CN105450057A - 三相六开关整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法 - Google Patents

Abstract

三相六开关整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法。本发明公开了一种三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制技术，其步骤是：A、通过电流传感器、电压传感器分别测出三相电流、三相电网电压和直流侧电容电压；B、通过测量的直流电容电压计算出八种开关组合(000,001,010,100,011,101,110,111)对应的电压矢量；C、给定的直流电压通过滤波器后得到本采样周期的瞬时参考电压，根据直流侧和交流侧功率守恒原则获得有功功率的瞬时参考值，其中有功功率参考值的计算采用观测器估算负载电流。D、根据测量的相电流和相电压，预测整流器八个电压矢量对应的有功功率和无功功率以及电容电压；E、计算相应的代价函数F、将使得代价函数最小的电压矢量对应的开关状态施加到整流器中。该方法适用于三相各种整流、有源滤波器。

Description

三相六开关整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法

技术领域

本发明属整流领域，具体涉及一种三相功率变换器拓扑下带负载电流观测器的直接功率控制的模型预测控制方法。

背景技术

近年来，以由六开关三相全控型电力电子器件组成的整流器，由于其可以控制能量的双向流动，功率因数可控，良好的直流电压调节性能，正弦的输入电流等诸多优点，在太阳能、风能等可再生能源并网发电，有源电力滤波器，以及变频调速等系统中得到了广泛的应用。

在众多针对三相六开关整流系统控制策略的专利和文献中，其大致方法分为三类：一类是采用电压矢量定向控制(VOC)，通过旋转坐标变换，将坐标轴定向到电压矢量上，以获得有功功率和无功功率的解耦控制，但这类算法需要坐标变换和调制解调器，其控制参数过多难以调节；另一类是通过引入瞬时功率的概念的直接功率控制(DPC)，直接计算整流器的有功和无功功率，通过开关查表的办法获得最优的电压矢量，但这类算法不能保证获得的都是最优的电压矢量；第三类是直接功率控制的预测控制方法，但其有功功率的参考值往往是通过比例积分(PI)调节器获得，往往会有积分饱和的问题，影响动态性能。

发明内容

为了克服现有三相六开关整流系统控制策略的不足，本发明提出了一种三相六开关功率变换器拓扑下带负载电流观测器的直接功率控制模型预测控制方法。该方法取代了传统的内外环的传统串级控制结构，实现无功功率、有功功率和直流电压的同时控制，负载电流观测器的应用使得本发明适用于各种非线性负载，不需要脉宽调制器和坐标变换，不带PI调节器，无参数整定和积分饱和的问题。该方法适用于三相六开关驱动的各种整流器、有源电力滤波器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法，所述方法包括：

(1)通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测出三相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k，电容电压u_d ^k和线电压e_ab ^k,e_ac ^k；并通过线电压计算相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k，上标k表示采样时刻；

(2)通过测量的电容电压u_d计算八个开关组合对应的电压矢量V₁～V₈当前时刻的值，以及根据测量的三相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k计算电流矢量的值，其中八种开关组合为000,100,010,001,011,101,110,111，根据相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电网电压矢量

(3)将直流电压给定值通过低通滤波器，计算下一时刻的直流电压给定计算达到该给定需要的直流电容给定在该直流电流给定的基础上，根据整流器数学模型计算的输出的电流给定根据该电流计算直流侧功率输入根据能量守恒原理，计算

(4)设计Luenberger观测器，观测负载电流值

(5)根据整流器模型计算整流器的预测电流矢量和电网电压矢量e_s ^k+1；

(6)根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Q_in ^k+1和有功功率P_in ^k+1的预测值；

(7)根据无功功率，有功功率和电容电压的预测值求取每个电压矢量对应的代价函数值，取使得代价函数最小J_i的电压矢量为最优的电压矢量；

(8)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如步骤(2)中相同。

本发明的优点在于，该方法取代了传统的内外环的传统串级控制结构，实现无功功率、有功功率和直流电压的同时控制，本发明不带PI调节器，无参数整定和积分饱和的问题，简化了控制结构，提高了控制系统的可靠性。本发明在直接对功率变换器的开关进行控制，不需要脉宽调制器。每一个开关周期都对八个电压矢量进行优化控制，实现了每一个开关周期，系统都在最优的状态运行，提高了整流的系统的性能。本发明直接在静止坐标系下进行建模和控制，无需坐标变换和电压鉴相。本发明使用的负载电流观测器使得本发明适用于各种非线性负载的情形。

附图说明

图1为本发明方法适用的三相整流系统及其基本结构图；

图2为本发明方法的控制结构框图；

图3为本发明三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明所涉及的是常用的三相六开关整流器。三相电网通过升压电感分别与功率变换器的三个桥臂相连接。负载前段并联一个电容作为滤波器。负载可以是任意非线性用电器。

如图2所示，本发明所涉及的控制框图，以及与三相整流器与电网的连接框图，结合附图2说明本发明采用的技术方案的原理：

为了实现高性能的闭环控制策略，通过将给定的直流电压参考值低通滤波后，获得下一时刻的直流电压参考值。根据该瞬时直流电压和交流侧功率守恒的关系获得有功功率的参考值。其中，通过扩展的Luenberger观测器估算负载电流的值，将该估计值用于有功功率参考值的计算，提升了有功功率计算的准确性和鲁棒性。无功功率参考值的获得通过直接外部给定。

本方案包含负载电流观测，直流电压参考值和有功功率参考值的计算，无功功率、有功功率、直流输出电压预测，代价函数最优化四个步骤。

首先，由于整流器的负载可以是变化和高度非线性的，为了适应应用这种场合，本发明采用扩展的Luenberger观测器作为负载电流观测器。采用实测相电流，输出直流电压和开关函数的值估算负载电流。

其次，将直流电压参考值通过低通滤波器，获得瞬时的直流电压给定；通过获得的负载电流值，依据直流侧和交流侧功率守恒的原则，获得瞬态的有功功率给定值。

然后，通过整流器的数学模型，获得电流矢量的预测值，以此计算有功功率，无功功率以及直流电压的预测值。

最后，将预测的无功功率，有功功率，电容电压同参考值分别作差，求其绝对值，并乘以相应的权重系数，相加后得到代价函数，四个电压矢量对应四个代价函数取值，将代价函数取值的最小电压矢量对应的开关信号施加到整流器。

通过霍尔电压传感器从三相电网中获取三相电网的交流电压，从电流霍尔传感器中获取三相电网的相电流，从直流电压霍尔传感器中获取直流侧电容的电压。以上变量作为控制系统的输入量参与系统控制。控制系统直接输出离散的开关信号。

本控制系统三个部分：1、对给定进行动态设计，通过设计低通滤波器获得下一刻直流电压的给定值，通过负载电流观测器获得负载电流的观测值，并代入整流的模型中，获得与下一刻直流电压给定值相对应的有功功率给定，无功功率的给定直接由外部给定；2、通过整流器的数学模型，实现整流器有功功率和无功功率预测；3、通过对预测值进行寻优获得最优的开关状态。

如图3所示为本发明三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法的流程图，上标代表采样时刻，*代表给定值，所述方法具体包括：

1、将最优的代价函数J_opt初始化为一个足够大的值。

2、通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测出三相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k，电容电压u_d ^k和线电压e_ab ^k,e_ac ^k；并通过线电压计算相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k。

$\left\{\begin{array}{c}{e_a}^k=\frac{1}{3}({e_{\mathrm{ab}}}^k+{e_{\mathrm{ac}}}^k)\\ {e_b}^k=\frac{1}{3}({e_{\mathrm{ac}}}^k-2\×{e_{\mathrm{ab}}}^k)\\ {e_c}^k=-{e_a}^k-{e_b}^k\end{array}\right.---\left(1.1\right)$

上标k表示采样时刻k时的变量值。

3、通过测量的电容电压计算八个电压矢量当前时刻的值以及电流矢量的值；电压矢量的计算方法，按表1所示。

表1

电流矢量计算方法如下：

${{\stackrel{\→}{i}}_s}^k={i_a}^k+j\·\frac{\sqrt{3}}{3}({i_a}^k+2\×{i_b}^k)---\left(1.2\right)$

电网电压矢量的计算方法：

${{\stackrel{\→}{e}}_s}^k={e_a}^k+j\·\frac{\sqrt{3}}{3}({e_a}^k+2\×{e_b}^k)---\left(1.3\right)$

4、将直流电压给定值通过低通滤波器，计算下一时刻的直流电压给定。

${\tilde{u}}_d^{*k+1}={u_d}^k+\frac{1}{h}(u_d^{*k}-{u_d}^k)---\left(1.4\right)$

其中，为直流电压的给定值，为下一时刻的电压给定值，u_d ^k为下一时刻的直流电压测量值。h为系统的控制参数，通过h调节直流电压的相应速度。下一时刻要达到则需要的直流侧电流

$i_{\mathrm{dc}}^{*k+1}=\frac{C}{T_s}({\tilde{u}}_d^{*k+1}-{u_d}^k)---\left(1.5\right)$

其中，C为直流电容的电容值，T_s为采样周期。

下一时刻相对应的整流器的输出的电流给定为

$i_r^{*k+1}=i_c^{*k+1}+\frac{{I_L}^k}{2{u_d}^k}({u_d}^k+{\tilde{u}}_d^{*k+1})---\left(1.6\right)$

其中，I_L ^k为整流器输出的负载电流。

直流侧下一时刻消耗的功率为

$P_r^{*k+1}={\tilde{u}}_d^{*k+1}{i}_r^{*k+1}---\left(1.7\right)$

整流器输出的功率和直流侧所消耗的功率相同，因此电网所输入的功率为

$P_{\mathrm{in}}^{*k+1}=\frac{2R_s}{3{\hat{E}}_s^2}{\left(P_{\mathrm{in}}^{*k+1}\right)}^2+P_r^{*k+1}---\left(1.8\right)$

其中，R_s为升压电感的内阻值，为电网电压的有效值。

5、可以看到，上述推导值得过程中，用到了变量I_L ^k，也就是负载电流，负载电流在负载变化时是变化的，在一些功率变换器负载，负载电流可能是非线性的，本发明采用负载电流Luenberger观测器解决这个问题，观测器如下设计：

${{\hat{u}}_d}^{k+1}=(1-h_1){{\hat{u}}_d}^k+h_1{u_d}^k+T_s/C({I_L}^k-{{\hat{I}}_L}^k)---\left(1.9\right)$

${{\hat{I}}_L}^{k+1}=h_2({{\hat{u}}_d}^k-{u_d}^k)+{{\hat{I}}_L}^k---\left(1.10\right)$

其中，h₁,h₂为观测器增益，选定适当的值，使观测器稳定，观测其中负载电流的输入为I_L ^k＝s_ai_a ^k+s_bi_b ^k+s_ci_c ^k。

6、根据整流器的数学模型，预测八个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和相电压矢量：

${{\stackrel{\→}{i}}_s}^{k+1}=(1-\frac{R_s{T}_s}{L_s}){{\stackrel{\→}{i}}_s}^k+\frac{T_s}{L_s}({{\stackrel{\→}{e}}_s}^k-{{\stackrel{\→}{v}}_s}^k)---\left(1.11\right)$

其中，L_s为整流桥前端升压电感，R_s为其内阻，T_s为控制系统的采样周期。当控制周期足够小时，可认为相电压矢量满足：

${{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}\≈{{\stackrel{\→}{e}}_s}^k---\left(1.12\right)$

7、根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Q_in ^k+1和有功功率P_in ^k+1的预测值。

${P_{\mathrm{in}}}^{k+1}=\mathrm{Re}\left\{{{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}{{\stackrel{\stackrel{\‾}{\→}}{i}}_s}^{k+1}\right\}---\left(1.13\right)$

${Q_{\mathrm{in}}}^{k+1}=\mathrm{Im}\left\{{{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}{{\stackrel{\stackrel{\‾}{\→}}{i}}_s}^{k+1}\right\}---\left(1.14\right)$

其中，表示电流矢量的共轭值，Re{}是取算式的实部，Im{}表示取算式的虚部。

8、根据无功功率，有功功率和电容电压的预测值求取每个电压矢量对应的代价函数值，取使得代价函数最小J_i的电压矢量为最优的电压矢量；

$J\left(s^{k+1}\right)=\frac{{(P_{\mathrm{in}}^{*}-{P_{\mathrm{in}}}^{k+1})}^2}{P_n^2}+\frac{{(Q_{\mathrm{in}}^{*}-{Q_{\mathrm{in}}}^{k+1})}^2}{P_n^2}+\mathrm{\λ}\frac{{({{\tilde{u}}_d}^{*}-{u_d}^{k+1})}^2}{u_n^2}---\left(1.15\right)$

其中P_n为功率变换器最大的输入功率，u_n为功率变换器最大的输入电流。为下一时刻的直流电压给定，P_in ^*为有功功率给定，Q_in ^*的给定可以调节系统输出的功率因数。λ为可调参数，通过凑试法获得参数，使系统整体性能最优。s^k+1为下一时刻的开关信号组合，施加最优电压矢量对应的开关信号。使得代价函数最小的J(s^k+1)的电压矢量被认为是八个电压矢量中最优的电压矢量施加最佳电压矢量所对应的开关组合，其对应关系如表1，实现系统的最优控制。

9、下一时刻重复1-8，以获取下一时刻的最优电压矢量。

Claims (10)

1.一种三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测出三相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k，电容电压u_d ^k和线电压e_ab ^k,e_ac ^k；并通过线电压计算相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k，上标k表示采样时刻；

(2)通过测量的电容电压u_d计算八个开关组合对应的电压矢量V₁～V₈当前时刻的值，以及根据测量的三相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k计算电流矢量的值，其中八种开关组合为000,100,010,001,011,101,110,111，根据相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电网电压矢量

(3)将直流电压给定值通过低通滤波器，计算下一时刻的直流电压给定计算达到该给定需要的直流电容给定在该直流电流给定的基础上，根据整流器数学模型计算的输出的电流给定根据该电流计算直流侧功率输入根据能量守恒原理，计算

(4)设计Luenberger观测器，观测负载电流值

(5)根据整流器模型计算整流器的预测电流矢量和电网电压矢量e_s ^k+1；

(6)根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Q_in ^k+1和有功功率P_in ^k+1的预测值；

(7)根据无功功率，有功功率和电容电压的预测值求取每个电压矢量对应的代价函数值，取使得代价函数最小J_i的电压矢量为最优的电压矢量；

(8)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如步骤(2)中相同。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过线电压e_ab ^k,e_ac ^k计算相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k具体为：

${e_a}^k=\frac{1}{3}({e_{\mathrm{ab}}}^k+{e_{\mathrm{ac}}}^k),{e_b}^k=\frac{1}{3}({e_{\mathrm{ac}}}^k-2\×{e_{\mathrm{ab}}}^k),{e_c}^k=-{e_a}^k-{e_b}^k.$

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过测量的电容电压u_d ^k计算八种开关组合对应的电压矢量V₁～V₈当前时刻的值，具体为：

开关组合000对应的电压矢量V₁＝0；

开关组合100对应的电压矢量V₂＝2u_d ^k/3；

开关组合110对应的电压矢量

开关组合010对应的电压矢量

开关组合011对应的电压矢量V₅＝-2u_d ^k/3；

开关组合001对应的电压矢量

开关组合101对应的电压矢量

开关组合111对应的电压矢量V₈＝0；

所述步骤(2)中根据相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电网电压矢量具体为：

${{\stackrel{\→}{e}}_s}^k={e_a}^k+j\·\frac{\sqrt{3}}{3}({e_a}^k+2\×{e_b}^k).$

4.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据测量的三相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k信号计算电流矢量的值，具体根据下式计算：

${{\stackrel{\→}{i}}_s}^k={i_a}^k+j\·\frac{\sqrt{3}}{3}({i_a}^k+2\×{i_b}^k).$

5.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将直流电压给定值通过低通滤波器，计算下一时刻的直流电压给定具体为：

${\tilde{u}}_d^{*k+1}={u_d}^k+\frac{1}{h}(u_d^{*k}-{u_d}^k);$

其中，为直流电压的给定值，为下一时刻的电压给定值，u_d ^k为下一时刻的直流电压测量值，h为系统的控制参数，通过h调节直流电压的相应速度。

6.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中下一时刻要达到则需要的直流侧电流为：

为 $i_{\mathrm{dc}}^{*k+1}=\frac{C}{T_s}({\tilde{u}}_d^{*k+1}-{u_d}^k)$

其中，C为直流电容的电容值，T_s为采样周期；

下一时刻相对应的整流器的输出的电流给定为：

$i_r^{*k+1}=i_c^{*k+1}+\frac{{I_L}^k}{2{u_d}^k}({u_d}^k+{\tilde{u}}_d^{*k+1})$

其中，I_L ^k为整流器输出的负载电流；

直流侧下一时刻消耗的功率为：

$P_r^{*k+1}={\tilde{u}}_d^{*k+1}{i}_r^{*k+1};$

电网所输入的功率为：

$P_{\mathrm{in}}^{*k+1}=\frac{2R_s}{3{\hat{E}}_s^2}{\left(P_{\mathrm{in}}^{*k+1}\right)}^2+P_r^{*k+1},$

其中，R_s为升压电感的内阻值,为电网电压的有效值。

7.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，Luenberger观测器如下设计：

${{\hat{u}}_d}^{k+1}=(1-h_1){{\hat{u}}_d}^k+h_1{u_d}^k+T_s/C({I_L}^k-{{\hat{I}}_L}^k)$

${{\hat{I}}_L}^{k+1}=h_2({{\hat{u}}_d}^k-{u_d}^k)+{{\hat{I}}_L}^k$

其中，h₁,h₂为观测器增益，选定适当的值，使观测器稳定，观测其中负载电流的输入为I_L ^k＝s_ai_a ^k+s_bi_b ^k+s_ci_c ^k，其中，s_as_bs_c为开关信号，其取值为0或1。

8.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中预测八个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和电网电压矢量

${{\stackrel{\→}{i}}_s}^{k+1}=(1-\frac{R_s{T}_s}{L_s}){{\stackrel{\→}{i}}_s}^k+\frac{T_s}{L_s}({{\stackrel{\→}{e}}_s}^k-{{\stackrel{\→}{v}}_s}^k),{e_s}^{k+1}\≈{e_s}^k;$

其中，L_s为升压电感的电感值。

9.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Q_in ^k+1和有功功率P_in ^k+1的预测值：

${P_{\mathrm{in}}}^{k+1}=\mathrm{Re}\left\{{{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}{{\stackrel{\stackrel{\‾}{\→}}{i}}_s}^{k+1}\right\},{Q_{\mathrm{in}}}^{k+1}=\mathrm{Im}\left\{{{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}{{\stackrel{\stackrel{\‾}{\→}}{i}}_s}^{k+1}\right\}$

其中，表示电流矢量的共轭值，Re{}是取算式的实部，Im{}表示去算式的虚部。

10.权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中，代价函数为

$J\left(s^{k+1}\right)=\frac{{(P_{\mathrm{in}}^{*}-{P_{\mathrm{in}}}^{k+1})}^2}{P_n^2}+\frac{{(Q_{\mathrm{in}}^{*}-{Q_{\mathrm{in}}}^{k+1})}^2}{P_n^2}+\mathrm{\λ}\frac{{({{\tilde{u}}_d}^{*}-{u_d}^{k+1})}^2}{u_n^2}$

其中P_n为功率变换器最大的输入功率，u_n为功率变换器最大的输入电流，为下一时刻的直流电压给定，P_in ^*为有功功率给定，Q_in ^*的给定可以调节系统输出的功率因数，λ为可调参数，s^k+1为下一时刻的开关信号组合。