CN103326598A - 三相整流器快速模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相整流器快速模型预测控制方法。本发明的技术方案要点为：三相整流器快速模型预测控制方法，该方法根据三相电压型整流器模型和电流参考值获得下一时刻需要的输出电压参考值；通过对模型预测控制中的价值函数进行等效变换，获得基于输出电压的价值函数表达式；最后，采用矢量分区的方法选择最优的输出电压矢量。针对三相电压型整流器的控制，本发明的模型预测控制方法可有效简化传统模型预测控制。因此，控制算法结构简单，运算量小，计算时间显著缩短，保证了控制系统的响应速度和稳定运行，并为其他辅助控制算法的扩展提供了条件。

Description

三相整流器快速模型预测控制方法

技术领域

    本发明涉及三相电压型整流器的控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域，特别涉及一种三相整流器快速模型预测控制方法。

背景技术

三相电压型整流器的模型预测控制算法通常采用循环寻优，直接输出的不定频控制方式，算法在每个控制周期内只输出一种开关状态。因此，为获得较快的响应速度和良好的控制品质，模型预测控制的控制周期一般较短。虽然模型预测控制结构简单，但在实际应用中，相对于很短的控制周期，其循环预测和寻优过程较为复杂，运算量较大，对控制器的计算性能要求较高。同时，预测和寻优过程耗时较长也不利于其它辅助控制算法的扩展，影响模型预测控制的工业化应用。另外，随着开关状态的增多，如多电平变换器、矩阵变换器等，模型预测控制算法的运行时长也随之增加，这将造成控制周期时长增加，进而影响变换器的控制效果。因此，在保证控制器响应速度和控制品质的前提下，有效缩短预测和寻优时长至关重要。为了缩短模型预测控制算法的计算耗时，有学者提出一种通过分区对模型预测控制的预测过程进行简化的方法。该方法可有效减少控制算法运行时长，提高算法的运行效率，但该算法将对模型预测控制的部分控制性能造成影响。还有学者针对级联型H桥逆变器的模型预测控制，提出了一种简化的控制算法，该算法不能应用于其它类型的变换器。

因此，有必要设计一种三相整流器快速模型预测控制方法，在保持模型预测控制电流响应速度快、控制效果好等优良控制品质的基础上，有效简化模型预测控制的计算过程，缩短算法执行时间，为辅助算法的加入及模型预测控制的工业化应用提供有力条件。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种三相整流器快速模型预测控制方法，该方法根据三相电压型整流器模型和电流参考值获得下一时刻需要的输出电压参考值；通过对模型预测控制中的价值函数进行等效变换，获得基于输出电压的价值函数表达式；最后，采用矢量分区的方法选择最优的输出电压矢量。针对三相整流器系统，本发明的简化模型预测控制方法可有效简化传统模型预测控制方法，控制算法结构简单，运算量小，计算时间显著缩短，保证了控制系统的响应速度和稳定运行。

本发明的技术方案为：三相整流器快速模型预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测主动前端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)、将三相电压型整流器的电压模型作为预测模型，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作为预测模型的输入；(6)、通过预测模型得到能够使电流实际值跟踪电流参考值的预测输出电压。(7)、根据分区判断过程，得到最优的电压矢量对应的电压值作为输出电压；(8)、用步骤(7)得到的输出电压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(7)中的分区判断过程为：

定义变量

                                                                                         

                                           

式中：

、

为步骤(6)得到的预测电压。

定义以下规则：若

，则A=1，否则A=0；若

，则B=1，否则B=0；若

，则C=1，否则C=0。则电压矢量所在区域的计算公式为

                                                            N=A+2B+4C                                                            

在确定电压矢量参考值所在区域N后，可进一步判断其范围，判断方法为

                          

                           

式中：u _dc(k)为直流母线电压；

为区域N对应的电压矢量。

为步骤(6)得到的预测电压的矢量形式。

本发明三相整流器快速模型预测控制方法，由模型电流预测的逆过程获得参考电压值。然后，将矢量平面分为7个部分，并判断参考电压值所在区域。最后，根据参考电压所在区域获得最优的电压矢量作为控制器输出。可有效简化模型预测控制的计算过程，缩短算法执行时间，为辅助算法的加入及模型预测控制的工业化应用提供了有力条件。

附图说明

图1为三相电压型整流器主电路结构图；图2为三相电压型整流器传统模型预测控制框图；图3为电压矢量分区图；图4为本发明三相电压型整流器模型预测控制框图；图5为传统模型预测控制耗时；图6为本发明三相电压型整流器模型预测控制耗时；图7为本发明三相电压型整流器模型预测控制电流波形图。

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；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。

三相电压型整流器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：i _α、i _β、u _cα、u _cβ分别为整流器α、β轴输入电流和输入电压；u _gα、u _gβ分别为α、β轴电网电压。

 

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：

(k+1)、

(k+1)分别为α、β轴k+1时刻的输入电流给定值；i _mαi (k+1)、i _mβi (k+1)为不同电压矢量作用下k+1时刻的预测电流值；下标i=0,1,2,...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输入电流。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。

采用传统模型预测控制算法的三相电压型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 U _gabc(k)和输入电流 I _abc(k)；将采集到的电压通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)得到电网电压角度θ(k)，θ(k)可作为Park反变换角度；将三相电压、电流信号通过3/2变换得到两相静止坐标系下的电压 U _gαβ(k)、电流 I _αβ(k)信号；通过三相电压型整流器预测模型，分别对k+1时刻8个电压矢量 U _cαβi (k)作用下的输入电流 I _mαβi (k+1)进行预测；将8个预测的结果通过价值函数进行评估，并选择最优的开关状态作为k+1时刻功率开关的控制信号。以上算法在每个控制周期循环一次，每个控制周期内需要进行8次电流预测、8次价值函数计算(16次乘法运算、24次加减运算)和7次比较过程才能得出最优的电压矢量。

模型预测控制算法在每个控制周期循环一次，因此，算法运行时间需足够短以获得较高的采样频率。为了缩短算法的运行时间，需要降低算法的复杂程度。本发明提出一种三相整流器快速模型预测控制方法对传统模型预测控制算法进行简化。

由式(1)可得离散化后的三相电压型整流器电压方程为

            

        (4)

由式(4)可知，若系统输入电流在k+1时刻能够跟踪参考电流

，则需要的输入电压

为

             

         (5)

由式(5)可知，采用k+1时刻的参考电流对所需输入电压进行预测，则采用一次预测即可完成。与模型电流预测相比，电压预测将省去7次预测过程。

根据k时刻电网电压、电流及8个输入电压，通过式(1)可得到k+1时刻的8个预测电流为

            

       (6)

式中， i _md(k+1)、 i _mq(k+1)为最优输出电压对应的d、q轴电流预测值。

将式(6)带入式(3)可得

        (7)

其中

联立式(7)和式(5)可得

             

         (8)

由式(8)可知，模型电流预测控制中的价值函数可由电压预测值和8个输入电压表示。即根据式(8)可得到最优输入电压为与电压预测值最相近的输入电压。将最优输入电压对应的开关状态作为控制器的输出可实现对VSR系统的模型电压预测控制。值得注意的是，式(8)所示的价值函数，其最小化的目的是为了得到与所需要的电压矢量距离最近的电压矢量，因此，可根据模型预测控制原理和空间电压矢量的分布规律对最优输入电压进行选择。

根据电压矢量平面各点与8个电压矢量的距离关系，将电压矢量空间分为7个区域，如图3所示。由图3可以看出，当

落到中间小六边形范围内时，其与零矢量距离最近；当

落到中心小六边形之外时，其与所在扇区对应的电压矢量距离最近。因此，通过确定电压矢量参考值所在区域，即可得到对应的最优电压矢量。

为判断电压矢量所在区域，定义变量

                                                                                   (9)

定义以下规则：若

，则A=1，否则A=0；若

，则B=1，否则B=0；若

，则C=1，否则C=0。则电压矢量所在区域的计算公式为

                                                            N=A+2B+4C                                                     (10)

式(10)的区域计算结果N与图3定义的区域号I~VI对应。

在确定电压矢量参考值所在区域N后，可进一步判断电压矢量参考值是否在区域VII所示的中间小六边形范围内，判断方法为

                                                       (11)

由式(11)可以看出，将电压矢量参考值 U ^* _cαβ(k)与区域I对应的电压矢量 U _cαβ1(k)点乘，若计算结果大于c(k)，则电压矢量参考值在区域I内，此时选择矢量 U _cαβ1(k)作为输出电压矢量；反正，若计算结果小于c(k)，则电压矢量参考值在区域VII内，此时选择零矢量 U _cαβ0,7(k)作为输出电压矢量。

通过以上分析可知，本发明的简化模型预测控制可根据模型预测控制原理，通过对输入电压进行预测，并采用分区判断的方法得到最优的电压矢量，其控制框图如图4所示，其控制方法具体包括如下步骤：

(1)、检测主动前端整流器系统三相电网电压 U _gabc(k)、三相输入电流 I _abc(k)和直流母线电压u _dc(k)；

(2)、将检测到的三相电网电压 U _gabc(k)和三相输入电流 I _abc(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 _gαβ(k)和输入电流采样值I _αβ(k)；

(3)、将三相电网电压信号 U _gabc(k)经过软件锁相环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 ^* _αβ(k+1)；

(5)、将三相电压型整流器的电压模型作为预测模型，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 ^* _αβ(k+1)、步骤(2)中计算得到的两相静止坐标系下的电网电压 U _gαβ(k)和电流采样值I _αβ(k)作为预测模型的输入；

(6)、通过预测模型得到能够使电流实际值跟踪电流参考值 I ^* _αβ(k+1)的预测输出电压

U ^*  _cαβ(k)。

(7)、根据分区判断过程，得到最优的电压矢量 U _cαβ(k)对应的电压值作为输出电压；

(8)、用步骤(7)得到的输出电压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(7)中的分区判断过程为：

定义变量

                                          

                                           

式中：

、

为步骤(6)得到的预测输出电压值。

定义以下规则：若

，则A=1，否则A=0；若

，则B=1，否则B=0；若

，则C=1，否则C=0。则电压矢量所在区域的计算公式为

                                                            N=A+2B+4C                                                            

在确定电压矢量参考值所在区域N后，可进一步判断其范围，判断方法为

                              

                              

式中：u _dc(k)为直流母线电压；

为区域N对应的电压矢量。

为步骤(6)得到的预测电压的矢量形式。

由图4可以看出，采用两相静止坐标系下的电网电压 U _gαβ(k)、电流 I _αβ(k)信号和k+1时刻的参考电流值，通过VSR预测模型预测到跟踪参考电流所需的电压 U ^* _cαβ(k)；通过对电压 U ^* _cαβ(k)所在分区进行判断得到最优的电压矢量作为控制器输出。算法在每个控制周期需要进行1次预测、4次乘除法运算、3次加减法运算、3次判断和1次比较即可求出最优的电压矢量，与模型电流预测控制相比，计算时间得到显著缩短。

图5为传统模型预测控制耗时，由图中可以看出，整个算法耗时约30.5μs，其中，模型预测算法部分运行过程需要7μs。因此，在控制周期T _s=33μs时，控制器没有过多的空余时间处理一些辅助算法。

图6为简化的模型预测控制耗时，由图中可以看出，简化的模型预测控制算法部分运行过程仅为2μs，约为模型电流预测控制算法耗时的28.6%。因此，与传统模型预测算法相比，本发明的简化模型预测算法结构较为简单，可显著缩短程序的运行耗时。

图7为简化的模型预测控制电流波形，图中，α轴电流参考值由峰值6A阶跃上升到峰值9A。在α轴电流给定值阶跃变化时，电流阶跃时间约为0.2ms，响应速度很快。

综上所述，与传统模型预测控制算法相比，本发明的简化模型预测控制方法可以在保持传统模型预测控制电流响应速度快、控制效果好等优良控制品质的基础上，有效简化模型预测控制的计算过程，缩短算法执行时间，为辅助算法的加入及模型预测控制的工业化应用提供了有力条件。

Claims (2)

1.三相整流器快速模型预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测主动前端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)、将三相电压型整流器的电压模型作为预测模型，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作为预测模型的输入；(6)、通过预测模型得到能够使电流实际值跟踪电流参考值的预测输出电压。

2.根据权利要求1所述的三相整流器快速模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤（7）中的分区判断过程为：

定义变量

                                                      

    

式中：

、

为步骤(6)得到的预测电压，

定义以下规则：若

，则A=1，否则A=0；若

，则B=1，否则B=0；若

，则C=1，否则C=0，则电压矢量所在区域的计算公式为：

       N=A+2B+4C       

在确定电压矢量参考值所在区域N后，可进一步判断其范围，判断方法为：

       

，   

式中：u _dc(k)为直流母线电压；为区域N对应的电压矢量，为步骤(6)得到的预测电压的矢量形式。

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