CN102931857A - 电压型pwm整流器定频式模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相PWM整流器的定频式模块预测控制方法。本发明的技术方案要点为：三相PWM整流器的定频式模块预测控制方法，选择与电网电压位置角相邻的两个电压矢量和零矢量作为作用矢量，将得到的两相旋转坐标系下的电网电压和输入电流值、已选择的两个电压矢量和零矢量在两相旋转坐标系下对应的电压值作为电流预测模型的输入，得到d、q轴电流的变化率，并采用两相旋转坐标系下的输入电流值、d、q轴电流参考值、d、q轴电流的变化率作为矢量持续时间计算模块的输入，得到各矢量的作用时间，将其输入到调制器，并将开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。本发明可有效减少系统电流纹波和电流失真，增强了模型预测控制系统的运行性能。

Description

电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法

 

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，特别涉及一种电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法。

背景技术

模型预测控制是一种根据控制对象模型来预测其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。通过最小化此价值函数，算法在每个采样周期预测得到最有效的电压矢量，并作为下个采样周期的作用矢量。由于在每个采样周期需要进行大量的计算，模型预测控制一般应用于对系统响应速度要求不高的场合。随着微处理器计算速度的大幅提升，模型预测控制策略在电力电子的应用中体现出巨大的潜力。

采用传统不定频模型预测控制算法的PWM整流器，其控制系统需要较高的采样频率和变化的开关频率。较高的采样频率要求控制器具有快速的计算速度，因此将增加控制器负担，提高系统成本；变化的开关频率不易于电磁干扰滤波器的设计，不利于功率器件的安全运行，所以在很多商业应用中一般均采用固定开关频率控制算法。

因此，有必要设计一种三相PWM整流器的定频式模型预测控制方法，在控制系统运行时，系统无需较高的采样频率，电流纹波和电流失真较少，保证系统的控制品质。

发明内容

本发明的目的在于解决现有模型预测控制方法中存在的问题，提供了一种电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法，该方法易于抗电磁干扰设计，可以有效降低控制系统的采样频率，减少电流纹波和电流失真，提高了PWM整流器的控制效果。

本发明的技术方案为：一种电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法，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；(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，将两相静止坐标系下的电网电压信号经过软件锁相环，得到电网电压位置角和电网电压旋转角速度，以电压位置角度为变换角对两相静止坐标系下的电网电压和输入电流值进行Park变换，得到两相旋转坐标系下的电网电压和输入电流；(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；(4)、将αβ平面分为六个扇区，根据电压位置角度，确定电网电压矢量所在扇区，选择与电网电压矢量所在扇区相邻的两个电压矢量和零矢量作为作用矢量，根据开关表和直流母线电压得到以上选择的两相静止坐标系下的两个电压矢量和零矢量对应的电压值，将此电压值经过Park变换，得到两相旋转坐标系下对应的输入电压值；(5)、将步骤(2)得到的两相旋转坐标系下的电网电压和输入电流值、步骤(4)得到的两相旋转坐标系下的输入电压作为电流预测模型的输入，得到d、q轴电流的变化率；(6)、采用步骤(2)得到的两相旋转坐标系下的输入电流值、步骤(3)得到的d、q轴电流参考值、步骤(5)得到的d、q轴电流的变化率作为矢量持续时间计算模块的输入，得到各矢量的作用时间；(7)、将步骤(6)中的到的各矢量作用时间输入到调制器，将调制器输出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)中所述矢量持续时间计算模块的表达式为： 

式中：

，e _dm、e _dn、e _dl分别为所选矢量作用下d轴电流变化率，e _qm、e _qn、e _ql分别为所选矢量作用下q轴电流变化率，各矢量作用时间满足 t ₀+t ₁+t ₂=T _s。

本发明的三相电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法，消除了不定频模型预测控制方法采样频率高，不易于电磁干扰设计的缺点，可有效减少系统电流纹波和电流失真，增强了模型预测控制系统的运行性能。

附图说明

图1为三相电压型PWM变换器主电路结构图；图2为扇区定义图及各电压矢量对电流的影响示意图；图3为本发明模型预测控制的控制结构原理图；图4为采用本发明控制算法的电压、电流波形图；图5为采用本发明控制算法的电流频谱分析图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。图1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为功率桥输入侧三相电压，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。定义单极性二值逻辑开关函数S _k ，当S _k  =1（k = a, b, c）表示变换器k相上桥臂开通，下桥臂关闭；S _k  =0表示上桥臂关闭，下桥臂开通。

在稳定情况下，可得PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型:

                                      

                                   (1)

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；

由式(1)可得网侧变换器d、q轴电流的变化率为

                                       

                                      (2)

由式(2)可知，d、q轴电流变化率受系统参数、电网电压、变换器输入电压和电流的影响。图2给出了电压空间矢量和扇区划分情况，由图中可以看出，网侧变换器输入电压可分别由八个电压矢量表示，其中六个为有效矢量（ V ₁~ V ₆），二个为零矢量（ V ₀， V ₇）。

以扇区III为例，图2给出了各电压矢量对电流的影响，由于进线电抗等效电阻一般较小，分析中不考虑电阻R _g的影响。由图中可以看出，在整个扇区内，当选择电压矢量V ₆、V ₄ 、V ₀或V ₇时di _d/dt为正；在电压矢量从θ=0o旋转到θ=60o过程中，矢量V ₃的作用使di _d/dt在θ=0o附近时为正，然后变为负。而矢量V ₁的作用使di _d/dt在θ=60o附近时为正，在其它区间为负。因此当选择矢量V ₃、V ₁时，在扇区III的绝大部分区间内di _d/dt为负。矢量V ₁、V ₅、V ₄保持di _q/dt为正；而矢量V ₃、V ₂、V ₆使di _q/dt为负。简言之，电压矢量V ₁在扇区III的绝大部分区间使d轴电流减小，在整个扇区使q轴电流增大；而电压矢量V ₃在在扇区III的绝大部分区间使d轴电流减小，在整个扇区使q轴电流减小。其它扇区电压矢量作用效果与扇区III类似。

本发明在一个采样周期T _s内选择三个电压矢量，分别为两个有效矢量和一个零矢量。在每个周期，选择距离电网电压矢量所在扇区相邻的两个矢量为有效矢量，零矢量可采用矢量V ₀或V ₇，则三个矢量中必然同时有使电流增加和减小的矢量。按以上电压矢量选取规则可构建相应的开关表，在扇区I选择零矢量和矢量V ₂、V ₃；在扇区II选择零矢量和矢量V ₁、V ₅；在扇区III选择零矢量和矢量V ₁、V ₃；在扇区IV选择零矢量和矢量V ₄、V ₆；在扇区V选择零矢量和矢量V ₂、V ₆；在扇区VI选择零矢量和矢量V ₄、V ₅。

各电压矢量对应的两相静止坐标系下的电压值如下表所示

电压矢量（S c S b S a）	u cα	u cβ
			V 1 （001）	2u dc /3	0
V 2 （010）	-u dc /3	udc /3
			V 3 （011）	u dc /3	udc /3
V 4 （100）	u dc /3	udc /3
			V 5 （101）	-2u dc /3	0
V 6 （110）	-u dc /3	udc /3
			V 0 （000）, V 7 （111）	0	0

将根据电网电压角度确定的有效电压矢量对应的电压值转换到同步旋转坐标系下，得到同步旋转坐标系下有效电压矢量对应的电压值u _cdχ 和u _cqχ 。其中，χ∈[m，n，l]，m、n、l分别代表选取的三个电压矢量，m、n、l∈[0, 7]。

将PWM变换器输入电压u _cdχ 和u _cqχ 代入式(2)，得到d、q轴电流的变化率

                           

                         (3)

由式(3)可分别得到各扇区不同电压矢量作用下，d、q轴电流的变化率。因此在当前作用矢量持续时间t _n 内，d、q轴电流变化量可表示为

                                        

                                      (4)

式中：i _gd(k)、i _gq(k)分别为当前矢量开始作用时刻d、q轴电流值； i _gd (k+1)、i _gq(k+1)分别为当前矢量作用结束时刻d、q轴电流值。

设t ₀、t ₁、t ₂分别表示每个开关周期内选择的三个电压矢量 V _m、 V _n、 V _l的作用时间。图中，在第k个开关周期结束时，电流跟踪误差可表示为

                                                                                  (5)

式中：

，e _dm、e _dn、e _dl分别为所选矢量作用下d轴电流变化率，e _qm、e _qn、e _ql分别为所选矢量作用下q轴电流变化率，各矢量作用时间满足 t ₀+t ₁+t ₂=T _s。

模型预测控制的控制目标为在每个开关周期结束时刻，使实际电流和给定电流误差最小。为了在每个控制周期内最大限度的减少d、q轴电流误差，采用最小二乘优化算法定义指标函数

                                                                                                       (6)

以指标函数W最小为约束条件，可以求出每个控制周期T _s内三个矢量V _m、V _n 、V _l的最佳作用时间。作用时间的计算应满足下列条件

                                                

                                               (7)

联立式(5)、式(6)和式(7)可得各矢量作用时间t ₀、t ₁和t ₂为

                       

                      (8)

三个电压矢量通过电网电压矢量位置确定后，其在下一个控制周期T _s的作用时间可由式(8)进行计算。但在某个控制周期内，当两个有效电压矢量的作用时间之和t ₁+t ₂ > T _s时，零矢量不再作用，两个有效电压矢量的作用时间分别调整为

                                                     

                                                   (9)

将零矢量和两个有效电压矢量的作用时间发送到调制器，通过调制即可得到控制功率变换器的开关信号。

图3为本发明模型预测控制的控制结构原理图，其控制方法具体包括如下步骤：

(1)、采用电压、电流传感器检测三相电压型PWM整流器系统三相电网电压u _ga、u _gb、u _gc，三相输入电流i _ga、i _gb、i _gc和直流母线电压u _dc； 

(2)、将检测到的三相电网电压u _ga、u _gb、u _gc和三相输入电流i _ga、i _gb、i _gc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、u _gβ和输入电流i _gα、i _gβ，将两相静止坐标系下的电网电压信号经过软件锁相环，得到电网电压位置角θ和电网电压旋转角速度ω _g，以电压位置角度θ为变换角对两相静止坐标系下的电网电压u _gα、u _gβ和输入电流i _gα、i _gβ进行Park变换，得到两相旋转坐标系下的电网电压u _gd、u _gq和输入电流i _gd、i _gq；

(3)、将直流母线电压参考值u _dc ^*与步骤(1)得到的直流母线电压实际值u _dc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 ^* ，设q轴电流参考值i _gq ^* 为0；

(4)、将αβ平面分为六个扇区，根据电压位置角度θ，确定电网电压矢量所在扇区，选择与电网电压矢量所在扇区相邻的两个电压矢量 V _m、 V _n和零矢量 V _l作为作用矢量，根据开关表和直流母线电压得到以上选择的两相静止坐标系下的两个电压矢量和零矢量对应的电压值，将此电压值经过Park变换，得到两相旋转坐标系下对应的电压值u _cdχ 、u _cqχ ，

；

(5)、将步骤(2) 得到的两相旋转坐标系下的电网电压u _gd、u _gq和输入电流值i _gd、i _gq、步骤(4)得到的两个电压矢量和零矢量在两相旋转坐标系下对应的电压值u _cdχ 、u _cqχ 作为电流预测模型的输入，得到d、q轴电流的变化率e _dχ 、e _qχ ；

(6)、采用步骤(2)得到的两相旋转坐标系下的输入电流值i _gd、i _gq、步骤(3)得到的d、q轴电流参考值i _gd ^* 、i _gq ^* 、步骤(5)得到的d、q轴电流的变化率e _dχ 、e _qχ 作为矢量持续时间计算模块的输入，得到各矢量的作用时间t ₀、t ₁、t ₂；

(7)、将步骤(6)中的到的各矢量作用时间t ₀、t ₁、t ₂输入到调制器，将调制器输出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)中所述矢量持续时间计算模块的表达式为： 

式中：

，e _dm、e _dn、e _dl分别为所选矢量作用下d轴电流变化率，e _qm、e _qn、e _ql分别为所选矢量作用下q轴电流变化率，各矢量作用时间满足 t ₀+t ₁+t ₂=T _s。

图4、图5分别为采用本发明控制算法的电压、电流波形图及电流频谱分析图，系统运行时开关频率设置在5kHz，由图4可以看出，采用本发明控制方法时，系统电流波形正弦度较好，且电压和电流波形保持同相位，变换器可以实现单位功率因数运行；由图5可以看出，电流纹波与电流失真较小，电流的谐波含率为1.93%，而采用不定频模型预测控制算法，采样频率需达到30kHz时，才能满足本发明控制算法的电流谐波含率，而本发明控制算法在较低的开关频率下就可以实现较低的电流谐波含量。

综上所述，本发明的电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法易于抗电磁干扰设计，可以有效降低控制系统的采样频率，减少电流纹波和电流失真，有效提高整流器的运行品质。

Claims (2)

1.一种电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法，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；(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，将两相静止坐标系下的电网电压信号经过软件锁相环，得到电网电压位置角和电网电压角速度，以电压位置角度为变换角对两相静止坐标系下的电网电压和输入电流值进行Park变换，得到两相旋转坐标系下的电网电压和输入电流；(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；(4)、将αβ平面分为六个扇区，根据电压位置角度，确定电网电压矢量所在扇区，选择与电网电压矢量所在扇区相邻的两个电压矢量和零矢量作为作用矢量，根据开关表和直流母线电压得到以上选择的两相静止坐标系下的两个电压矢量和零矢量对应的电压值，将此电压值经过Park变换，得到两相旋转坐标系下对应的输入电压值；(5)、将步骤(2)得到的两相旋转坐标系下的电网电压和输入电流值、步骤(4)得到的两相旋转坐标系下的输入电压作为电流预测模型的输入，得到d、q轴电流的变化率；(6)、采用步骤(2)得到的两相旋转坐标系下的输入电流值、步骤(3)得到的d、q轴电流参考值、步骤(5)得到的d、q轴电流的变化率作为矢量持续时间计算模块的输入，得到各矢量的作用时间；(7)、将步骤(6)中的到的各矢量作用时间输入到调制器，将调制器输出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所述的电压型PWM整流器定频式模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(6)中矢量持续时间计算模块的表达式为： 

式中：

，e _dm、e _dn、e _dl分别为所选矢量作用下d轴电流变化率，e _qm、e _qn、e _ql分别为所选矢量作用下q轴电流变化率，各矢量作用时间满足 t ₀+t ₁+t ₂=T _s。

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