CN110034690A

CN110034690A - 一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法

Info

Publication number: CN110034690A
Application number: CN201910246461.XA
Authority: CN
Inventors: 於锋; 刘兴; 范佳星; 郭云翔
Original assignee: Nantong University
Current assignee: SUZHOU HENGMEI ELECTRON TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN110034690B

Abstract

本发明公开了一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，首先，采样直流侧上下电容电压，通过直流电压负反馈得到的直流电压增量经PI控制器后获得给定功率P^*；再获取k时刻三相输入电流i_abc与开关状态S_abc，通过虚拟磁链观测器获得当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g，以及网侧电压相位角ωt；进而计算出线路虚拟磁链给定值ψ^* _s；然后，利用预测模型在线预测(k+1)时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)；最后，通过最小化价值函数获得最优电压矢量控制开关桥，以控制线路虚拟磁链跟踪其给定值，获得期望的控制效果。本方法有效消除整流器交流侧电压传感器，降低系统成本的同时大大提高系统对网侧电压扰动的抗干扰性。

Description

一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法

技术领域

本发明涉及一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，属于电力电子领域。

背景技术

Vienna整流器是一种三电平整流器，具有可靠性高，功率密度高，成本低等优点，因此在电动汽车充电桩、风力发电、航空直流供电系统等大功率场合得到越来越广泛的应用。目前，Vienna整流器的控制方法的研究主要集中在矢量控制(Vector control，VC)与模型预测控制(Model predictive control，MPC)。矢量控制主要思想是利用坐标变换将输入电流变换至dq坐标系进行解耦控制，通常具有较好的稳态性能，然而其控制效果严重依赖PI控制器参数的整定，因此动态性能较差，同时又需要加入额外的中点电位控制环以控制器中点电位。

针对Vienna整流器的MPC方法主要集中于模型预测电流控制(Model predictivecurrent control，MPCC)，该方法以输入电流为控制目标进行优化控制。然而由于需要使用网侧电压相关信息，MPCC控制效果与网侧电压质量直接相关，因此抗干扰性能较差，在网侧电压畸变或者有扰动的情况下难以达到控制要求。

发明内容

技术问题：针对上述现有技术，提出一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，除了实现整流器单位功率运行，低输入电流谐波及直流输出电压稳定等常规要求，还可实现在网侧电压畸变等情况下Vienna整流器的有效控制，并且有效消除了网侧电压传感器。

技术方案：一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在每一个控制周期中，采样上下电容电压，利用电压PI控制器实时计算整流器输入功率参考值P^*；

步骤2：采样当前时刻三相输入电流i_abc与开关状态S_abc并结合直流侧电压u_dc，利用虚拟磁链观测器获得当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt；

步骤3：根据获得的当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt及输入功率参考值P^*，利用线路虚拟磁链计算模块计算出线路虚拟磁链给定值ψ^* _s，；

步骤4：通过比较上下电容电压大小，利用冗余短矢量预判模块对冗余短矢量进行预先选择，以抑制中点电位波动；

步骤5：利用预测模型，在线预测下一时刻线路虚拟磁链ψ_sd(k+1)；

步骤6：根据整流器控制目标构建价值函数g：

式中，和为线路虚拟磁链给定值ψ^* _s在dq坐标系下的分量；ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)为下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)在dq坐标系下的分量；

利用最优矢量选择模块对价值函数进行优化并选取最优电压矢量，将最优电压矢量相应的开关状态送入开关桥控制系统。

进一步的，所述输入功率参考值P^*获取方法为：将参考电压与实际电压u_dc的差值e_u输入电压PI控制器，根据公式(2)获得输入功率参考值P^*；

式中，k_p和k_i分别为电压PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。

进一步的，所述网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt获取方法为：根据采样的当前时刻三相输入电流i_abc，开关状态及直流电压计算ψ_g如公式(3)：

式中，ψ_gα和ψ_gβ为网侧电压虚拟磁链ψ_g在αβ坐标系下的分量；e_α和e_β为网侧电压在αβ坐标系下的分量；L为滤波电感值；R为滤波电感漏阻值；i_α和i_β为αβ坐标系下的输入电流分量；u_α和u_β为αβ坐标系下的整流器侧输入电压分量，表示如公式(4)：

式中，S_a、S_b、S_c分别为逆变器三相的开关状态；

由网侧电压虚拟磁链ψ_g则可得到其相位角度，并且电压相位超前于对应的磁链相位90°，则网侧电压相位角ωt如公式(5)：

进一步的，计算线路虚拟磁链给定值ψ^* _s的方法为：在αβ坐标系下，网侧电压与网侧电压虚拟磁链ψ_g的幅值关系如公式(6)：

式中，ω为电网电压角频率；

进而，通过Park变换得到dq坐标系下网侧电压与网侧电压虚拟磁链ψ_g的关系如公式(7)：

式中，e_d和e_q为网侧电压在dq坐标系下的分量；

dq坐标系下线路虚拟磁链ψ_s表示如公式(8)：

式中，i_d为和i_q为输入电流在dq坐标系下的分量；ψ_sd和ψ_sq为线路虚拟磁链ψ_s在dq坐标系下的分量；

定义负载角σ为线路虚拟磁链与网侧电压虚拟磁链之间的角度，计算如公式(9)：

根据电压定向控制方法，当整流器稳定运行于单位功率运行状态下，输入有功功率P表示如公式(10)：

公式(10)中，将P和σ对时间t微分则有：

写成增量式即为：

式中ΔP＝P^*-P；进而得到Δσ表达式公式(13)：

于是，dq坐标系下线路虚拟磁链给定值ψ^* _s表示为：

式中，和为线路虚拟磁链给定值ψ^* _s在dq坐标系下的分量。

进一步的，冗余矢量预先选择方法为：比较上下电容电压大小，同时判断电流极性，选择使中点电位平衡的短矢量作为候选电压矢量。

进一步的，预测下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)的方法为：利用欧拉方程对线路虚拟磁链方程进行离散化处理得到：

式中，ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)为下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)在dq坐标系下的分量；i_d(k)和i_q(k)为当前k时刻dq坐标系下输入电流分量；e_d(k)和e_q(k)为当前k时刻dq坐标系下网侧电压分量；V_d(k)和V_q(k)为电压矢量对应的dq坐标系下分量；将基本矢量中，除去根据所述步骤4确定的无法使中点电位平衡的短矢量以外的7个基本电压矢量代入即可计算线路虚拟磁链预测值。

进一步的，所述对价值函数进行优化并选取最优电压矢量的方法为：将求得的各线路虚拟磁链预测值代入价值函数中，比较得到的最小值即为最优解，与最小值对应的基本电压矢量即为最优电压矢量。

有益效果：(1)采用本发明涉及的一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法可有效消除交流侧电压传感器，大大降低系统的成本与体积。

(2)通过冗余矢量预判的方法控制中点电位平衡可有效消除价值函数中的权值系数，极大便利工程调试，一定程度上增加模型预测控制的实际应用价值。

(3)采用控制虚拟磁链的方法控制系统可有效解决网侧电压波动或畸变时，整流器难以控制甚至失控的情况，大大增加了系统的抗干扰性和可靠性。

(4)整个预测控制系统对PI参数的依赖性小，使得控制算法具有很好的移植性及通用性，便于工程调试。

附图说明

图1为本发明提供的一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法控制框图；

图2为Vienna整流器基本电压矢量分布；

图3为网侧A相电压、A相和B相电流仿真结果；

图4为直流侧输出电压、上下电容电压仿真结果；

图5为网侧电压严重畸变的条件下传统模型预测电流控制仿真结果；

图6为网侧电压严重畸变的条件下本发明涉及的模型预测虚拟磁链控制仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在每一个控制周期中，采样上下电容电压1，利用电压PI控制器2实时计算整流器输入功率参考值P^*，具体为：

实际电压u_dc等于上下电容电压之和，将参考电压与实际电压u_dc的差值e_u输入电压PI控制器，根据公式(1)获得输入功率参考值P^*；

步骤2：采样当前时刻三相输入电流i_abc与开关状态S_abc并结合直流侧电压u_dc，利用虚拟磁链观测器3获得当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt，具体为：

根据采样的当前时刻三相输入电流i_abc，开关状态及直流电压计算ψ_g如公式(2)：

式中，ψ_gα和ψ_gβ为网侧电压虚拟磁链ψ_g在αβ坐标系下的分量；e_α和e_β为网侧电压在αβ坐标系下的分量；L为滤波电感值；R为滤波电感漏阻值；i_α和i_β为αβ坐标系下的输入电流；u_α和u_β为αβ坐标系下的整流器侧输入电压，表示如公式(3)：

式中，S_a、S_b、S_c分别为逆变器三相的开关状态；

由网侧电压虚拟磁链ψ_g则可得到其相位角度，并且电压相位超前于对应的磁链相位90°，则网侧电压相位角ωt如公式(4)：

步骤3：根据获得的当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt及输入功率参考值P^*，利用线路虚拟磁链计算模块4计算出线路虚拟磁链给定值ψ^* _s，具体为：

在αβ坐标系下，网侧电压与网侧电压虚拟磁链ψ_g的幅值关系如公式(5)：

式中，ω为电网电压角频率；

进而，通过Park变换得到dq坐标系下网侧电压与网侧电压虚拟磁链ψ_g的关系如公式(6)：

式中，e_d和e_q为网侧电压在dq坐标系下的分量；

dq坐标系下线路虚拟磁链ψ_s表示如公式(7)：

式中，i_d和i_q为输入电流在dq坐标系下的分量；ψ_sd和ψ_sq为线路虚拟磁链ψ_s在dq坐标系下的分量；

定义负载角σ为线路虚拟磁链与网侧电压虚拟磁链之间的角度，计算如公式(8)：

根据电压定向控制方法，当整流器稳定运行于单位功率运行状态下，输入有功功率P表示如公式(9)：

公式(9)中，将P和σ对时间t微分则有：

写成增量式即为：

式中ΔP＝P^*-P；进而得到Δσ表达式公式(12)：

于是，dq坐标系下线路虚拟磁链给定值ψ^* _s表示为：

式中，和为线路虚拟磁链给定值ψ^* _s在dq坐标系下的分量。

步骤4：通过比较上下电容电压大小，利用冗余短矢量预判模块5对冗余短矢量进行预先选择，以抑制中点电位波动，具体为：

比较上下电容电压大小，选择可以使中点电位平衡的短矢量作为候选电压矢量。例如，如果电流极性为+--，且上电容电压大于下电容电压，则将开关状态100作为候选且不考虑开关状态011。如果上电容电压大于下电容电压，且电流极性为+--，则将开关状态100作为候选而不考虑开关状态011；如果上电容电压小于下电容电压，且电流极性为+--，则将开关状态011作为候选而不考虑开关状态100；如果上电容电压大于下电容电压，且电流极性为++-，则将开关状态110作为候选而不考虑开关状态001；如果上电容电压小于下电容电压，且电流极性为++-，则将开关状态001作为候选而不考虑开关状态110；如果上电容电压大于下电容电压，且电流极性为-+-，则将开关状态010作为候选而不考虑开关状态101；如果上电容电压小于下电容电压，且电流极性为-+-，则将开关状态101作为候选而不考虑开关状态010；如果上电容电压大于下电容电压，且电流极性为-++，则将开关状态011作为候选而不考虑开关状态100；如果上电容电压小于下电容电压，且电流极性为-++，则将开关状态100作为候选而不考虑开关状态011；如果上电容电压大于下电容电压，且电流极性为--+，则将开关状态001作为候选而不考虑开关状态110；如果上电容电压小于下电容电压，且电流极性为--+，则将开关状态110作为候选而不考虑开关状态001；如果上电容电压大于下电容电压，且电流极性为+-+，则将开关状态101作为候选而不考虑开关状态010；如果上电容电压小于下电容电压，且电流极性为+-+，则将开关状态010作为候选而不考虑开关状态101。

表1

6组冗余短矢量对中点电位的影响如表1所示。具体的基本电压矢量分布如图2所示。

步骤5：利用预测模型6，在线预测下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)，具体为：

利用欧拉方程对线路虚拟磁链方程进行离散化处理得到：

式中，ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)为下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)在dq坐标系下的分量；i_d(k)和i_q(k)为当前k时刻dq坐标系下输入电流分量；e_d(k)和e_q(k)为当前k时刻dq坐标系下网侧电压分量；V_d(k)和V_q(k)为电压矢量对应的dq坐标系下分量；将基本矢量中，除去根据所述步骤4确定的无法使中点电位平衡的短矢量以外的7种开关状态对应的基本电压矢量代入即可计算线路虚拟磁链预测值。

步骤6：根据整流器控制目标构建价值函数g：

利用最优矢量选择模块7对价值函数进行优化并选取最优电压矢量，将最优电压矢量相应的开关状态送入开关桥8控制系统。其中，对价值函数进行优化并选取最优电压矢量的方法为：将求得的各线路虚拟磁链预测值代入价值函数中，比较得到的最小值即为最优解，与最小值对应的基本电压矢量即为最优电压矢量。

本方法将网侧电压与滤波电感及其漏阻等效地看作一台虚拟交流电机，将网侧电压看作电机的反电动势，滤波电感及其漏阻看作电机的定子绕组，两者的虚拟磁链量分别看作电机的转子磁链与定子磁链，即网侧电压虚拟磁链与线路虚拟磁链，进而通过控制虚拟磁链的方式控制该虚拟电机即Vienna整流器的稳定运行，除了实现整流器单位功率运行，低输入电流谐波及直流输出电压稳定等常规要求，还可实现在网侧电压畸变等情况下Vienna整流器的有效控制，并且有效消除了网侧电压传感器。

本实施例中，本发明方法得到的网侧A相电压、A相和B相电流仿真波形如图3所示，可以看出，网侧相电流波形THD较小，系统功率因素接近于1；直流侧输出电压与上下电容电压波形如图4所示，可以看出，直流输出电压稳定跟踪给定电压700V，且上下电容电压基本一致，成功抑制了中点电位波动。

网侧电压严重畸变的条件下传统模型预测电流控制与本发明涉及的模型预测虚拟磁链控制仿真结果分别如图5和图6所示，可以看出，网侧电压严重畸变时，传统控制难以到达良好的控制效果，输入电流严重畸变不呈正弦波，而本发明涉及的模型预测虚拟磁链控制可以控制电流呈正弦波，且电流畸变程度较低，系统功率因数较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在每一个控制周期中，采样上下电容电压(1)，利用电压PI控制器(2)实时计算整流器输入功率参考值P^*；

步骤2：采样当前时刻三相输入电流i_abc与开关状态S_abc并结合直流侧电压u_dc，利用虚拟磁链观测器(3)获得当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt；

步骤3：根据获得的当前时刻网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt及输入功率参考值P^*，利用线路虚拟磁链计算模块(4)计算出线路虚拟磁链给定值ψ^* _s，；

步骤4：通过比较上下电容电压大小，利用冗余短矢量预判模块(5)对冗余短矢量进行预先选择，以抑制中点电位波动；

步骤5：利用预测模型(6)，在线预测下一时刻线路虚拟磁链ψ_sd(k+1)；

步骤6：根据整流器控制目标构建价值函数g：

式中，和为线路虚拟磁链给定值在dq坐标系下的分量；ψ_sd(k+1)和ψ_sq(k+1)为下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)在dq坐标系下的分量；

利用最优矢量选择模块(7)对价值函数进行优化并选取最优电压矢量，将最优电压矢量相应的开关状态送入开关桥(8)控制系统。

2.根据权利要求1所述的Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，所述输入功率参考值P^*获取方法为：将参考电压与实际电压u_dc的差值e_u输入电压PI控制器，根据公式(2)获得输入功率参考值P^*；

3.根据权利要求1所述的Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，所述网侧电压虚拟磁链ψ_g与网侧电压相位角ωt获取方法为：根据采样的当前时刻三相输入电流i_abc，开关状态及直流电压计算ψ_g如公式(3)：

式中，S_a、S_b、S_c分别为逆变器三相的开关状态；

4.根据权利要求1所述的Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，计算线路虚拟磁链给定值ψ^* _s的方法为：在αβ坐标系下，网侧电压与网侧电压虚拟磁链ψ_g的幅值关系如公式(6)：

式中，ω为电网电压角频率；

式中，e_d和e_q为网侧电压在dq坐标系下的分量；

dq坐标系下线路虚拟磁链ψ_s表示如公式(8)：

公式(10)中，将P和σ对时间t微分则有：

写成增量式即为：

式中ΔP＝P^*-P；进而得到Δσ表达式公式(13)：

于是，dq坐标系下线路虚拟磁链给定值ψ^* _s表示为：

式中，和为线路虚拟磁链给定值ψ^* _s在dq坐标系下的分量。

5.根据权利要求1所述的Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，冗余矢量预先选择方法为：比较上下电容电压大小，同时判断电流极性，选择使中点电位平衡的短矢量作为候选电压矢量。

6.根据权利要求1所述的Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，预测下一时刻线路虚拟磁链ψ_s(k+1)的方法为：利用欧拉方程对线路虚拟磁链方程进行离散化处理得到：

7.根据权利要求1所述的Vienna整流器模型预测虚拟磁链控制方法，其特征在于，所述对价值函数进行优化并选取最优电压矢量的方法为：将求得的各线路虚拟磁链预测值代入价值函数中，比较得到的最小值即为最优解，与最小值对应的基本电压矢量即为最优电压矢量。