CN105720842B - 一种两电平pwm整流器延时补偿控制方法 - Google Patents

一种两电平pwm整流器延时补偿控制方法 Download PDF

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Abstract

两电平PWM整流器广泛应用于电力开关电源、电机驱动变频器等领域，是一种非常重要的有源前端供电装置。当模型预测算法与两电平PWM整流器数字控制相结合时，存在着如对数字控制延迟较为敏感，稳定性下降等一系列问题，本发明提出了一种新型两电平PWM整流器延时补偿控制方法。与传统延时补偿方法相比，本发明充分结合模型预测算法的优势，利用被控模型预测出下一时刻参考值与开关状态，保证当前时刻输出开关状态即为目标状态，消除因微控制器程序中断带来的延迟。

Description

一种两电平PWM整流器延时补偿控制方法
技术领域
本发明属于电力电子电路控制领域，涉及一种新型两电平PWM整流器延时补偿控制方法，本发明可应用于开关电源、可再生能源发电等领域。
背景技术
两电平PWM整流器广泛应用于电力开关电源、电机驱动变频器等领域，是一种非常重要的有源前端供电装置。模型预测控制(Model Predictive Control，简称MPC)已经经历了大约30年的发展，并被广泛应用于工业过程控制中(例如化学、石油等工业)，该算法利用被控对象的精确数学模型来预测未来可能的系统状态，同时兼顾多项控制目标，通过价值函数进行全局寻优、滚动优化，最终达到最优的控制效果。但与传统控制算法相比，在数字实现方面要求较高，对微处理器自身带来的控制延迟较为敏感，易造成系统动态响应性能较差，稳定性下降等问题。因此，本发明专利针对上述问题，提出一种新型两电平PWM整流器延时补偿控制方法。
发明内容
本发明专利针对AC-DC两电平PWM变换器在数字控制过程中存在控制延时的问题，提出了一种新型基于模型预测算法PWM整流器延时补偿控制策略。
步骤1：在k时刻，由控制系统对电压、电流等物理量进行采样，具体包括：ABC三相电网电压eA(k)、eB(k)和eC(k)，ABC三相电网电流iA(k)、iB(k)和iC(k)，直流母线电压udc(k)；其中，括号内k表示第k时刻；
步骤2：求解电网电压eA(k)、eB(k)和eC(k)的d、q轴分量与电网电流iA(k)、iB(k)和iC(k)的d、q轴分量，具体计算方法如下：
式中，ed(k)和eq(k)为电网电压的d、q轴分量，由于在正常供电情况下电网电压的d、q轴分量是几乎不变的，因此可认为ed(k)等于ed，eq(k)等于eq，ed和eq分别为两个恒定值；id(k)和iq(k)为电网电流的d、q轴分量；MABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的变换矩阵；Mαβ/dq为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵；具体表达式如下：
式中，θ(k)为k时刻d轴与α轴的夹角；
步骤3：利用两电平PWM变换器离散模型，根据k时刻电网电压与电流的d、q轴分量，以及k时刻将要通过SVPWM调制策略输出的交流侧电压矢量d、q轴分量ud(k)、uq(k)，可以预测得到k+1时刻交流测电流预测值的d、q轴分量与
括号中k+1|k表示的含义为k时刻对k+1时刻进行预测的值，上标pr表示预测值；其中，
a＝1-(TsRg/Lg)，b＝Tsωg，c＝Ts/Lg (4)
式中，Ts为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期；Lg交流侧滤波电感；Rg为等效的交流侧电阻，包括交流侧滤波电感内阻与由IGBT器件压降等效的电阻；ωg为电网电角速度；
步骤4：利用瞬时有功功率p在k时刻预测k+1时刻直流侧电容电压值具体计算方法如下：
式中，RL为直流侧负载电阻；C是直流侧电容；其中，udc＝udc,ref+Δudc，udc为k时刻直流母线实际电压值，udc,ref为直流电压参考值，为恒定值，Δudc为k时刻实际直流电压与参考电压偏差值；
将其带入式(5)后可得
对上式进行拉普拉斯变换后
其中，Ks为中间变量，Ks＝RL/udc,ref；对上式离散化后，可得k时刻预测得到的k+1时刻直流母线电压
其中，k时刻预测得到的k+1时刻瞬时有功功率ppr(k+1|k)为
步骤5：根据外环比例积分(PI)控制器预测k+1时刻参考电流的d、q轴分量 具体计算方法如下：
其中，kudc,p、kudc,i分别为电压外环PI控制器的比例项与积分项控制参数；id,ref(k)为k时刻电压外环PI控制器计算得到参考值；udc,ref为电压外环给定参考值，且为恒定值；qref为无功功率给定参考值，且为恒定值；
步骤6：根据k时刻预测得到的k+1时刻两电平变流器交流测线电流d、q轴分量 与预测的k+1时刻参考电流d、q轴分量求解k+1时刻交流侧需合成参考电压矢量的d、q轴分量具体计算式如下：
其中，a、b、c在与式(3)中一致。
步骤7：采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，根据k-1时刻预测出的k时刻交流侧参考电压矢量的d、q轴分量合成对应参考电压矢量。
本发明提出了一种新型两电平PWM整流器延时补偿控制方法，与传统延时补偿方法相比，该算法充分结合模型预测算法的优势，利用被控模型预测出下一时刻参考值与开关状态，保证当前时刻输出开关状态即为目标状态，消除因微控制器程序中断带来的延迟。
附图说明
图1为三相两电平PWM整流器主电路与控制系统结构图；
图2为本发明专利所提出控制方法流程图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种新型两电平PWM整流器延迟补偿控制方法做出详细说明。
两电平PWM整流器主电路及控制系统如图1所示；图中，PI表示比例积分控制器，PLL表示锁相环部分，ABC/dq表示由ABC三相坐标系转换为dq轴两相旋转坐标系的变换方程对应说明书中式(1)与式(2)。
本发明专利所涉及的控制方法流程如图2所示，具体流程包括如下步骤：
步骤1：在k时刻，由控制系统对电压、电流等物理量进行采样，具体包括：ABC三相电网电压eA(k)、eB(k)和eC(k)，ABC三相电网电流iA(k)、iB(k)和iC(k)，直流母线电压udc(k)；其中，括号内k表示第k时刻；
步骤2：求解电网电压eA(k)、eB(k)和eC(k)的d、q轴分量与电网电流和的d、q轴分量，具体计算方法如下：
式中，ed(k)和eq(k)为电网电压的d、q轴分量，由于在正常供电情况下电网电压的d、q轴分量是几乎不变的，因此可认为ed(k)等于ed，eq(k)等于eq，ed和eq分别为两个恒定值；id(k)和iq(k)为电网电流的d、q轴分量；MABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的变换矩阵；Mαβ/dq为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵；具体表达式如下：
式中，θ(k)为k时刻d轴与α轴的夹角；
步骤3：利用两电平PWM变换器离散模型，根据k时刻电网电压与电流的d、q轴分量，以及k时刻将要通过SVPWM调制策略输出的交流侧电压矢量d、q轴分量ud(k)、uq(k)，可以预测得到k+1时刻电流预测值的d、q轴分量与如下：
括号中k+1|k表示的含义为k时刻对k+1时刻进行预测的值，上标pr表示预测值；其中，
a＝1-(TsRg/Lg)，b＝Tsωg，c＝Ts/Lg (4)
式中，Ts为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期；Lg交流侧滤波电感；Rg为等效的交流侧电阻，包括交流侧滤波电感内阻与由IGBT器件压降等效的电阻；ωg为电网电角速度；
步骤4：利用瞬时有功功率p在k时刻预测k+1时刻直流侧电容电压值具体计算方法如下：
式中，RL为直流侧负载电阻；C是直流侧电容；其中，udc＝udc,ref+Δudc，udc为k时刻直流母线实际电压值，udc,ref为直流电压参考值，为恒定值，Δudc为k时刻实际直流电压与参考电压偏差值；
将其带入式(5)后可得
对上式进行拉普拉斯变换后
其中，Ks为中间变量，Ks＝RL/udc,ref；对上式离散化后，可得k时刻预测得到的k+1时刻直流母线电压
其中，k时刻预测得到的k+1时刻瞬时有功功率ppr(k+1|k)为
步骤5：根据外环比例积分(PI)控制器预测k+1时刻参考电流的d、q轴分量 具体计算方法如下：
其中，kudc,p、kudc,i分别为电压外环PI控制器的比例项与积分项控制参数；id,ref(k)为k时刻电压外环PI控制器计算得到参考值；udc,ref为电压外环给定参考值，且为恒定值；qref为无功功率给定参考值，且为恒定值。
步骤6：根据k时刻预测得到的k+1时刻两电平变流器交流测线电流d、q轴分量 与预测的k+1时刻参考电流d、q轴分量求解k+1时刻交流侧需合成参考电压矢量的d、q轴分量具体计算式如下：
其中，a、b、c在与式(3)中一致，即为a＝1-(TsRg/Lg)，b＝Tsωg，c＝Ts/Lg。
步骤7：采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，根据k-1时刻预测出的k时刻交流侧参考电压矢量的d、q轴分量合成对应参考电压矢量。

Claims (1)

1.一种两电平PWM整流器延时补偿控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：在k时刻，由控制系统对电压、电流等物理量进行采样，具体包括：ABC三相电网电压eA(k)、eB(k)和eC(k)，ABC三相电网电流iA(k)、iB(k)和iC(k)，直流母线电压udc(k)；其中，括号内k表示第k时刻；
步骤2：求解电网电压eA(k)、eB(k)和eC(k)的d、q轴分量与电网电流iA(k)、iB(k)和iC(k)的d、q轴分量，具体计算方法如下：
式中，ed(k)和eq(k)为电网电压的d、q轴分量，由于在正常供电情况下电网电压的d、q轴分量是几乎不变的，因此可认为ed(k)等于ed，eq(k)等于eq，ed和eq分别为两个恒定值；id(k)和iq(k)为电网电流的d、q轴分量；MABC/αβ为由ABC三相静止坐标系到αβ两相静止坐标系的变换矩阵；Mαβ/dq为由αβ两相静止坐标系到dq两相旋转坐标系的变换矩阵；具体表达式如下：
式中，θ(k)为k时刻d轴与α轴的夹角；
步骤3：利用两电平PWM变换器离散模型，根据k时刻电网电压与电流的d、q轴分量，以及k时刻将要通过SVPWM调制策略输出的交流侧电压矢量d、q轴分量ud(k)、uq(k)，可以预测得到k+1时刻交流测电流预测值的d、q轴分量与
括号中k+1|k表示的含义为k时刻对k+1时刻进行预测的值，上标pr表示预测值；上式中
a＝1-(TsRg/Lg)，b＝Tsωg，c＝Ts/Lg
式中，Ts为IGBT开关周期，同时也为系统控制周期；Lg交流侧滤波电感；Rg为等效的交流侧电阻，包括交流侧滤波电感内阻与由IGBT器件压降等效的电阻；ωg为电网电角速度；
步骤4：利用瞬时有功功率p在k时刻预测k+1时刻直流侧电容电压值其具体计算方法如下：
式中，RL为直流侧负载电阻；C是直流侧电容；其中，udc＝udc,ref+Δudc，udc为k时刻直流母线实际电压值，udc,ref为直流电压参考值，为恒定值，Δudc为k时刻实际直流电压与参考电压偏差值；
将其带入上式后可得
对上式进行拉普拉斯变换后
其中，Ks为中间变量，Ks＝RL/udc,ref；对上式离散化后，可得k时刻预测得到的k+1时刻直流母线电压
其中，k时刻预测得到的k+1时刻瞬时有功功率ppr(k+1|k)为
步骤5：根据外环比例积分(PI)控制器预测k+1时刻参考电流的d、q轴分量 具体计算方法如下：
其中，kudc,p、kudc,i分别为电压外环PI控制器的比例项与积分项控制参数；id,ref(k)为k时刻电压外环PI控制器计算得到参考值；udc,ref为电压外环给定参考值，且为恒定值；qref为无功功率给定参考值，且为恒定值；
步骤6：根据k时刻预测得到的k+1时刻两电平变流器交流测线电流d、q轴分量 与预测的k+1时刻参考电流d、q轴分量求解k+1时刻交流侧需合成参考电压矢量的d、q轴分量具体计算式如下：
其中，a＝1-(TsRg/Lg)，b＝Tsωg，c＝Ts/Lg；
步骤7：采用传统七段式两电平SVPWM调制策略，根据k-1时刻预测出的k时刻交流侧参考电压矢 量的d、q轴分量合成对应参考电压矢量。
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