CN105490565A - 一种三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法，包括：A、通过整流器中电流传感器、电压传感器分别测出三相电流、三相电网电压和两个直流侧电容电压；B、通过测量的直流电容电压计算出四种开关组合(00,01,11,10)对应的电压矢量；C、根据测量的相电流和相电压，预测整流器四个电压矢量对应的有功功率和无功功率以及电容电压；E、计算四个电压矢量代价函数：预测值与参考值分别相减后取绝对值，各项乘以权重系数相加。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。该方法适用于三相四开关驱动的各种整流、有源滤波系统。

Description

一种三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法

技术领域

本发明属于整流领域，具体涉及一种三相四开关功率变换器拓扑下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。这其中，变换器能量密度高，电力电子器件又相对“脆弱”，一旦变换器某只功率管发生开路或短路故障，整个系统便丧失了正常工作的能力，甚至发生灾难性后果，尤其是不间断电源的应用场合。

随着对整流器系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时容错控制受到高度重视，然而大部分整流系统不配备冗余备份，这使得无冗余的三相四开关容错拓扑结构受到更大的关注。在三相六开关整流器一相功率管故障以后，可以将该桥臂接入电容中性点，恢复系统功能。三相四开关整流器为三相六开关的整流器提供了一套无冗余的容错方案。在众多针对三相四开关整流系统控制策略的专利和文献中，其大致方法分为两类：一类是假定直流电容电压是恒定不变的，在此基础上设计控制算法，由于电网的一相直接接到了电容中性点，相电流的流动会导致电容电压的波动和漂移，因此这类方法并不能用于实际系统；另一类是针对电容电压波动和漂移基于一些稳态假定设计的控制算法，但是这种算法一般是稳态的控制策略，其在电压调节的动态性能较差。

发明内容

为了克服现有三相四开关整流系统控制策略的不足，本发明提出了一种三相四开关功率变换器拓扑下直接功率控制的模型预测控制方法。该方法能在电容电压波动的情况下，实现高性能的无功功率和有功功率的闭环控制，而且还能抑制电容电压的漂移，不需要脉宽调制器和坐标变换。该方法适用于三相四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四开关功率变换器拓扑下直接功率控制的模型预测控制方法，具体包括：

(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u₁ ^k,u₂ ^k和电网相电压e_ab ^k,e_ac ^k；并通过线电压计算电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k；

(2)通过测量的电容电压u₁ ^k,u₂ ^k计算四个电压矢量V₁,V₂,V₃,V₄当前时刻的值，通过电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电压矢量通过相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k计算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；

(3)根据整流器的数学模型，预测四个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和电网电压矢量

(4)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；

(5)通过整流器数学模型将电容电压的均压控制转化为对中性点连接相的电流控制；

(6)根据无功功率，有功功率和中性点连接相电流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；

(7)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，在电容电压波动的情况下，能够实现三相四开关整流器的无功功率和有功功率的闭环控制，实现功率因数可控，总谐波畸变率在5％以内(国家标准)正弦的输入电网电流。在不对称的功率变换器拓扑下，实现了三相电网电流的均衡控制。在控制上，实现了抑制电容电压的漂移，提升了这类系统的可靠性。同时本发明直接控制功率变换器开关，不需要脉宽调制器，简化了控制结构。本方法在静止坐标系下完成，无需鉴相和坐标变换，简化了控制算法。

附图说明

图1为本发明方法适用的三相四开关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为本发明三相四开关整流器直接功率控制的模型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，本发明所涉及的是三相整流系统的电网，功率变换器结构和直流用电器的连接模型。三相电网通过直流升压电感和逆变器相连，整流器三相中的两相接正常的开关桥臂，第三相接直流侧的电容中性点。

如图2所示，本发明所涉及的控制框图，以及与三相四开关与电网的连接框图，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，电压外环控制采用传统的比例积分控制器获得转矩的给定值，电流内环控制采用模型预测直接功率控制器，本方案包含实时电压矢量更新，无功功率、有功功率、电容电压预测，代价函数最优化三个步骤。

首先，电容电压的波动会导致整流器的电压矢量在相角和幅值上产生偏移，从而导致很大的模型误差，使得预测控制失效。本发明根据测量的电容电压值，实时更新四个电压矢量的幅值和相位，克服电容电压波动对控制算法的影响。

其次，利用整流器的数学模型，将当前四种开关状态对应的四个电压矢量一一代入模型中，预测不同电压矢量下的下一采样周期的有功功率，无功功率，将对电容电压漂移的抑制转化为对接电容中性点相电流的控制。

最后，将预测的无功功率，有功功率，电容电压抑制相同参考值分别作差，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两个直流侧电容的电压。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，简化了控制结构。本控制系统分为内外两个控制环：外环为传统的PI调节器，实现直流电压输出的闭环控制，并通过速度调节器产生有功功率的给定；内环为模型预测控制器，实现整流器有功功率和无功功率的闭环控制，同时在内环也实现了电容电压漂移的抑制。

如图3所示，为本发明三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法的控制流程图，如图所示，所述方法包括：

(1)初始化将代价函数g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u₁ ^k,u₂ ^k和线电压e_ab ^k,e_ac ^k；并通过线电压计算电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k，标k表示采样时刻。

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

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

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u₁ ^k,u₂ ^k计算四个电压矢量V₁,V₂,V₃,V₄当前时刻的值，通过电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电网电压矢量通过相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k计算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；电压矢量的计算方法，按表1所示。

表1

电网电压矢量的计算方法：

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

电流矢量计算方法如下：

${{\stackrel{\→}{i}}_s}^k={i_a}^k+j\·\frac{\sqrt{3}}{3}({i_a}^k+2\×{i_b}^k)---(1.4)$

(4)根据整流器的数学模型，预测四个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和电网电压矢量^ek+1：

${{\stackrel{\→}{i}}_s}^{k+1}=(1-\frac{R_s{T}_s}{L_s}){{\stackrel{\→}{i}}_s}^k+\frac{T_s}{L_s}({{\stackrel{\→}{e}}_s}^k-{{\stackrel{\→}{v}}_s}^k)---\left(1.5\right)$

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：

${{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}\≈{{\stackrel{\→}{e}}_s}^k---\left(1.6\right)$

(5)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。

${P_{\mathrm{in}}}^{k+1}=\mathrm{Re}\left\{{{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}{{\stackrel{-}{\stackrel{\→}{i}}}_s}^{k+1}\right\}---(1.7)$

${Q_{\mathrm{in}}}^{k+1}=\mathrm{Im}\left\{{{\stackrel{\→}{e}}_s}^{k+1}{{\stackrel{-}{\stackrel{\→}{i}}}_s}^{k+1}\right\}---(1.8)$

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。

(6)通过预测模型抑制电容电压的漂移；两电容直接和a相相连接，由基尔霍夫电流定律可以得出，电容电压和a相电流满足：

$i_a=C\frac{{\mathrm{du}}_2}{\mathrm{dt}}-C\frac{{\mathrm{du}}_1}{\mathrm{dt}}---\left(1.9\right)$

其中，C为直流电容的电容值。为了使得两电容电压的平均值保持在总直流电压的一半，实现均压控制，设定两电容的参考值为

$u_1^{*}=u_2^{*}={u_d}^{k+1}/2---\left(1.10\right)$

可以将上两式合并，将均压控制转换为对i_a ^*的设定。

$i_a^{*}=C\frac{{u_1}^k-{u_2}^k}{T_s}---\left(1.11\right)$

对于i_a ^k+1的预测可以通过以下公式获得。

${i_a}^{k+1}=\mathrm{Re}\left\{{{\stackrel{\→}{i}}_s}^{k+1}\right\}---\left(1.12\right)$

(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；

$J_i=\frac{{(P_{\mathrm{in}}^{*}-{{P_{\mathrm{in}}}^{k+1}}_i)}^2}{P_{\mathrm{nom}}^2}+\mathrm{\λ}\frac{{(Q_{\mathrm{in}}^{*}-{{Q_{\mathrm{in}}}^{k+1}}_i)}^2}{P_{\mathrm{nom}}^2}+{\mathrm{\λ}}_{i_a}\frac{{(i_a^{*}-{{i_a}^{k+1}}_i)}^2}{I_{\mathrm{nom}}^2},i\∈\left\{\mathrm{1,2,3,4}\right\}---\left(1.13\right)$

其中P_nom为功率变换器最大的输入功率，I_nom为功率变换器最大的输入电流。P_in ^*为有功功率给定，是通过外环比例积分控制器给定，Q_in ^*的给定可以调节系统输出的功率因数。λ，均为可调参数，通过凑试法获得参数，使系统整体性能最优。下标i分别代表由四个电压矢量计算出来的参数。

(8)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_i的电压矢量被认为是四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 (8)

1.一种三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法，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u₁ ^k,u₂ ^k和线电压e_ab ^k,e_ac ^k；并通过线电压计算电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k，标k表示采样时刻；

(2)通过测量的电容电压u₁ ^k,u₂ ^k计算四个电压矢量V₁,V₂,V₃,V₄当前时刻的值，通过电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电网电压矢量通过相电流i_a ^k,i_b ^k,i_c ^k计算电流矢量的值，其中四种开关组合为00,10,11,01；

(3)根据整流器的数学模型，预测四个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和电网电压矢量

(4)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；

(5)通过整流器数学模型将电容电压的均压控制转化为对中性点连接相的电流控制；

(6)根据无功功率，有功功率和中性点连接相电流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；

(7)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计算电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k，具体为：

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u₁ ^k,u₂ ^k计算四种开关组合对应的电压矢量V₁,V₂,V₃,V₄当前时刻的值，具体为：

开关组合00对应的电压矢量V₁＝2·u₂ ^k/3；

开关组合10对应的电压矢量

开关组合11对应的电压矢量

开关组合01对应的电压矢量V₄＝-2·u₁ ^k/3；

所述步骤(2)中利用电网相电压e_a ^k,e_b ^k,e_c ^k计算电网电压矢量具体为：

4.如权利要求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：

。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中预测四个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和电网电压矢量具体为：

其中，R_s为升压电感的内阻值，L_s为升压电感的电感值，T_s为采样周期。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中k+1时刻无功功率Q_in ^k+1和有功功率P_in ^k+1的预测值计算方法为：

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。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，为了使给定的电容电压相等，中性点连接相的相电流满足：而中性点连接相的相电流的预测值为

8.如权利要求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：

其中P_nom为功率变换器最大的输入功率，I_nom为功率变换器最大的输入电流，P_in ^*为有功功率给定，是通过外环比例积分控制器给定，Q_in ^*的给定可以调节系统输出的功率因数，λ，均为可调参数，通过凑试法获得参数，使系统整体性能最优，下标i分别代表由四个电压矢量计算出来的参数。