CN110190764B - 单相pwm整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法 - Google Patents

单相pwm整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，包括以下步骤：首先根据锁相环得到的输入电压角度，计算下一个采样时刻的输入电流给定值、储能电容功率给定值、储能电容电流给定值；然后再根据电路的离散化数学模型计算下一个采样时刻各个开关状态对应的输入电流预测值、储能电容电流预测值、储能电容功率预测值；最后将计算得到的给定值与预测值代入目标函数，选择使目标函数取值最小的那个开关状态作为下一时刻的开关状态。该发明可以有效地将二次纹波功率存储于储能电容中，从而达到抑制输出电压纹波的目标。相比传统的SPWM或SVPWM的控制方法，本方法具有结构简单、参数设计少的优点。

Description

单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法
技术领域
本发明涉及单相PWM整流器控制技术领域，具体涉及一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境问题日益严重，新能源技术的研究受到越来越多的关注。在中小功率场合，单相PWM整流器被广泛的应用。但是单相整流器的输出直流电压中会含有二次纹波电压，该纹波电压不仅会给输入电流带来三次谐波，还会对负载带来不利影响，特别是在给蓄电池充电时，该纹波电压会引入额外的低频纹波电流，影响了电池性能，降低了电池寿命。
抑制单相PWM整流器二次纹波的方法可以分为无源滤波和有源滤波。无源滤波即在输出侧并联大容量电解电容或者并联LC谐振电路，但是并联大容量电解电容会增加系统体积，且电解电容寿命较短，而LC谐振电路又会增加系统的不稳定性。于是，有源滤波的方法被提出，即通过控制开关器件的通断来增加储能电容电压或储能电感电流的脉动范围，从而减小电容量或电感量。
目前，有源滤波方案大多采用SPWM或SVPWM的控制方法，但这些控制方法都至少需要4个PI调节器或PR调节器，控制过程复杂，增加了系统设计难度，降低了系统的鲁棒性和稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有有源滤波控制方法中的不足，提供一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，该方法具有实现结构简单、参数设计少、易实现的优点。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，该二次纹波抑制电路包括6个MOS管，每2个MOS管串联后分别构成相互并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂构成桥式结构，二次纹波抑制电路交流输入侧由一个滤波电感的一端与第一桥臂中点相连，另一端连接输入电压，输入电压另一端连接第二桥臂中点；储能电容与另一个滤波电感构成储能支路，该储能支路的一端与第三桥臂中点相连，另一端与第二桥臂中点相连；二次纹波抑制电路输出侧为一个稳压电容与桥式结构并联，所述的模型预测控制方法包括下列步骤：
T1、将采样得到的输入交流电压经过锁相环后得到输入电压角度的正弦值，并计算下一个采样时刻的输入电流给定值、储能电容功率给定值、储能电容电流给定值；
T2、计算下一个采样时刻各个开关状态对应的输入电流预测值、储能电容电流预测值、储能电容功率预测值；
T3、将步骤T1得到的下一个采样时刻的输入电流给定值、储能电容功率给定值、储能电容电流给定值与步骤T2得到的下一个采样时刻各个开关状态对应的输入电流预测值、储能电容电流预测值、储能电容功率预测值代入目标函数，选择使目标函数取值最小的那个开关状态作为下一时刻的开关状态。
进一步地，所述的步骤T1中计算输入电流给定值的过程如下：
将输出直流电压与电压给定值的差值经过PI调节器后得到输入电流幅值的给定值，再与输入电压角度的正弦值相乘后得到输入电流瞬时值的给定值。
进一步地，所述的步骤T1中计算储能电容功率及电流给定值的过程如下：
假设整流器工作在单位功率因数情况下，则输入电压及输入电流表示为：
Figure GDA0002630874120000031
其中，ω表示电气角速度，t为时间，Vsm、Ism分别表示输入电压、输入电流幅值，vs、is分别表示输入电压、输入电流瞬时值；
假设储能电容电压与输入电压之间的角度差为θ，则储能电容的电压及电流可以表示为：
Figure GDA0002630874120000032
其中，Vcm、Icm表示储能电容的电压及电流幅值，uc、ic表示储能电容的电压及电流瞬时值，Cr表示储能电容的电容值；
根据式(A)得到整流器第一桥臂和第二桥臂之间瞬时输入功率Pab为：
Figure GDA0002630874120000033
式中，L是交流侧滤波电感，
Figure GDA0002630874120000034
根据式(B)得到整流器第二桥臂和第三桥臂之间的瞬时功率Pcb为：
Figure GDA0002630874120000035
为消除输出电压中的二次纹波，应当使得Pab中的交流分量等于Pcb，于是得到
Figure GDA0002630874120000041
从而得到储能电容功率给定值为
Figure GDA0002630874120000045
储能电容电流给定值为
Figure GDA0002630874120000042
进一步地，所述的步骤T2中计算各个预测值的过程如下：
根据二次纹波抑制电路，列写如下微分方程：
Figure GDA0002630874120000043
式中，Cr是储能电容，Lr是和储能电容串联的滤波电感，L是交流侧滤波电感，uab是整流桥第一桥臂和第二桥臂之间的输入电压，ubc是整流桥第二桥臂和第三桥臂之间的输入电压。
将式(F)离散化后的表达式如下，
Figure GDA0002630874120000044
式中，Ts表示采样周期，is(k)表示第k时刻的输入电流采样值，ic(k)表示第k时刻的储能电容电流采样值，vs(k)表示第k时刻的输入电压采样值，uc(k)表示第k时刻的储能电容电压采样值，uab(k)表示第k时刻的整流桥第一桥臂和第二桥臂之间的输入电压采样值，ubc(k)表示第k时刻的整流桥第二桥臂和第三桥臂之间的输入电压采样值，is(k+1)表示第k+1时刻的输入电流预测值，ic(k+1)表示第k+1时刻的储能电容电流预测值，uc(k+1)表示第k+1时刻的储能电容电压预测值，Pc(k+1)第k+1时刻的储能电容功率预测值。
进一步地，所述的模型预测控制的目标函数为：
Figure GDA0002630874120000051
式中，
Figure GDA0002630874120000052
表示输入电流的给定值，is(k+1)表示第k+1时刻的输入电流预测值，
Figure GDA0002630874120000053
表示储能电容功率的给定值，Pc(k+1)第k+1时刻的储能电容功率预测值，
Figure GDA0002630874120000054
表示储能电容电流的给定值，
Figure GDA0002630874120000055
表示储能电容电流的给定值，λ1、λ2是相应的权重系数，其取值范围是0到1。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
以往的有源滤波控制方法中需要用到大量的PI调节器或PR调节器，其中控制输入电流的双闭环结构中需要1个PI调节器和1个PR调节器，控制储能电容电压和电流的双闭环结构中需要2个PR调节器，而本发明采用的模型预测控制不仅有效地实现了对二次纹波的抑制，而且只需要1个PI调节器，大大减小了系统的参数设计复杂度，降低了参数设计对系统稳定性的影响。
附图说明
图1是单相PWM整流器二次纹波抑制电路图；
图2是系统控制框图；
图3是传统H桥整流器输入电压、输入电流、输出电压示意图；
图4是传统H桥整流器输出电压纹波示意图；
图5是本发明所提出的二次纹波抑制方案的输入电压、输入电流、输出电压示意图；
图6是本发明所提出的二次纹波抑制方案的输出电压纹波示意图；
图7是本发明所提出的二次纹波抑制方案的输入电压与储能电容电压示意图。
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做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。
实施例
图1是单相PWM整流器二次纹波抑制电路图，该二次纹波抑制电路包括6个MOS管，每2个MOS管串联后分别构成相互并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂构成桥式结构，二次纹波抑制电路交流输入侧由一个滤波电感的一端与第一桥臂中点相连，另一端连接输入电压，输入电压另一端连接第二桥臂中点；储能电容与另一个滤波电感构成储能支路，该储能支路的一端与第三桥臂中点相连，另一端与第二桥臂中点相连；二次纹波抑制电路输出侧为一个稳压电容与桥式结构并联。上述二次纹波抑制电路与传统H桥整流电路相比，增加了第三桥臂，并在交流输入侧连接了一条储能电容支路，该支路上还串联了一个滤波电感。
该二次纹波抑制电路控制的目标包括2个，一是实现网侧单位功率因数控制，二是将二次纹波功率存储于储能电容中。根据图2的系统控制框图，可以将控制的过程分为如下三步：
步骤T1、将采样得到的输入交流电压经过锁相环后得到输入电压角度的正弦值，并计算下一个采样时刻的输入电流给定值、储能电容功率给定值、储能电容电流给定值。
将输出直流电压与电压给定值的差值经过PI调节器后可以得到输入电流幅值的给定值，再与输入电压角度的正弦值相乘后得到输入电流瞬时值的给定值
Figure GDA0002630874120000076
假设整流器工作在单位功率因数情况下，则输入电压及输入电流可以表示为：
Figure GDA0002630874120000071
其中，ω表示电气角速度，t为时间，Vsm、Ism分别表示输入电压、输入电流幅值，vs、is分别表示输入电压、输入电流瞬时值。
假设储能电容电压与输入电压之间的角度差为θ，则储能电容的电压及电流可以表示为：
Figure GDA0002630874120000072
其中，Vcm、Icm表示储能电容的电压及电流幅值，uc、ic表示储能电容的电压及电流瞬时值，Cr表示储能电容的电容值。
根据式(1)可以得到整流器第一桥臂和第二桥臂之间瞬时输入功率Pab为：
Figure GDA0002630874120000073
式中，L是交流侧滤波电感，
Figure GDA0002630874120000074
根据式(2)可以得到整流器第二桥臂和第三桥臂之间的瞬时功率Pcb为：
Figure GDA0002630874120000075
为了消除输出电压中的二次纹波，应当使得Pab中的纹波功率等于Pcb，于是可以得到
Figure GDA0002630874120000081
从而可以得到储能电容功率和电流的给定值。
步骤T2、计算下一个采样时刻各个开关状态对应的输入电流预测值、储能电容电流预测值、储能电容功率预测值。
根据图1这种二次纹波抑制电路，可以列写如下微分方程：
Figure GDA0002630874120000082
式中，Cr是储能电容，Lr是和储能电容串联的滤波电感，L是交流侧滤波电感，uab是整流桥第一桥臂和第二桥臂之间的输入电压，ubc是整流桥第二桥臂和第三桥臂之间的输入电压。
将式(6)离散化后的表达式如下，
Figure GDA0002630874120000083
式中，Ts表示采样周期，is(k)表示第k时刻的输入电流采样值，ic(k)表示第k时刻的储能电容电流采样值，vs(k)表示第k时刻的输入电压采样值，uc(k)表示第k时刻的储能电容电压采样值，uab(k)表示第k时刻的整流桥第一桥臂和第二桥臂之间的输入电压采样值，ubc(k)表示第k时刻的整流桥第二桥臂和第三桥臂之间的输入电压采样值，is(k+1)表示第k+1时刻的输入电流预测值，ic(k+1)表示第k+1时刻的储能电容电流预测值，uc(k+1)表示第k+1时刻的储能电容电压预测值，Pc(k+1)第k+1时刻的储能电容功率预测值。
步骤T3、将步骤T1得到的给定值与步骤T2得到的预测值代入目标函数，选择使目标函数取值最小的那个开关状态作为下一时刻的开关状态。
所述的目标函数为：
Figure GDA0002630874120000091
式中，
Figure GDA0002630874120000092
表示输入电流的给定值，
Figure GDA0002630874120000094
表示储能电容功率的给定值，
Figure GDA0002630874120000093
表示储能电容电流的给定值，λ1、λ2是相应的权重系数，其取值范围是0到1,本实验例中λ1＝0.025,λ2＝0.45。
实验的系统参数如表1所示，
表1.系统参数表
参数 取值
输入电压峰值 150V
输入电流峰值 3A
交流侧滤波电感L 10mH
直流侧电容C 220uF
直流侧电压 185V
电网频率 50Hz
采样频率 20kHz
储能电容C<sub>r</sub> 110uF
死区时间 2us
滤波电感L<sub>r</sub> 5mH
图3为传统H桥整流器输入电压、输入电流、输出电压示意图,图4为传统H桥整流器输出电压纹波示意图,从图4可以看出此时传统H桥整流器的输出纹波达到了20.0V。
图5为本实施例所提出的二次纹波抑制方案的输入电压、输入电流、输出电压示意图，从图中可以看出该控制方法可以实现单位功率因数控制。
图6为本实施例所提出的二次纹波抑制方案的输出电压纹波示意图，从图中可以看出此时输出纹波已经减小到了5V。
图7为本实施例所提出的二次纹波抑制方案的输入电压与储能电容电压示意图，可以看出输入电压与储能电容之间相差大约π/4的相位，符合理论计算的结果。
从上面的实验结果可以看出，本发明提出的一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法不仅有效地实现了对输出电压中二次纹波的抑制，还具有控制简单，易于实现的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，该二次纹波抑制电路包括6个MOS管，每2个MOS管串联后分别构成相互并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂构成桥式结构，二次纹波抑制电路交流输入侧由一个滤波电感的一端与第一桥臂中点相连，另一端连接输入电压，输入电压另一端连接第二桥臂中点；储能电容与另一个滤波电感构成储能支路，该储能支路的一端与第三桥臂中点相连，另一端与第二桥臂中点相连；二次纹波抑制电路输出侧为一个稳压电容与桥式结构并联，其特征在于，所述的模型预测控制方法包括下列步骤：
T1、将采样得到的输入交流电压经过锁相环后得到输入电压角度的正弦值，并计算下一个采样时刻的输入电流给定值、储能电容功率给定值、储能电容电流给定值；
T2、计算下一个采样时刻各个开关状态对应的输入电流预测值、储能电容电流预测值、储能电容功率预测值；
T3、将步骤T1得到的下一个采样时刻的输入电流给定值、储能电容功率给定值、储能电容电流给定值与步骤T2得到的下一个采样时刻各个开关状态对应的输入电流预测值、储能电容电流预测值、储能电容功率预测值代入目标函数，选择使目标函数取值最小的那个开关状态作为下一时刻的开关状态。
2.根据权利要求1所述的单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，其特征在于，所述的步骤T1中计算输入电流给定值的过程如下：
将输出直流电压与电压给定值的差值经过PI调节器后得到输入电流幅值的给定值，再与输入电压角度的正弦值相乘后得到输入电流瞬时值的给定值。
3.根据权利要求1所述的一种单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，其特征在于，所述的步骤T1中计算储能电容功率及电流给定值的过程如下：
假设整流器工作在单位功率因数情况下，则输入电压及输入电流表示为：
Figure FDA0002630874110000021
其中，ω表示电气角速度，t为时间，Vsm、Ism分别表示输入电压、输入电流幅值，vs、is分别表示输入电压、输入电流瞬时值；
假设储能电容电压与输入电压之间的角度差为θ，则储能电容的电压及电流可以表示为：
Figure FDA0002630874110000022
其中，Vcm、Icm表示储能电容的电压及电流幅值，uc、ic表示储能电容的电压及电流瞬时值，Cr表示储能电容的电容值；
根据式(A)得到整流器第一桥臂和第二桥臂之间瞬时输入功率Pab为：
Figure FDA0002630874110000023
式中，L是交流侧滤波电感，
Figure FDA0002630874110000024
根据式(B)得到整流器第二桥臂和第三桥臂之间的瞬时功率Pcb为：
Figure FDA0002630874110000031
为消除输出电压中的二次纹波，应当使得Pab中的交流分量等于Pcb，于是得到
Figure FDA0002630874110000032
从而得到储能电容功率给定值为
Figure FDA0002630874110000033
储能电容电流给定值为
Figure FDA0002630874110000034
4.根据权利要求1所述的单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，其特征在于，所述的步骤T2中计算各个预测值的过程如下：
根据二次纹波抑制电路，列写如下微分方程：
Figure FDA0002630874110000035
式中，Cr是储能电容，Lr是和储能电容串联的滤波电感，L是交流侧滤波电感，uab是整流桥第一桥臂和第二桥臂之间的输入电压，ubc是整流桥第二桥臂和第三桥臂之间的输入电压；
将式(F)离散化后的表达式如下，
Figure FDA0002630874110000041
式中，Ts表示采样周期，is(k)表示第k时刻的输入电流采样值，ic(k)表示第k时刻的储能电容电流采样值，vs(k)表示第k时刻的输入电压采样值，uc(k)表示第k时刻的储能电容电压采样值，uab(k)表示第k时刻的整流桥第一桥臂和第二桥臂之间的输入电压采样值，ubc(k)表示第k时刻的整流桥第二桥臂和第三桥臂之间的输入电压采样值，is(k+1)表示第k+1时刻的输入电流预测值，ic(k+1)表示第k+1时刻的储能电容电流预测值，uc(k+1)表示第k+1时刻的储能电容电压预测值，Pc(k+1)第k+1时刻的储能电容功率预测值。
5.根据权利要求1所述的单相PWM整流器二次纹波抑制电路的模型预测控制方法，其特征在于，所述的模型预测控制的目标函数为：
Figure FDA0002630874110000042
式中，
Figure FDA0002630874110000043
表示输入电流的给定值，is(k+1)表示第k+1时刻的输入电流预测值，
Figure FDA0002630874110000044
表示储能电容功率的给定值，Pc(k+1)第k+1时刻的储能电容功率预测值，
Figure FDA0002630874110000045
表示储能电容电流的给定值，
Figure FDA0002630874110000046
表示储能电容电流的给定值，λ1、λ2是相应的权重系数，其取值范围是0到1。
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