CN102916600A

CN102916600A - 三相电压型pwm整流器模型自校正预测控制方法

Info

Publication number: CN102916600A
Application number: CN2012104160585A
Authority: CN
Inventors: 王萌; 施艳艳
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN102916600B

Abstract

本发明公开了一种三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法。本发明的技术方案要点为：一种三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法，该方法在控制对象模型参数不匹配时，通过观测实际模型参数并实时对预测模型进行修正，进而获得最优的电压矢量，用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。本发明的模型自校正方法在不改动硬件结构的情况下，通过增加电感观测算法，消除了模型参数不匹配对控制系统造成的影响，增强了模型预测控制系统的鲁棒性，实现三相PWM整流器在预测模型存在较大误差情况下的稳定运行。

Description

三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法

技术领域

本发明涉及三相电压型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，特别涉及一种三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法。

背景技术

随着微处理器技术的迅速发展和相关研究的深入，模型预测控制（MPC）在电力电子及电机驱动中的应用体现出巨大的潜力和优势。由于MPC算法需要根据数学模型预测对象下一时刻的运行状态，其对模型的准确性要求较高。在电力电子功率电路中常含有电阻、电感、电容等器件，温度的变化、磁路的饱和程度、电缆过载和其他环境条件变化均会使电路中的电阻、电感等器件参数发生改变。电路参数的变化将导致控制系统参数标称值与系统实际参数值不匹配，进而影响MPC控制的稳定性和鲁棒性，降低系统的控制品质。有学者将模型参数不匹配对系统造成的影响作为扰动量，采用Luenberger观测器通过前馈补偿来消除系统扰动，增强控制系统鲁棒性。有学者采用积分滑模控制策略消除了模型预测结果与实际闭环系统的误差，提高了MPC控制系统的鲁棒性。针对MPC控制系统预测模型不匹配产生的扰动，有学者采用扩张状态观测器估计实际扰动并通过前馈补偿，获得了较好的控制效果。有学者针对三相逆变器提出了一种自适应鲁棒MPC控制算法，通过估计电感的等效电阻值，增强了MPC控制系统的鲁棒性。

由于MPC控制过程采用循环寻优，直接输出的不定频方式，其采样频率较高，运行性能受系统延迟影响较为明显。以上算法虽然可以消除模型误差对控制系统的影响，但算法均较为复杂，大大增加了程序的运算时间，进而影响控制效果。因此，有必要设计一种新型MPC控制方法，在较短的采样周期内可实时对模型参数不匹配问题进行修正，提高系统的鲁棒性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法,该方法在对象模型参数不匹配时，通过观测实际模型参数并实时对预测模型进行修正，进而获得最优的电压矢量，保证系统的控制品质，算法运算量小、结构简单、易于实现，可有效提高系统运行的鲁棒性。

本发明的技术方案为：一种三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法，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；(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)、将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角；(4)、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；(5)、将上一时刻整流器α轴输入电流、当前时刻整流器α轴输入电流、电感参数以及根据三相电压型PWM整流器预测模型获得整流器α轴预测电流做为电感观测算法的输入，获得估算的实际电感参数；(6)、采用估算的实际电感参数修正三相电压型PWM整流器预测模型和电感观测算法中的电感参数，将修正参数后的三相电压型PWM整流器模型作为预测模型；(7)、将步骤(4)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作为预测模型的输入；(8)、通过预测模型预测各电压矢量作用下的预测电流，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为最优电压矢量，并保存该矢量对应的α轴预测电流值；(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(5)中所述的电感观测算法的工作过程为：将整流器α轴预测电流与上一时刻整流器α轴输入电流做差后，除以该时刻整流器α轴输入电流与上一时刻整流器α轴输入电流之差，再与整流器预测模型中的电感参数相乘，获得估算的实际电感参数。

本发明的模型自校正方法在不改动硬件结构的情况下，通过增加电感观测算法，消除了模型参数不匹配对控制系统造成的影响，增强了模型预测控制系统的鲁棒性，实现三相PWM整流器在预测模型存在较大误差情况下的稳定运行。

附图说明

图1为三相电压型PWM整流器的主电路结构图；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为电感观测结构图；图4为模型自校正模型预测控制结构原理图；图5为电感参数不匹配时电感参数观测效果图；图6为电感参数不匹配时的三相电流实验波形图；图7为模型电感标称值与电感观测值曲线图；图8为电感参数不匹配时的电流跟踪实验波形图；图9为电感不匹配时的直流母线电压波形图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。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

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE002

(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

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE004

(2)

定义价值函数如下式所示

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE006

(3)

式中：i _mαi(k+1)、i _mβi(k+1)为不同电压矢量作用下的预测电流值；下标i=1,2,...7。

模型预测控制策略充分利用功率变换器件的非线性特性，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。通过价值函数对所有预测结果进行评估，最终选择使价值函数最小的电压矢量。因此，算法能够在每个采样周期预测到最优的开关状态作为控制器的输出。

采用MPC控制算法的三相VSR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VSR预测模型，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；将预测的结果通过价值函数进行评估和优化，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。以上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。

设预测模型中电感标称值为L _m，电感误差为ΔL，有

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE008

(4)

根据式(2)和式(4)，MPC预测得到的最优电压矢量作用下的下一时刻电流值可表示为

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE010

(5)

将式(2)与式(5)的第一式相减，得电感观测值为

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE012

(6)

式中：L _o为观测到的电感值。

通过式(6)可求出下一时刻电感参数的观测值，同理，系统在当前时刻的电感观测值可表示为

Figure 2012104160585100002DEST_PATH_IMAGE014

(7)

电感观测算法结构如图3所示。由图中可以看出，观测算法的输入变量分别为α轴预测电流i _mα(k)、α轴当前时刻实际电流i _gα(k)、α轴上一时刻实际电流i _gα(k-1)以及模型电感值L _m。将输入变量按式(7)进行运算后，再经过限幅和低通滤波环节(LPF)得到电感观测值L _o。

图4为模型自校正模型预测控制结构原理图，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)；

(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)；

(4) 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)；

(5) 将上一时刻整流器α轴输入电流i _gα(k-1)，当前时刻α轴输入电流i _gα(k)，电感参数L _m，以及根据三相电压型PWM整流器预测模型获得整流器α轴预测电流i _mα(k)做为电感观测算法的输入，获得估算的实际电感参数L _o；

(6) 采用估算的实际电感参数L _o修正三相电压型PWM整流器预测模型和电感观测算法中的电感参数L _m，将修正参数后的三相电压型PWM整流器模型作为预测模型；

(7) 将步骤(4)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)作为预测模型的输入，其中下标i=1,2,...,7。

(8) 通过预测模型预测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。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)为最优电压矢量，并保存该矢量对应的α轴预测电流值i _mα(k+1)。

(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(5)中所述的电感观测算法的工作过程为

将整流器α轴预测电流i _mα(k)与上一时刻整流器α轴输入电流i _gα(k-1)做差后，除以该时刻整流器α轴输入电流i _gα(k)与上一时刻整流器α轴输入电流i _gα(k-1)之差，再与整流器预测模型中的电感参数L _m相乘，获得估算的实际电感参数L _o。采用电感观测值L _o分别对预测模型和电感观测算法中的电感参数L _m进行修正，可以保证MPC运行过程中选择最优的输出电压矢量。

图5为电感参数不匹配时电感参数观测效果图。图中，系统实际电感参数为20mH，当模型电感标称值L _m与电感实际值L _g存在误差时，观测器可以观测出实际电感参数值。

图6、图7分别为模型电感标称值减小到2mH时，采用自校正MPC控制算法前后的三相电流实验波形及模型电感标称值与电感观测值曲线。由图6可以看出，由于电感参数不匹配，三相电流幅值较高并产生畸变，当采用自校正模型预测控制后，电流幅值降低且正弦度较好。由图7可以看出，当模型电感L _m变化到2mH时，观测器输出电感值L _o始终稳定在20mH附近，观测器能够准确观测系统实际电感值，并实时对预测模型进行修正，提高了MPC控制的鲁棒性。

当模型电感标称值减小到2mH时，采用MPC控制算法和自校正MPC控制算法的α轴电流跟踪效果如图8所示。由图中可以看出，由于电感参数的不匹配，电流不能精确跟踪给定值并发生畸变。当采用自校正模型预测控制算法后，电流畸变消失并准确跟踪给定值。由于算法可以对预测模型进行实时修正，确保了MPC寻优过程的准确性，系统将输出最优的开关状态。因此，自校正模型预测控制可以有效消除模型电感参数不匹配对控制系统的影响。

图9为电感不匹配时采用模型自校正MPC控制前后的直流母线电压波形。由图中可以看出，当模型电感标称值L _m与电感实际值L _g不匹配时，由于电流不能准确跟踪给定值，直流母线电压产生波动，控制效果不理想。采用模型自校正MPC控制后，电压波动迅速消失，且能够准确跟踪给定电压信号。

综上所述，与传统MPC控制算法相比，本发明的控制方法可以有效消除模型误差对控制系统的影响，实现对参考电流的准确跟踪，具有良好的控制品质和较强的鲁棒性，算法结构简单、计算量小、易于实现。

Claims

1.一种三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法，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；(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)、将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角；(4)、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；(5)、将上一时刻整流器α轴输入电流、当前时刻整流器α轴输入电流、电感参数以及根据三相电压型PWM整流器预测模型获得整流器α轴预测电流做为电感观测算法的输入，获得估算的实际电感参数；(6)、采用估算的实际电感参数修正三相电压型PWM整流器预测模型和电感观测算法中的电感参数，将修正参数后的三相电压型PWM整流器模型作为预测模型；(7)、将步骤(4)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作为预测模型的输入；(8)、通过预测模型预测各电压矢量作用下的预测电流，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为最优电压矢量，并保存该矢量对应的α轴预测电流值；(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所述的三相电压型PWM整流器模型自校正预测控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中的电感观测算法的工作过程为：将整流器α轴预测电流与上一时刻整流器α轴输入电流做差后，除以该时刻整流器α轴输入电流与上一时刻整流器α轴输入电流之差，再与整流器预测模型中的电感参数相乘，获得估算的实际电感参数。