CN110086363A - 一种三相三电平八开关整流器的改进模型预测控制方法 - Google Patents

一种三相三电平八开关整流器的改进模型预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进的模型预测控制方法，首先在αβ静止坐标系下利用电压及其延时90o的信号，通过三相三电平八开关NPC整流器的数学模型，得到整流器桥臂电压参考值；然后将三相三电平八开关NPC整流器的九个空间电压矢量减小到七个电压矢量，去除引起共模电压大的电压矢量；再根据目标函数，选出与使目标函数最优的一个最优空间电压矢量；最后，将得到的最优电压矢量作为下一个控制周期的开关函数，控制开关管的状态，控制电路的运行状态，实现风力发电系统中三相三电平八开关在交流输入电压不平衡条件下的控制目标。本发明算法简单、直观、明了，控制不仅简单而且准确，具有很高的实用价值。

Description

一种三相三电平八开关整流器的改进模型预测控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器控制领域，尤其涉及一种三相交流电压不平衡时三相三电平八开关整流器的模型预测控制方法。
背景技术
传统的二极管不控整流电路和晶闸管相控整流电路功率因数低、谐波含量高，给交流侧电流中注入了大量的谐波和无功功率。对风力发电机的安全、稳定、高效运行带来了严峻的挑战。
近年来，多电平变换器因其在抑制谐波、提高功率因数、减小电压应力等方面的优点，正越来越多地受到人们的关注，并且已经广泛地应用于工业中。目前常见的多电平变换器的种类有：级联式H-桥多电平变换器、飞跨电容多电平变换器和中性点箝位多电平变换器。1981年A.Nabae等人提出二级管箝位(neutral point-clamped,NPC)三电平变换器，NPC三电平整流器在交流电机传动领域得到广泛应用。与传统两电平逆变器相比，NPC型三电平整流器具有较小的功率管承受电压应力和电磁干扰、较低的电压总谐波畸变率和开关损耗等特点。在风力发电场合得到了广泛应用。在风力发电系统中，交流风力发电机的交流输出侧接三相三电平整流器NPC以得到稳定的直流电压和谐波含量低的高质量的交流电流，减小风力发电系统的电磁干扰和系统损耗。
但是由于NPC型三电平整流器系统中含有数量较多的开关器件，导致系统的可靠性降低。当NPC型三电平整流器的一相桥臂发生故障时，整个系统无法正常工作，影响整个系统的运行安全、稳定运行。造成不可估量的经济损失。同时，由于该拓扑使用了较多的功率开关元件和箝位元件，系统成本较高，开关损耗较大，控制也较为复杂。所以研究NPC三电平拓扑的容错情况就有重要意义。采用三相八开关NPC整流器代替三相12开关NPC整流器具有很重要的意义。不需要增加整流器的开关管，将直流侧串联的电容代替故障相，实现三相三电平整流器的稳定运行。三相三电平八开关整流器拓扑具开关器件少、控制简单、有易操作和成本低等优点，使其具有很高的实用价值。
在风力发电系统中，由于有某些原因导致风力发电机发出的电压不对称，不对称的交流电压作用在三相三电平八开关拓扑上，会导致交流侧电流不平衡、畸变严重，谐波含量增大，大量的谐波增加了系统的电磁干扰和损耗。同时波形质量差的交流电流又会加大线路的阻抗压降的不平衡，使三相八开关整流器桥臂输入电压的不平衡度进一步加大。这种恶性循环会导致系统不能正常运行，甚至会导致系统崩溃。
共模电压是由于高频变化的开关运行状态产生，高共模电压会增加风力发电机的绝缘绕组的电压应力、轴电压、轴电流、共模电流，这些会因影响系统的正常运行和设备的使用寿命。同时高共模电压会增加系统的传导和辐射干扰，增加系统的损耗并影响周围设备的正常运行。
在风力发电系统在交流侧电压不平衡时，要实现三相三电平八开关整流器的稳定运行，提高系统的稳定性，延长系统的使用寿命的目标。这要求降低交流侧电流谐波含量，提高交流侧电流波形质量同时减小共模电压。因此，提出一种简单有效的控制策略具有重要意义。
发明内容
为了解决上述风力发电场合中交流侧电压不平衡导致的交流侧电流畸变和共模电压大的问题，本发明在三相三电平八开关整流器运行在交流电压不衡的条件下，提出一种改进的模型预测直接电流控制方法，该控制方法在交流侧电压不平衡时，维持直流侧电压的稳定，同时准确跟踪交流侧电流、降低交流侧电流谐波和减小共模电压。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三相三电平八开关整流器的改进模型预测控制方法，包括：
(1)建立所述三相三电平八开关整流器的数学模型：
其中，uu，uv，uw为永磁同步风力发电机输出交流电压，iu，iv，iw为永磁同步风力发电机输出交流电流，vaO，vbO，vcO为三相三电平八开关整流器桥臂输出电压，uON为直流侧中点相对于交流侧中点的电压，L和R分别为交流侧电感和等效电阻；
(2)获得αβ坐标系下的离散化的数学模型：
其中，Ts为控制周期，iα(k),iβ(k)为tk时刻两相静止坐标系下的交流侧电流预测值，uα(k),uβ(k)为tk时刻永磁同步风力发电机两相静止坐标系下的电压预测值，vα(k)，vβ(k)为tk时刻三相八开关整流器桥臂输出电压在两相静止坐标系下的预测值，iα(k-1),iβ(k-1)为tk-1时刻两相静止坐标系下的交流侧电流值；由于采样和计算带来的延时，考虑一个周期的延时，则
为了减小计算量，将上式进行变换得到改进模型：
令进一步变换为
其中，为基于三相三电平八开关整流器的数学模型得到的最优参考电压矢量；
(3)获得在αβ静止坐标系由电压和电流及其他们延时90°的信号构成的电流参考值：
其中，nm是αβ静止坐标系下交流侧电压或电流延时90°的信号，n为交流侧电压uα/uβ或者交流侧电流iα/iβ，p*为整流器给定参考功率；
(4)定义目标函数：
(5)根据目标函数选出最优的空间电压矢量vα(k+1),vβ(k+1)，作为(K+1)控制周期的控制信号，控制开关管的状态，实现系统的控制目标。
进一步地，所述三相三电平八开关NPC整流器包括：永磁同步风力发电机、L滤波器及其等效电阻R、八个开关管Sb1，Sb2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2，Sc3，Sc4；、4个快恢复二极管Db1，Db2，Dc1，Dc2、直流侧滤波电容C1，C2、直流侧负载ZL；直流侧为两个串联的滤波电容C1，C2，在两个电容中间形成一个中性点O；B、C两相为正常的二极管箝位I字型三电平结构NPC，而A相与C、B两相不同，直接箝位到直流侧滤波电容的中点。
进一步地，防止桥臂的直通开关管的驱动信号满足Sb1，Sb3互补，Sb2，Sb4互补，Sc1，Sc3互补，Sc2，Sc4互补；定义开关函数如下：
对应的桥臂输出电压为：
其中，Udc直流侧输出电压，p状态定义为桥臂输出电压为o状态定义为桥臂输出电压为0，n状态定义为桥臂输出电压为
在αβ静止坐标系的空间电压矢量为
定义共模电压为：
进一步的，空间电压矢量对应的共模电压为：
其中，空间电压矢量v1和v4对应的共模电压高于其他空间电压矢量对应的共模电压；为了降低三相三电平八开关整流器的共模电压，所述方法将空间电压矢量v1和v4去除，只是用剩余的七个空间电压矢量。
进一步地，所述方法在直流侧采用PI控制器，实现有功功率的无静差跟踪。
进一步地，所述三相三电平八开关整流器以单位功率因数运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、三相三电平八开关整流器具有开关器件少、耐压等级高、控制简单、系统损耗低、电流谐波少、功率因数可调等优势。
2、交流输入电压不平衡时，改进的模型预测控制同时实现了降低交流电流谐波和共模电压的目标。解决了因交流电流波形质量差、共模电压高引起的系统损耗增大、安全性低和稳定性差等问题。
3、在交流输入电压不平衡时，为了得到正弦度高的参考电流，在αβ静止坐标系下通过分析推导得到了由电压和电流及其他们延时90°的信号构成的参考电流。虽然此参考电流的含有负序分量，但是总谐波含量低，正弦度高，减少了由于谐波高给系统造成电磁干扰(电磁辐射)严重、损耗增多和系统使用寿命缩短等一系列不利影响。
4、在αβ静止坐标系下通过分析推导得的参考电流的方法，不需要三相不平衡变量的正负序分离、不需要锁相和坐标变换。这大大减小了计算量。
5、由于不需要坐标变换，这避免了由于交流输入电压不平衡带来的电压锁相困难和锁相误差。
6、改进的模型预测控制是一种基于模型的预测控制方法。不需要电流内环控制器实现电流的控制和跟踪。这避免了复杂控制器结构的设计和控制器参数的确定。同时避免了复杂控制器程序运行带来的控制时间延时问题。改进的模型预测控制具有简单、直观、明了和易理解的优势。
7、改进的模型预测控制不需要PWM调制模块，省去了调制模块中复杂的时间计算和开关序列的优化等问题。这大大控制器的控制时间，减小了控制器因调制模块带来的延时，增加了控制的准确性。
8、改进的模型预测控制在基于三相三电平八开关整流器空间电压矢量分析的基础上，去除了使共模电压幅值大的空间电压是矢量。这种改进的模型预测控制方法不仅能实现电流的准确跟踪、谐波抑制，同时可以将三相三电平八开关整流器系统的共模电压限制在直流电压的1/6。
9、这种改进的模型预测控制不仅可以应用在交流侧电压不平衡的场合同时还可以应用在交流侧电压平衡的场合。
10、在这种改进的模型预测控制中，空间电压矢量从传统的九个减小到七个。这减小了目标函数寻优的循环次数和时间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为三相三电平八开关整流器主电路图；
图2为三相三电平八开关整流器空间矢量图；
图3为本发明基于改进模型控制的三相三电平八开关整流器控制框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
为了维持风力发电系统中交流侧电压不平衡时三相三电平八开关NPC整流器的稳定运行，解决交流侧电流畸变严重，谐波含量高和系统的共模电压大的问题。本发明提出一种改进的模型预测控制方法。
如图1所示，本发明控制的对象为三相三电平八开关NPC整流器，该整流器包括以下部分：(1)永磁同步风力发电机PMSG；(2)L滤波器及其等效电阻R；(3)八个开关管Sb1，Sb2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2，Sc3，Sc4；(4)4个快恢复二极管Db1，Db2，Dc1，Dc2；(5)直流侧滤波电容C1，C2；(6)直流侧负载ZL。直流侧为两个串联的滤波电容，在两个电容中间形成一个中性点O。B、C两相为正常的二极管箝位I字型三电平结构(NPC)，而A相与C、B两相不同，直接箝位到直流侧滤波电容的中点，实现系统的容错功能。
在图1中，根据基尔霍夫电压定律可得三相三电平八开关整流器的数学模型为：
uu，uv，uw为永磁同步风力发电机输出交流电压；iu，iv，iw为永磁同步风力发电机输出交流电流；vaO，vbO，vcO为三相三电平八开关整流器桥臂输出电压；uON为直流侧中点相对于交流侧中点的电压，L和R分别为交流侧电感和等效电阻。
αβ坐标系下的数学模型为：
在将式(2)离散化得到在αβ坐标系下的离散化的数学模型为：
Ts为控制周期，由于采样和计算带来的延时，式(3)需要考虑一个周期的延时，此时式(3)变为：
为了减小计算量，将式(4)做如下变换，得到改进模型
令式(5)可进一步变换为
为基于三相三电平八开关整流器的数学模型和条件下得到的最优参考电压矢量。图中代表同理，代表为了是让图中的布局更紧凑所采用的缩写表示。
为了得到在交流电压不平衡时三相三电平八开关整流器的电流参考值通过分析系统功率，得到在αβ静止坐标系由电压和电流及其他们延时90°的信号构成的电流参考值。具体为过程如下：
三相三电平八开关整流器交流侧输入的功率为:
在αβ静止坐标系下利用电压及其延时90°的信号nm，(n为交流侧电压u或者交流侧电流i)。将式(7)展开的：
其中：
三相三电平八开关NPC整流器的控制目标是实现有功功率的跟踪和平均单位功率因数运行。所以条件po＝p*，ps2＝0，pc2＝0，qo＝0必须得到满足。即：
由此可以得到电流的参考值可以表示为：
将式(11)带入式(6)可以得到最优参考电压矢量，控制空间电压矢量跟踪最优空间电压矢量，就可以实现电流的跟踪控制。所以定义目标函数为：
根据目标函数选出最优的空间电压矢量vα(k+1),vβ(k+1)，作为(K+1)控制周期的控制信号，控制开关管的状态，实现系统的控制目标。
在图1中，为防止桥臂的直通开关管的驱动信号满足Sb1，Sb3互补，Sb2，Sb4互补，Sc1，Sc3互补，Sc2，Sc4互补。定义开关函数如下：
对应的桥臂输出电压为：
在αβ静止坐标系的空间电压矢量为
由式(13)、(14)和(15)得到三相三电平八开关整流器的空间电压矢量如图2所示。可以看出，有九个空间电压矢量。定义共模电压为：
根据定义(13)、(14)和(16)得到图2中九个空间电压矢量对应的共模电压如表I所示。可以看出空间电压矢量v1(onn)和v4(opp)对应的共模电压为和都高于其他空间电压矢量对应的共模电压。为了降低三相三电平八开关整流器的共模电压，改进的模型预测控制算法中将空间电压矢量v1(onn)和v4(opp)去除，只是用剩余的七个空间电压矢量，由表I可以看出，此时系统的共模电压的幅值限制在直流侧电压的1/6，达到了降低共模电压的目的。
表I九个空间电压矢量对应的共模电压
三相三电平八开关改进的模型预测控制算法的控制框图如图3所示。图3中，为控制直流侧电压的稳定，直流侧采用PI控制器，实现有功功率的无静差跟踪。采样的到三相三电平八开关整流器系统交流侧电压和电流，经过abc/αβ坐标变换得到αβ坐标系下的交流侧电压和电流。在αβ坐标系下将交流侧电压延时90°并根据式(11)电流的参考值。
图3中的uαβ(k)＝[uα(k),uβ(k)]是永磁同步风力发电机两相静止坐标系下的电压值，um αβ(k)＝[um α(k),um β(k)]是uαβ(k)延时90°的值，uαβ(k+1)是uαβ(k)超前一拍的值Udc是直流侧电压实际值，U*dc是直流侧电压的给定值，Udcp是直流侧上电容电压，Udcn是直流侧下电容电压，P*是由直流电压控制器得到的有功功率给定值。
根据目标函数(12)从图2中的7个低共模电压的空间电压矢量选择出一个最优的空间电压矢量。此最优的空间电压矢量作为第(k+1)周期的控制信号，控制开关管的状态，实现第(k+1)周期的控制目标。
由于本发明的控制方法不需要锁相环、电流内环、不平衡变量的正负序分离、旋转坐标变换、PWM调制模块等复杂计算，大大降低了控制器的运行时间，提高了控制器的控制精度。该方法在静止坐标系实现，是一种基于模型的非线性控制方法。本发明在不增加成本的前提下，实现三相三电平八开关NPC整流器的有效控制，算法计算量小、简单、直观、明了，具有简单、易理解、控制快、灵活的优点，提高了系统的安全性和稳定性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种三相三电平八开关整流器的改进模型预测控制方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)建立所述三相三电平八开关整流器的数学模型：
其中，ua，ub，uc为永磁同步风力发电机输出交流电压，ia，ib，ic为永磁同步风力发电机输出交流电流，vaN，vbN，vcN为三相三电平八开关整流器桥臂输出电压，L和R分别为交流侧电感和等效电阻；
(2)获得αβ坐标系下的离散化的数学模型：
其中，Ts为控制周期，iα(k),iβ(k)为tk时刻αβ静止坐标系下的交流侧电流预测值，uα(k),uβ(k)为tk时刻αβ静止坐标系下的交流侧电压预测值，vα(k)，vβ(k)为tk时刻三相八开关整流器桥臂输出电压在两相静止坐标系下的预测值，iα(k-1),iβ(k-1)为tk-1时刻αβ静止坐标系下的交流侧电流值；由于采样和计算带来的延时，考虑一个周期的延时，则
为了减小计算量，将上式进行变换得到改进模型：
令进一步变换为
其中，为基于三相三电平八开关整流器的数学模型得到的最优参考电压矢量；
(3)获得在αβ静止坐标系由电压和电流及其他们延时90°的信号构成的电流参考值：
其中，nm是αβ静止坐标系下交流侧电压或电流延时90°的信号，n为交流侧电压uα/uβ或者交流侧电流iα/iβ，p*为有功功率的给定值，由直流侧电压控制器的输出得到；
(4)定义目标函数：
(5)根据目标函数选出最优的空间电压矢量vα(k+1),vβ(k+1)，作为(K+1)控制周期的控制信号，控制开关管的状态，实现系统的控制目标。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述三相三电平八开关NPC整流器包括：永磁同步风力发电机、L滤波器及其等效电阻R、八个开关管Sb1，Sb2，Sb1，Sb2，Sc1，Sc2，Sc3，Sc4；四个快恢复二极管Db1，Db2，Dc1，Dc2、直流侧滤波电容C1，C2、直流侧负载ZL；直流侧为两个串联的滤波电容C1，C2，在两个电容中间形成一个中性点O；B、C两相为正常的二极管箝位I字型三电平结构NPC，而A相与C、B两相不同，直接箝位到直流侧滤波电容的中点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：开关管的驱动信号满足Sb1，Sb3互补，Sb2，Sb4互补，Sc1，Sc3互补，Sc2，Sc4互补；定义开关函数如下：
对应的桥臂输出电压为：
其中，Udc直流侧输出电压，p状态定义为桥臂输出电压为o状态定义为桥臂输出电压为0，n状态定义为桥臂输出电压为
在αβ静止坐标系的空间电压矢量为
定义共模电压为：
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：空间电压矢量对应的共模电压为：
其中，空间电压矢量v1和v4对应的共模电压高于其他空间电压矢量对应的共模电压；为了降低三相三电平八开关整流器的共模电压，所述方法将空间电压矢量v1和v4去除，只是用剩余的七个空间电压矢量。
5.如权利要求1-3任一项所述的方法其特征在于：所述方法在直流侧采用PI控制器，实现有功功率的无静差跟踪。
6.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述三相三电平八开关整流器以单位功率因数运行。
7.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述方法应用于风力发电系统中的三相三电平八开关整流器。
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