)、将步骤(3)中计算得到的两相静止坐标系下的电流参考值、步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的电网电压和电流采样值，以及步骤(6)中得到的补偿后的各输入电压分别作为模型预测控制器的输入；(8)、将三相电压型PWM整流器模型作为预测模型，通过预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流，通过价值函数选择使电流给定值与电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量作为最优电压矢量；(9)、用步骤(8)得到的最优电压矢量对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

2.根据权利要求1所述的不平衡电压下三相PWM整流器的模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(6)中的补偿过程具体为：将各开关组合作用下整流器在两相静止坐标系下的输入电压分别与步骤(5)得到的两相静止坐标系下的二倍频补偿电压相减，得到补偿后的各开关组合作用下的输入电压。