CN106208737B - 基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法 - Google Patents

基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106208737B
CN106208737B CN201610720668.2A CN201610720668A CN106208737B CN 106208737 B CN106208737 B CN 106208737B CN 201610720668 A CN201610720668 A CN 201610720668A CN 106208737 B CN106208737 B CN 106208737B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
current
sequence voltage
circuit
harmonic zero
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610720668.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106208737A (zh
Inventor
韩华
唐忠廷
孙尧
张关关
朱奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201610720668.2A priority Critical patent/CN106208737B/zh
Publication of CN106208737A publication Critical patent/CN106208737A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106208737B publication Critical patent/CN106208737B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法。通过采样矩阵变换器工作时间的电压和电流，以及三次谐波注入电流的后级三相逆变电路的输出电流参考值，计算每一种开关状态在k+1时刻的三次谐波注入电流和三相逆变电路输出电流；最后计算每一种开关状态的代价函数值，选择代价函数值最优的一组开关状态作为下一时刻三次谐波注入矩阵变换器的开关状态。本发明不需要复杂的调制以及PI控制算法，简单易操作；在预测周期一定的前提下，可以调整开关频率；受调制系数变化的影响小。

Description

基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，具体涉及一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法。
背景技术
交-交电能变换器作为公共电网与交流负载的接口电路，被广泛用于各种交-交电能变换场合，例如交流变频驱动、新能源发电和不间断电源等领域。一般大功率的交-交变换器都采用三相二极管无源前端整流电路作为前级电路，此种前级电路具有转换效率高、EMI干扰小、低成本、结构简单和可靠性高等优点，但是存在能量单向流动、输入电流质量差等特点。
三次谐波注入矩阵变换器作为一种混合有源前端整流的交-交变换器，继承了无源前端整流电路的优点。由于三次谐波电流的注入，保证了三相整流电路输入电流的正弦对称性，从而使三次谐波注入矩阵变换器成为交流驱动器和风力发电系统的最优选择。
三次谐波注入矩阵变换器的控制方法一般采用载波调制和PI控制器。其中PI控制器能够较好的跟踪三次谐波注入电流参考值和后级三相逆变电路输出电流。但是随着矩阵变换器的调制系统的改变，导致调制方式发生改变，从而使PI控制器的控制方式变得复杂繁琐。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，以解决现有技术中调制方式改变时载波调制与PI控制比较复杂的问题。
本发明提供了一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，所述矩阵变换器包括前级三相整流电路、中间级三次谐波注入电路和后级三相逆变电路；所述控制方法包括：
根据三相输入电源电流获取在k时刻时三次谐波注入电流的参考值；根据负载需求获取在k时刻时后级三相逆变电路的输出电流参考值；
利用拉格朗日外推法估计k+1时刻的三次谐波注入电流参考值iy*(k+1)和三相逆变电路输出电流参考值io*(k+1)；
根据采样k时刻的三相输入电源电压ui(k)、三相输入电源电流ii(k)、直流母线电压udc(k)、三次谐波注入电流iy(k)和三相逆变电路的输出电流io(k)计算当前时刻的三次谐波注入电流和三相逆变电路输出电流；
将所述三次谐波注入矩阵变换的模型进行离散化，根据离散化模型预测出三次谐波注入矩阵变换器的每一种开关状态在k+1时刻的三次谐波注入电流iy(k+1)和三相逆变电路输出电流io(k+1)；
计算每一种开关状态的代价函数值，选择代价函数值最优的一组开关状态作为下一时刻三次谐波注入矩阵变换器的开关状态。
可选地，所述三次谐波注入矩阵变换器的模型包括前级三相整流电路、中间级三次谐波注入电路和后级三级逆变电路的数据模型；
所述前级三相整流电路包括滤波电路和三相桥式整流电路，所述滤波电路的空间状态方程为：
式中，Rfi表示滤波电感等效串联电阻；usi＝[usa usb usc]T表示三相输入电源电压；ii＝[ia ib ic]T表示滤波电路输出电流；ui＝[ua ub uc]T表示三相整流电路的输入电压；iri＝[ira irb irc]T表示三相整流电路的输入电流；Cfi＝[Cfa Cfb Cfc]T表示滤波电路电容；Lfi＝[Lfa Lfb Lfc]T表示滤波电路电感；Rfi＝[Rfa Rfb Rfc]T表示滤波电感等效电阻；
所述三相桥式整流电路的输入电流的开关函数方程为：
式中，Sa+，Sb+，Sc+为三相桥式整流电路上桥臂三个开关的开关函数；Sa-，Sb-，Sc-为三相桥式整流电路下桥臂三个开关的开关函数；Say，Sby，Scy是三次谐波注入三个开关的开关函数；iy是三次谐波注入电流；ip是直流母线正向电流，in是直流母线负向电流；
直流母线电压开关函数方程为：
udc＝Sa+ua+Sb+ub+Sc+uc；
式中，udc为直流母线电压。
可选地，所述中间级三次谐波注入电路作为该三次谐波注入矩阵变换器的节点，该节点电流方程为：
式中，idc表示后级后级三相逆变电路的输入直流电流。
可选地，三次谐波注入电流作为前级三相桥式整流电路的被控对象，谐波注入电感Ly的状态方程为：
式中，Sy+表示双buck半桥电路中开关管的开关函数。
可选地，后级三相逆变电路中开关管的开关函数方程为：
式中，Sr+，Ss+，St+表示后级三相逆变电路中上桥臂三个开关的开关函数，ur，us，ut是后级三相逆变电路的三相输出电压。
可选地，后级三相逆变电路的输出负载电流的状态方程为：
式中，uo＝[ur us ut]T表示后级三相逆变电路的输出电压；io＝[ir is it]T表示后级三相逆变电路的输出负载电流；Ll＝[Lr Ls Lt]T表示后级三相逆变电路的输出滤波电感；R＝[Rr Rs Rt]T表示后级三相逆变电路的负载电阻。
可选地，所述三次谐波注入电流的代价函数为：
所述三相逆变电路输出电流的代价函数；
go(k+1)＝||io *(k+1)-io(k+1)||。
可选地，对所述三次谐波注入矩阵变换的模型进行离散化的步骤中，所述滤波电路的数学模型离散化为：
式中，
k+1时刻的三次谐波预测电流为：
k+1时刻后级三相逆变电路的输出预测电流为：
可选地，获取所述三次谐波注入电流参考值的步骤包括：
将采集到的A相滤波电容电压uaF通过带通滤波器得到5次谐波电压uh5；
将uh5再与sin(5θ)相乘后通过低通滤波器得到U5sin(φu5)，并将U5sin(φu5)作为PI调节器的输入；PI调节器的输出为三相电源的参考输入功率值P*；
依据以下公式计算获得
式中，Iqm表示三相输入电源侧无功电流分量；表示三相输入电源的功率因数角；Uim表示三相输入电源电压的幅值；ωi表示三相输入电源的角频率；i代表a、b、c三相；
获取所述后级三相逆变电路的输出电流参考值，三相期望输出电压为：
式中，Uom表示期望输出电压的幅值；ωo表示期望输出电压的角频率；φ表示期望输出电压的功率因数角；Z表示负载阻抗；
三相电流参考值为：
可选地，所述三次谐波注入电流k+1时刻的参考值:
iy *(k+1)＝4iy *(k)-6iy *(k-1)+4iy *(k-2)-iy *(k-3)；
所述后级三相逆变电路输出电流k+1时刻的参考值有
io *(k+1)＝4io *(k)-6io *(k-1)+4io *(k-2)-io *(k-3)。
由上述技术方案可知，本发明通过采样矩阵变换器工作时间的电压和电流，以及三次谐波注入电流的后级三相逆变电路的输出电流参考值，计算每一种开关状态在k+1时刻的三次谐波注入电流iy(k+1)和三相逆变电路输出电流io(k+1)；最后计算每一种开关状态的代价函数值，选择代价函数值最优的一组开关状态作为下一时刻三次谐波注入矩阵变换器的开关状态。本发明利用矩阵变换器的开关管的开关频率，改善矩阵变换器的动态性能。与现有技术中载波调制和PI控制复杂繁琐的情况相比，本发明不需要复杂的调制以及PI控制算法，简单易操作；没有固定的开关频率，在预测周期一定的前提下，可以调整开关频率，可降低不必要的开关损耗；并且控制方法受电路调制系数变化的影响较小。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明的三次谐波注入矩阵变换器的结构示意图；
图2为图1所示矩阵变换器的模型预测电流控制模块结构示意图；
图3为图2中三次谐波注入参考值示意图。
图4为三次谐波注入电流参考值提取示意图；
图5为图1中前级后级三相逆变电路开关管的开关状态示意图；
图6为图1中后级后级三相逆变电路开关管的开关状态示意图；
图7为仿真数据示意图；
图8(a)～(b)为静态分析仿真波形示意图；
图9(a)～(b)为动态分析仿真波形示意图；
图10为输入电流谐波畸变率随调制系统变化的仿真波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种三次谐波注入的矩阵变换器，如图1所示，包括：前级电路101、中间级电路102、后级电路103和控制模块(图2所示)。
前级电路101与三相输入电源连接，用于将输入的交流电进行整流得到六脉波直流电。中间级电路102与前级电路101连接，用于根据上述六脉波直流电进行产生三次谐波注入到前级电路101，三次谐波的注入使得输入电流保证正弦对称性。后级电路103与前级电路101和中间级电路102连接，用于对上述六脉波直流电进行逆变得到预设条件的交流电。控制模块与前级电路101、中间级电路102、后级电路103连接，用于获取三者的工作参数并生成相应的控制指令以控制三者的输出电压和输出电流。
实际应用中，如图1所示，该前级电路101包括滤波电路1011和双向的三相整流电路1012。所述滤波电路1011包括滤波电容CFa、滤波电容CFb、滤波电容CFc和滤波电感LFa、滤波电感LFb、滤波电感LFc；所述滤波电感LFa、滤波电感LFb、滤波电感LFc分别串联在三相输入电源上；所述滤波电容CFa、所述滤波电容CFb和所述滤波电容CFc的第一端依次连接滤波电容CFa、CFb、CFc的输出端于节点Pa、Pb、Pc，第二端相连接。三相整流电路1012包括3个开关管Sa+、Sb+、Sc+构成的上桥臂和3个开关管Sa-、Sb-、Sc-构成的下桥臂；其中，所述开关管Sa+、Sb+、Sc+的第一极与直流母线正极相连接，第二极依次与所述开关管Sa-、Sb-、Sc-的第一极相连接于所述节点Pa、Pb、Pc；所述开关管Sa-、Sb-、Sc-的第二极与直流母线负极相连接。
如图1所示，上述中间级电路102为三次谐波注入电路包括双Buck半桥电路和双向开关Sa、Sb、Sc。其中，双Buck半桥电路包括开关管Sy+、Sy-和电感Ly。开关管Sy+的第一极连接直流母线正极，第二极连接开关管Sy-的第一极于节点P1；电感Ly的第一端连接节点P1，第二端连接节点P2。双向开关Sa包括开关管Say和Sya，双向开关Sb包括开关管Sby和Syb，双向开关Sc包括开关管Scy和Syc；开关管Sya、Syb和Syc的第一极连接节点P2，第二极依次连接开关管Say、Sby和Scy的第一极；所述开关管Say、Sby和Scy的第二极依次连接到节点Pa、Pb、Pc。
如图1所示，上述后级电路103包括三相电压型逆变电路1032。该三相电压型逆变电路包括开关管Sr+、Ss+、St+构成的上桥臂和开关管Sr-、Ss-、St-构成的下桥臂。开关管Sr+、Ss+、St+的第一极连接直流母线正极，第二极依次连接开关管Sr-、Ss-、St-的第一极；开关管Sr-、Ss-、St-的第二极连接直流母线负极。
实际应用中，当矩阵变换器停止工作后，负载中的漏电感中会储存部分能量，这部分能量回流到矩阵变换器会损伤该矩阵变换器中的开关管，为解决上述问题，本发明实施例中后级电路103还包括钳位电路1031。如图1所示，该钳位电路1031包括快恢复二极管Dc和电容器Cc。快恢复二极管Dc的正极与直流母线正极相连，负极与电容器Cc的第一极相连；电容器Cc的第二极与直流母线负极相连。这样，漏电感中储存的能量可以回流到电容器Cc中，防止对该矩阵变换器造成损伤。需要说明的是，该电容器Cc与现有技术中的大容量的储能电容不同，该电容器Cc的容量远远小于储能电容的容量，并且该电容器Cc
针对上述三次谐波注入矩阵变换器，本发明实施例还提供了一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，如图2所示，包括：
步骤一：采样k时刻的三相输入电源电压ui(k)、三相输入电源电流ii(k)、直流母线电压udc(k)、三相逆变电路输出电流io(k)、三次谐波注入电流iy(k)；
步骤二：根据步骤一种的采样值，利用离散化的模型预测出k+1时刻每一种有效的开关状态下三次谐波注入电流值iy(k+1)和三相逆变电路输出电流io(k+1)。其中三相桥式整流电路有12中有效开关状态；后级三相逆变电路有8种有效的开关状态；
步骤三：选取三相输入电源电流中绝对值最小的一相作为k时刻三次谐波注入电流的参考值iy*(k)。根据负载要求获得k时刻三相逆变电路的输出电流参考值io*(k)。
步骤四：根据步骤三中的参考值，利用拉格朗日外推法，获得k+1时刻的三次谐波注入电流的参考值为iy*(k+1)和三相逆变电路输出电流io*(k+1)。
步骤五：选取代价函数。三次谐波注入电流的代价函数三相逆变电路输出电流的代价函数利用上述的两个代价函数，计算出每一种有效的开关状态代价函数的值，选取其中代价函数gy，go最小的一组开关状态作为三次谐波注入矩阵变换器k+1时刻的开关动作状态。
需要说明的是，本发明实施例步骤二的数学模型离散化方法为：
式中，
k+1时刻的三次谐波预测电流为：
k+1时刻后级三相逆变电路的输出预测电流为：
如图3和图4所示，本发明实施例中正确的三次谐波注入电流的参考值为三相输入电源电流中绝对值最小值一相的电流值，通过以下步骤获取：
将采集到的A相滤波电容电压uaF通过带通滤波器得到5次谐波电压uh5；
将uh5再与sin(5θ)相乘后通过低通滤波器得到U5sin(φu5)，并将U5sin(φu5)作为PI调节器的输入；PI调节器的输出为三相电源的参考输入功率值P*；
依据以下公式计算获得
式中，Iqm表示三相输入电源侧无功电流分量；表示三相输入电源的功率因数角；Uim表示三相输入电源电压的幅值；ωi表示三相输入电源的角频率；i代表a、b、c三相。
图5示出了前级后级三相逆变电路的开关状态示意图。如图5所示，前级后级三相逆变电路包括六个开关Sa+，Sb+，Sc+，Sa-，Sb-，Sc-；三次谐波注入电路中的三个双向开关Say-Sya，Sby-Syb，Scy-Syc和双Buck半桥电路两个开关Sy+，Sy-的开关状态，有效开关状态一共有12种。其中，图5中扇区是根据三相输入电源电压值确定的，划分方法包括：
ua>ub>uc的区间设定为扇区Ⅰ；ub>ua>uc的区间设定为扇区Ⅱ；
ub>uc>ua的区间设定为扇区Ⅲ；uc>ub>ua的区间设定为扇区Ⅳ；
uc>ua>ub的区间设定为扇区Ⅴ；ua>uc>ub的区间设定为扇区Ⅵ
图6示出了后级后级三相逆变电路中开关管的开关状态示意图。如图1与图6所示，该后级后级三相逆变电路中包括六个开关管Sr+，Ss+，St+，Sr-，Ss-，St-。上述六个开关管的有效开关状态共8种。
图7中列出了基于图1的三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法的仿真数据，包括预测控制周期、三相输入电源电压的幅值和频率、三相逆变电路输出参考电压的幅值、三相输入滤波器的电感电容值、三相输入滤波器的电感等效电阻值、三次谐波注入的电感值、三相电压型逆变电路输出滤波电感值和负载电阻值。利用上述数据进行仿真，从而得到图8所示的静态分析仿真波形和图9所示的动态分析仿真波形。
如图8(a)所示，矩阵变换器的调制系统为0.625，即输出电流有效值为Ir*＝10A，输出频率ω＝40Hz。如图8(b)所示，矩阵变换器的调制系统为0.75，即输出电流有效值为Ir*＝12A，输出频率ω＝100Hz。由图8可以看出，本发明的模型预测电流控制方法在不同的调制系数下，可以保证输入输出电流的正弦对称性。
如图9(a)所示，在仿真时间0.02s时刻，将输出电流频率的参考值从40Hz突变成100Hz。如图9(b)所示，在仿真时间0.02s时刻，将输出电流幅值的参考值从10A突变成-10A。可以看出，本发明有很好的动态性能，不论是参考值以哪种方式发生突变，都能保证在短时间内跟踪上。
图10示出了输入电流谐波畸变率随调制系统变化的仿真波形示意图，图中曲线I是采用常用的PI控制和载波调制方法时，三相输入电流谐波畸变率随调制系数变化的趋线图；图中II曲线是采用本发明的控制方法时，三相输入电流谐波畸变率随调制系数变化的趋线图。可以看出，采用本发明的控制方法使得三相输入电流谐波畸变率保证在5％以下，且不会随调制系数的变化发生巨大波动。
本发明提供了一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，针对三次谐波注入矩阵变换器的拓扑，将控制分为前级三相整流电路的模型预测电流控制和后级三相逆变电路的模型预测电流控制，前级电路与后级电路的控制方法相互独立。本发明的控制方法不需要复杂的调制和PI控制算法，简单易操作；没有固定的开关频率，在预测周期一定的前提下，可以根据矩阵变换器以及负载的需求调整开关频率，从而可以降低不必要的开关损耗；受矩阵变换器的调制系数变化的影响较小。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述矩阵变换器包括前级三相整流电路、中间级三次谐波注入电路和后级三相逆变电路；所述控制方法包括：
根据三相输入电源电流获取在k时刻时三次谐波注入电流的参考值；根据负载需求获取在k时刻时后级三相逆变电路的输出电流参考值；
利用拉格朗日外推法估计k+1时刻的三次谐波注入电流参考值iy*(k+1)和三相逆变电路输出电流参考值io*(k+1)；
根据采样k时刻的三相输入电源电压ui(k)、三相输入电源电流ii(k)、直流母线电压udc(k)、三次谐波注入电流iy(k)和后级三相逆变电路的输出电流io(k)计算当前时刻的三次谐波注入电流和后级三相逆变电路输出电流；
将所述三次谐波注入矩阵变换的模型进行离散化，根据离散化模型预测出三次谐波注入矩阵变换器的每一种开关状态在k+1时刻的三次谐波注入电流iy(k+1)和后级三相逆变电路输出电流io(k+1)；
计算每一种开关状态的代价函数值，选择代价函数值最优的一组开关状态作为下一时刻三次谐波注入矩阵变换器的开关状态。
2.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述三次谐波注入矩阵变换器的模型包括前级三相整流电路、中间级三次谐波注入电路和后级三相逆变电路的数据模型；
所述前级三相整流电路包括滤波电路和三相桥式整流电路，所述滤波电路的空间状态方程为：
式中，Rfi表示滤波电感等效串联电阻；usi＝[usa usb usc]T表示三相输入电源电压；ii＝[ia ib ic]T表示滤波电路输出电流；ui＝[ua ub uc]T表示三相整流电路的输入电压；iri＝[ira irb irc]T表示三相整流电路的输入电流；Cfi＝[Cfa Cfb Cfc]T表示滤波电路电容；Lfi＝[Lfa Lfb Lfc]T表示滤波电路电感；Rfi＝[Rfa Rfb Rfc]T表示滤波电感等效电阻；
所述三相桥式整流电路的输入电流的开关函数方程为：
式中，Sa+，Sb+，Sc+为三相桥式整流电路上桥臂三个开关的开关函数；Sa-，Sb-，Sc-为三相桥式整流电路下桥臂三个开关的开关函数；Say，Sby，Scy是三次谐波注入三个开关的开关函数；iy是三次谐波注入电流；ip是直流母线正向电流，in是直流母线负向电流；
直流母线电压开关函数方程为：
udc＝Sa+ua+Sb+ub+Sc+uc；
式中，udc为直流母线电压。
3.根据权利要求2所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述中间级三次谐波注入电路作为该三次谐波注入矩阵变换器的节点，该节点电流方程为：
式中，idc表示后级三相逆变电路的输入直流电流，Sy+表示双Buck半桥电路中开关的状态，其中，所述双Buck半桥电路是由Sy+、Sy-和三次谐波注入电感Ly组成，所述双Buck半桥电路和双向开关Sa、双向开关Sb、双向开关Sc组成了三次谐波注入电路。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，三次谐波注入电流作为前级三相桥式整流电路的被控对象，谐波注入电感Ly的状态方程为：
式中，Sy+表示双buck半桥电路中开关管的开关函数，Say，Sby，Scy是三次谐波注入三个开关的开关函数。
5.根据权利要求3所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，后级三相逆变电路中开关管的开关函数方程为：
式中，Sr+，Ss+，St+表示后级三相逆变电路中上桥臂三个开关的开关函数，ur，us，ut是后级三相逆变电路的三相输出电压。
6.根据权利要求2所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，后级三相逆变电路的输出负载电流的状态方程为：
式中，uo＝[ur us ut]T表示后级三相逆变电路的输出电压；io＝[ir is it]T表示后级三相逆变电路的输出负载电流；Ll＝[Lr Ls Lt]T表示后级三相逆变电路的输出滤波电感；R＝[Rr Rs Rt]T表示后级三相逆变电路的负载电阻。
7.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述三次谐波注入电流的代价函数为：
所述后级三相逆变电路输出电流的代价函数；
go(k+1)＝||io *(k+1)-io(k+1)||。
8.根据权利要求2所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，对所述三次谐波注入矩阵变换的模型进行离散化的步骤中，所述滤波电路的数学模型离散化为：
式中，
k+1时刻的三次谐波预测电流为：
Ts表示预测控制的控制周期，Ly表示三次谐波注入电感值，Ll表示后级三相逆变电路输出的滤波电感值；
k+1时刻后级三相逆变电路的输出预测电流为：
9.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，
获取所述三次谐波注入电流参考值的步骤包括：
将采集到的A相滤波电容电压uaF通过带通滤波器得到5次谐波电压uh5；
将uh5再与sin(5θ)相乘后通过低通滤波器得到U5sin(φu5)，并将U5sin(φu5)作为PI调节器的输入；PI调节器的输出为三相电源的参考输入功率值P*；
依据以下公式计算获得
式中，Iqm表示三相输入电源侧无功电流分量； 表示三相输入电源的功率因数角；Uim表示三相输入电源电压的幅值；ωi表示三相输入电源的角频率；i代表a、b、c三相；
获取所述后级三相逆变电路的输出电流参考值，三相期望输出电压为：
式中，Uom表示期望输出电压的幅值；ωo表示期望输出电压的角频率；Z表示负载阻抗；
三相电流参考值为：
10.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，
所述三次谐波注入电流k+1时刻的参考值:
iy *(k+1)＝4iy *(k)-6iy *(k-1)+4iy *(k-2)-iy *(k-3)；
所述后级三相逆变电路输出电流k+1时刻的参考值有
io *(k+1)＝4io *(k)-6io *(k-1)+4io *(k-2)-io *(k-3)。
CN201610720668.2A 2016-08-24 2016-08-24 基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法 Active CN106208737B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610720668.2A CN106208737B (zh) 2016-08-24 2016-08-24 基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610720668.2A CN106208737B (zh) 2016-08-24 2016-08-24 基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106208737A CN106208737A (zh) 2016-12-07
CN106208737B true CN106208737B (zh) 2019-06-18

Family

ID=57523554

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610720668.2A Active CN106208737B (zh) 2016-08-24 2016-08-24 基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106208737B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106972757B (zh) * 2017-04-18 2019-02-15 中南大学 一种有源三次谐波注入矩阵变换器的控制方法
CN108153150A (zh) * 2017-11-21 2018-06-12 中国矿业大学 基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略
CN108183601B (zh) * 2018-01-17 2020-03-20 南京航空航天大学 一种h3imc中三次谐波电流跟踪方法
CN108880209B (zh) * 2018-08-13 2019-12-24 南京航空航天大学 一种有源三次谐波注入矩阵变换器的有源阻尼控制方法
CN109002671A (zh) * 2018-09-29 2018-12-14 国网四川省电力公司电力科学研究院 一种双向dc-dc变换器的建模方法
CN112910348B (zh) * 2021-01-26 2022-06-07 西安交通大学 一种基于模型预测控制的平行结构频谱优化方法与系统
CN113381621B (zh) * 2021-07-28 2022-02-18 南京航空航天大学 混合有源三次谐波注入矩阵变换器的注入电流控制装置
CN114337204B (zh) * 2021-12-02 2024-01-30 北京科技大学顺德创新学院 一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101202447A (zh) * 2007-12-19 2008-06-18 湖南大学 Svc特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置
CN102638044A (zh) * 2012-04-17 2012-08-15 湖南大学 三相四线有源滤波器开关信号预测控制方法
CN103036460A (zh) * 2012-11-26 2013-04-10 天津大学 一种三电平电压源型变换器模型预测控制方法
JP2013179758A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Fuji Electric Co Ltd 電力変換装置
CN104638939A (zh) * 2015-01-29 2015-05-20 南京航空航天大学 一种抑制矩阵变换器输入侧振荡的控制方法
CN105548792A (zh) * 2015-12-28 2016-05-04 中南大学 基于预测控制的矩阵变换器开关开路故障诊断方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9184652B2 (en) * 2012-08-28 2015-11-10 Enphase Energy, Inc. Method and apparatus for inverter output current harmonic reduction

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101202447A (zh) * 2007-12-19 2008-06-18 湖南大学 Svc特定次数谐波预测消除控制方法及其实现装置
JP2013179758A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Fuji Electric Co Ltd 電力変換装置
CN102638044A (zh) * 2012-04-17 2012-08-15 湖南大学 三相四线有源滤波器开关信号预测控制方法
CN103036460A (zh) * 2012-11-26 2013-04-10 天津大学 一种三电平电压源型变换器模型预测控制方法
CN104638939A (zh) * 2015-01-29 2015-05-20 南京航空航天大学 一种抑制矩阵变换器输入侧振荡的控制方法
CN105548792A (zh) * 2015-12-28 2016-05-04 中南大学 基于预测控制的矩阵变换器开关开路故障诊断方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Two-Stage Matrix Converter Based on Third-Harmonic Injection Technique;Hui Wang, etc;《IEEETRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;20160131;第31卷;第533-547页
基于预测电流控制的三相功率因数PWM整流器研究;方宇，等;《中国电机工程学报》;20061031;第26卷(第20期);第69-73页

Also Published As

Publication number Publication date
CN106208737A (zh) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106208737B (zh) 基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法
CN107093954B (zh) 带boost升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略
CN105162350B (zh) 一种高效率宽负载范围的三相微逆变器及其控制方法
Song et al. A study of Z-source dual-bridge matrix converter immune to abnormal input voltage disturbance and with high voltage transfer ratio
CN106208735A (zh) 一种三次谐波注入的矩阵变换器及控制方法
CN109639160B (zh) 基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器
CN108599609B (zh) 一种基于三模块级联h桥的改进载波移相调制方法
Vancu et al. Comparative evaluation of bidirectional buck-type PFC converter systems for interfacing residential DC distribution systems to the smart grid
CN112234808A (zh) 单相逆变器的二倍频纹波抑制电路及抑制方法
CN113765428B (zh) 一种有源中点钳位型三电平变流器及其调控方法
CN104779826A (zh) 非隔离t型三电平光伏并网逆变器的共模电压抑制方法
CN103166489A (zh) 一种三相高功率因数整流器的控制电路
CN105337520A (zh) 光伏并网变换器、光伏供电系统和电器
CN205195587U (zh) 光伏并网变换器、光伏供电系统和电器
Zhang et al. A hybrid modulation method for single-phase quasi-Z source inverter
CN107733272A (zh) 四电平三相并网逆变器及其调制方法和发电系统
CN207638580U (zh) 四电平三相并网逆变器和发电系统
CN110429629A (zh) 一种基于npc三电平拓扑的储能变流器及其控制方法
CN208862767U (zh) 一种改进型双向混合结构整流器
CN101860318B (zh) 具有跨失能力的双级矩阵变换器的交流调速系统
CN107968580B (zh) 一种单向混合型三相三电平整流器
CN108092534A (zh) 单相五电平变流器的控制方法以及装置
CN104124884A (zh) 光伏逆变器和光伏空调系统
CN110323783B (zh) 光伏并网逆变器及其控制方法
Zhang et al. A novel photovoltaic battery energy storage system based on modular multilevel converter

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant