CN110198130B - 一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统及方法。本发明系统包括：三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载。本发明根据扩展功率理论结合控制周期，计算各控制周期的有功功率值和新型无功功率值；构建六个非零电压矢量以及两个零电压矢量，计算最小的代价函数值并记录下对应的电压矢量；确定第二作用的非零电压矢量；计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的占空比，以发出相应开关信号控制PWM整流器。本发明无需额外功率补偿项，降低了控制算法计算时间和计算复杂度。

Description

一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统及方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电系统的运行与控制技术领域，更具体地，涉及一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统及方法。

背景技术

随着光伏、风电等新能源大规模接入电网和电网所接负载种类增加，特别是不平衡负载和非线性负载，电网不平衡和谐波问题日益突出。不平衡电网电压势必会造成三相并网PWM整流器的交流侧电流发生畸变，谐波含量增加，污染电网，降低电力电子装置的效率与可靠性。

针对不平衡电网条件下的PWM整流器控制，现有方法主要包括两种，一是基于传统功率理论的单矢量和多矢量模型预测直接功率控制方法，二是基于扩展瞬时功率理论的单矢量和多矢量模型预测直接功率控制方法。基于传统功率理论的单矢量和多矢量模型预测直接功率控制方法是将有功功率和传统无功功率作为跟踪目标，在一个控制周期内采用单个矢量作用或者多个电压矢量共同作用，对有功功率参考值和传统无功功率参考值进行跟踪。基于传统功率理论的单矢量模型预测直接功率控制方法能快速跟踪参考值，但该方法的有功纹波和无功纹波大，控制精度差，而基于传统功率理论的多矢量模型预测直接功率控制方法有功纹波和无功纹波小，控制精度高，但是该方法需要重复计算多次电压矢量的占空比，且占空比计算过程复杂，计算量大，如二矢量模型预测直接功率控制的作用电压矢量是一个非零矢量和一个零矢量，这种组合共包括6个，每个组合需计算两个占空比，然后比较得出最小的成本函数，最终发出开关信号进行控制；三矢量模型预测直接功率控制的作用电压矢量是两个相邻的非零矢量和一个零矢量，这种组合也包括6个，但是该方法需要计算三个占空比，然后比较得出最小的成本函数，计算量进一步加大。另外，无论是基于传统功率理论的单矢量还是多矢量模型预测直接功率控制方法都需要增加额外项来保证网侧电流质量。基于扩展瞬时功率理论的单矢量和多矢量模型预测直接控制则是将传统的有功功率和新型的无功功率作为控制目标，在一个控制周期内采用单个矢量作用或是多个电压矢量共同作用，对有功功率参考值和新型无功功率参考值进行跟踪，该方法无需增加额外功率补偿项，网侧电流畸变小。但是基于扩展瞬时功率理论的单矢量模型预测直接功率控制存在有功纹波和无功纹波大，控制精度差的问题，而基于扩展瞬时功率理论的多矢量模型预测直接功率控制存在算法复杂，计算量大的问题。

因此，有必要针对不平衡电网条件下的PWM整流器控制提出一种实现简单、复杂度低、计算量小，和控制精度高的方法。基于现有的方法，提出一种不平衡电网条件下PWM整流器的多矢量优化控制方法，该方法是在扩展瞬时功率理论下提出了多矢量模型预测直接功率控制方法，并在此基础上优化了多矢量的选择与占空比计算过程，进一步降低了算法的复杂度与计算时间。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统及方法。

本发明系统的技术方案为一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统，其特征在于，包括：三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载；

所述三相电网与所述三相电压传感器通过导线连接；所述三相电网与所述三相电流传感器通过导线连接；所述直流侧电容与所述直流电压传感器通过导线连接；所述主控制器分别与所述的三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器通过导线依次连接；所述的主控制器、三相交流电网、三相滤波电感、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载依次串联连接。

本发明方法的技术方案为一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：采样三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压；

步骤2：主控制器利用Clarke变换分别将三相电网电压、三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下进行分析；

作为优选，步骤1中所述三相电网电压为：

通过所述三相电压传感器采集所述三相电网电压；

A相电网电压为e_a,B相电网电压为e_b,C相电网电压为e_c；

通过所述三相电流传感器采集所述三相电网电流；

步骤1中所述三相电网电流为：

A相电网电流为i_a,B相电网电流为i_b,C相电网电流为i_c；

步骤1中所述直流侧电容电压为：

通过所述直流电压传感器采集所述直流侧电容电压；

直流侧电容电压为u_dc；

将所述的三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压传输至所述主控制器；

作为优选，步骤2中所述主控制器利用Clarke变换将三相电网电压的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

步骤2中所述利用Clarke变换将三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，e_α为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，e_β为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值，i_α是三相电网电流对应到α轴上的电网电流值，i_β是三相电网电流对应到β轴上的电网电流值；

将e_α,e_β分别延时1/4个电网周期后得到e'_α,e'_β，即：

e'_α＝e_α(t-T/4)

e'_β＝e_β(t-T/4)

其中，t是当前时间，T是电网的周期，e'_α为延时后α轴上的电网电压值，e'_β为延时后β轴上的电网电压值；

作为优选，步骤3中所述控制周期为T_s；

步骤3中所述计算各控制周期的有功功率值为计算出kT_s时刻的有功功率值p^k，即：

步骤3中所述计算各控制周期的新型无功功率值为计算出新型无功功率值

即：

其中，

是e_α在kT_s时刻的采样值，

是e_β在kT_s时刻的采样值，

是i_α在kT_s时刻的采样值，

是i_β在kT_s时刻的采样值，

是e'_α在kT_s时刻的采样值，

是e'_β在kT_s时刻的采样值；

作为优选，步骤4中所述构建六个非零电压矢量以及两个零电压矢量具体为：

三相两电平整流器共有6个开关，现在用(S_a,S_b,S_c)代表A,B,C三相各桥臂的开关状态；

S_a＝1时表示A相上管导通、下管关断，S_a＝0时表示A相上管关断、下管导通；S_b＝1时表示B相上管导通、下管关断，S_b＝0时表示B相上管关断、下管导通；S_c＝1时表示C相上管导通、下管关断，S_c＝0时表示C相上管关断、下管导通；

三相两电平逆变器总共有8个电压矢量，即：

(S_a,S_b,S_c)∈{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}；

步骤4中所述六个非零电压矢量记为：

V₁＝(1,0,0),V₂＝(1,1,0),V₃＝(0,1,0),V₄＝(0,1,1),V₅＝(0,0,1),V₆＝(1,0,1)；

步骤4中所述两个零电压矢量记为：

V₀＝(0,0,0),V₇＝(1,1,1)；

假定在kT_s到(k+1)T_s这一时间段内仅采用一个非零电压矢量,则可以根据步骤3计算出(k+1)T_s时刻的有功p^k+1和新型无功值

以V_k＝(v_k,1，v_k,2，v_k,3)，k∈[1,6]，首先计算电压矢量V_k等效到逆变器侧在αβ轴上的值

v_k,1＝S_k,a,v_k,2＝S_k,b,v_k,3＝S_k,c

其中，

是u_dc在kT_s时刻的采样值，S_k,a，S_k,b，S_k,c分别是V_k对应的S_a,S_b,S_c的值；

接下来计算(k+1)T_s的有功功率值p^k+1和(k+1)T_s的新型无功功率值

其中，L是所述三相滤波电感的电感值，R是所述三相滤波电感的寄生电阻值，ω是电网频率值；

定义代价函数为：

其中，p^ref是有功功率的参考值，

是新型无功功率的参考值，则可以计算出V_k对应的代价函数值，记为g_k；

重复上述步骤，可得V_k＝(v_k,1，v_k,2，v_k,3)，k∈[1,6]对应的代价函数值，记为g_k,(k＝1,2,3,4,5,6)；

通过遍历各代价函数的值，确定最小的代价函数值，记为g_m，并记录下对应的电压矢量V_m；

作为优选，步骤5中所述确定第二作用的非零电压矢量为：

需要确定除V_m外代价函数最小的非零电压矢量V_n，考虑到V_n必定是与V_m相邻的两个非零电压矢量V_m-1和V_m+1之一，比较V_m-1,V_m+1的代价函数值g_m-1和g_m+1，如果g_m-1>g_m+1,则令V_n＝V_m+1,否则，V_n＝V_m-1。至此，kT_s到(k+1)T_s这一时间段内的作用电压矢量确定为V_m，V_n和V₀；

作为优选，步骤6中所述计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的有功变化率为：

将V_m,V_n和V₀对应的有功变化率记作s_p,1,s_p,2,s_p,0,计算公式如下所示：

步骤6中所述计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的新型无功变化率为：

V_m,V_n和V₀对应的新型无功变化率记作s_q,1,s_q,2,s_q,0,计算公式如下所示：

其中，

是V_m在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在α轴上的电压值，

是V_m在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在β轴上的电压值，

是V_n在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在α轴上的电压值，

是V_n在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在β轴上的电压值，

是V₀在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在α轴上的电压值，

是V₀在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在β轴上的电压值；

步骤6中所述第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的占空比为：

计算V_m,V_n,V₀的占空比：

den＝s_q,0s_p,2-s_q,1s_p,2-s_q,2s_p,0+s_q,1s_p,0-s_q,0s_p,1+s_q,2s_p,1

d₁＝num1/den/T_s

d₂＝num2/den/T_s

其中，d₁是V_m的占空比，d₂是V_n的占空比，s_p,1是V_m的有功变化率，s_p,2是V_n的有功变化率，s_p,0是V₀的有功变化率，s_q,1是V_m的无功变化率，s_q,2是V_n的无功变化率，s_q,0是V₀的无功变化率。得到d₁和d₂后，还需进行判断：

若d₁+d₂>1,令d₁＝d₁/(d₁+d₂),d₂＝d₂/(d₁+d₂)；

V₀的占空比为d₀＝1-d₁-d₂；

确定V_m,V_n,V₀和d₁,d₂,d₀后，依据SVPWM算法发出相应开关信号控制PWM整流器。

本发明优点在于，针对不平衡电网条件下的PWM整流器控制，提出了采用扩展瞬时功率理论进行控制，避免了传统功率理论需要添加额外功率补偿项的问题，在保证网侧电流正弦的条件下，降低了算法复杂度，并采用了多矢量模型预测直接功率控制方法，降低了有功纹波和无功纹波。另外，本发明还优化了多矢量的选择过程，进一步降低了控制算法计算时间和计算复杂度。

附图说明

图1：为本发明系统组成示意图；

图2：为三相两电平整流器电压矢量图；

图3：为本发明算法流程图；

图4：为三相电网电压；

图5：为三相电网电流；

图6：为电网A相电压和电流值；

图7：为A相电流频谱图；

图8：为输出有功值和新型无功值。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

在本发明实施例中，为了验证所提控制算法的有效性，本发明搭建了系统，如图1所示，为本发明的系统技术方案为一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统，其特征在于，包括：三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载；

所述三相电网与所述三相电压传感器通过导线连接；所述三相电网与所述三相电流传感器通过导线连接；所述直流侧电容与所述直流电压传感器通过导线连接；所述主控制器分别与所述的三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器通过导线依次连接；所述的主控制器、三相交流电网、三相滤波电感、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载依次串联连接。

所述三相交流电网选型为TSGC-9kVA，不平衡电网电压中正序电压幅值V⁺设置为100V，负序电压幅值V^—设置为10V，频率为50Hz；所述三相滤波电感选型为GT-LOR-0012；所述三相电压传感器选型为ZMPT107；所述三相电流传感器选型为ZMCT101B；所述直流电压传感器选型为HCPL7840；所述主控制器选型为TMS320F28069；所述三相PWM整流器由六个IGBT组成，IGBT选型为2MBI200U4H-170-50；所述直流侧电容选型为2000uF的电解电容；所述直流侧负载选型为50Ω，1kW的RXHG电阻。

图2为三相两电平整流器电压矢量图。本发明所提优化控制方法流程图如图3所示。

下面结合图1至图8介绍本发明的具体实施方式为：

步骤1：采样三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压；

步骤1中所述三相电网电压为：正序电压幅值V⁺设置为100V，负序电压幅值V^—设置为10V；

通过所述三相电压传感器采集所述三相电网电压；

A相电网电压为e_a,B相电网电压为e_b,C相电网电压为e_c；

通过所述三相电流传感器采集所述三相电网电流；

步骤1中所述三相电网电流为中间变量，该量取决于三相电网电压，给定的有功功率参考值，和给定新型无功功率参考值；

A相电网电流为i_a,B相电网电流为i_b,C相电网电流为i_c；

步骤1中所述直流侧电容电压为中间变量，该量取决于三相电网电压，给定的有功功率参考值，给定的新型无功功率参考值，和直流侧负载；

通过所述直流电压传感器采集所述直流侧电容电压；

直流侧电容电压为u_dc；

将所述的三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压传输至所述主控制器TMS320F28069；

步骤2：主控制器利用Clarke变换分别将三相电网电压、三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下进行分析；

步骤2中所述主控制器利用Clarke变换将三相电网电压的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

步骤2中所述利用Clarke变换将三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，e_α为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，e_β为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值，i_α是三相电网电流对应到α轴上的电网电流值，i_β是三相电网电流对应到β轴上的电网电流值；

将e_α,e_β分别延时1/4个电网周期后得到e'_α,e'_β，即：

e'_α＝e_α(t-T/4)

e'_β＝e_β(t-T/4)

其中，t是当前时间，T是电网的周期，e'_α为延时后α轴上的电网电压值，e'_β为延时后β轴上的电网电压值；

步骤3：根据扩展功率理论结合控制周期，计算各控制周期的有功功率值和新型无功功率值；

步骤3中所述控制周期为T_s；

步骤3中所述计算各控制周期的有功功率值为计算出kT_s时刻的有功功率值p^k，即：

步骤3中所述计算各控制周期的新型无功功率值为计算出新型无功功率值

即：

其中，

是e_α在kT_s时刻的采样值，

是e_β在kT_s时刻的采样值，

是i_α在kT_s时刻的采样值，

是i_β在kT_s时刻的采样值，

是e'_α在kT_s时刻的采样值，

是e'_β在kT_s时刻的采样值；

步骤4：构建六个非零电压矢量以及两个零电压矢量，计算最小的代价函数值并记录下对应的电压矢量；

步骤4中所述构建六个非零电压矢量以及两个零电压矢量具体为：

三相两电平整流器共有6个开关，现在用(S_a,S_b,S_c)代表A,B,C三相各桥臂的开关状态；

S_a＝1时表示A相上管导通、下管关断，S_a＝0时表示A相上管关断、下管导通；S_b＝1时表示B相上管导通、下管关断，S_b＝0时表示B相上管关断、下管导通；S_c＝1时表示C相上管导通、下管关断，S_c＝0时表示C相上管关断、下管导通；

三相两电平逆变器总共有8个电压矢量，即：

(S_a,S_b,S_c)∈{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}；

步骤4中所述六个非零电压矢量记为：

V₁＝(1,0,0),V₂＝(1,1,0),V₃＝(0,1,0),V₄＝(0,1,1),V₅＝(0,0,1),V₆＝(1,0,1)；

步骤4中所述两个零电压矢量记为：

V₀＝(0,0,0),V₇＝(1,1,1)；

假定在kT_s到(k+1)T_s这一时间段内仅采用一个非零电压矢量,则可以根据步骤3计算出(k+1)T_s时刻的有功p^k+1和新型无功值

以V_k＝(v_k,1，v_k,2，v_k,3)，k∈[1,6]，首先计算电压矢量V_k等效到逆变器侧在αβ轴上的值

v_k,1＝S_k,a,v_k,2＝S_k,b,v_k,3＝S_k,c

其中，

是u_dc在kT_s时刻的采样值，S_k,a，S_k,b，S_k,c分别是V_k对应的S_a,S_b,S_c的值；

接下来计算(k+1)T_s的有功功率值p^k+1和(k+1)T_s的新型无功功率值

其中，L是所述三相滤波电感的电感值，R是所述三相滤波电感的寄生电阻值，且本发明中L为12mH，R为0.5Ω，ω是电网频率值，为314rad/s；

定义代价函数为：

其中，p^ref是有功功率的参考值，

是新型无功功率的参考值，则可以计算出V_k对应的代价函数值，记为g_k；

重复上述步骤，可得V_k＝(v_k,1，v_k,2，v_k,3)，k∈[1,6]对应的代价函数值，记为g_k,(k＝1,2,3,4,5,6)；

通过遍历各代价函数的值，确定最小的代价函数值，记为g_m，并记录下对应的电压矢量V_m；

步骤5：确定第二作用的非零电压矢量；

步骤5中所述确定第二作用的非零电压矢量为：

需要确定除V_m外代价函数最小的非零电压矢量V_n，考虑到V_n必定是与V_m相邻的两个非零电压矢量V_m-1和V_m+1之一，比较V_m-1,V_m+1的代价函数值g_m-1和g_m+1，如果g_m-1>g_m+1,则令V_n＝V_m+1,否则，V_n＝V_m-1。至此，kT_s到(k+1)T_s这一时间段内的作用电压矢量确定为V_m，V_n和V₀；

步骤6：计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的有功变化率、新型无功变化率，并计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的占空比，以发出相应开关信号控制PWM整流器；

步骤6中所述计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的有功变化率为：

将V_m,V_n和V₀对应的有功变化率记作s_p,1,s_p,2,s_p,0,计算公式如下所示：

步骤6中所述计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的新型无功变化率为：

V_m,V_n和V₀对应的新型无功变化率记作s_q,1,s_q,2,s_q,0,计算公式如下所示：

其中，

是V_m在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在α轴上的电压值，

是V_m在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在β轴上的电压值，

是V_n在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在α轴上的电压值，

是V_n在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在β轴上的电压值，

是V₀在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在α轴上的电压值，

是V₀在(k+1)T_s时刻等效到逆变器侧在β轴上的电压值；

步骤6中所述第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的占空比为：

计算V_m,V_n,V₀的占空比：

den＝s_q,0s_p,2-s_q,1s_p,2-s_q,2s_p,0+s_q,1s_p,0-s_q,0s_p,1+s_q,2s_p,1

d₁＝num1/den/T_s

d₂＝num2/den/T_s

其中，d₁是V_m的占空比，d₂是V_n的占空比，s_p,1是V_m的有功变化率，s_p,2是V_n的有功变化率，s_p,0是V₀的有功变化率，s_q,1是V_m的无功变化率，s_q,2是V_n的无功变化率，s_q,0是V₀的无功变化率。得到d₁和d₂后，还需进行判断：

若d₁+d₂>1,令d₁＝d₁/(d₁+d₂),d₂＝d₂/(d₁+d₂)；

V₀的占空比为d₀＝1-d₁-d₂；

确定V_m,V_n,V₀和d₁,d₂,d₀后，依据SVPWM算法发出相应开关信号控制PWM整流器。

算法首先采样网侧三相电压和三相电流，和直流侧电容电压，接着根据扩展功率理论计算当前时刻的有功功率值和新型无功功率值，然后通过比较6个非零电压矢量的代价函数值，找出了成本函数值最小的两个非零电压矢量，选择当前时刻的作用电压矢量为上述两个电压矢量加上一个零矢量，最后计算各电压矢量的占空比，发出相应开关信号，控制PWM整流器。

具体来说，为了模拟不平衡电网条件，电网正序电压幅值V⁺设置为100V，负序电压幅值V^—设置为10V，电压不平衡度ε＝10/100＝0.1，三相电压波形如图4所示。在0.4s之前，有功参考值设置为2000W，新型无功参考值设置为0，在0.4s之后，有功参考值设置为3000W，新型无功参考值依旧为0。图5中给出了三相电流波形，更具体的，从图6中可以看出，A相电压与电流保证单位功率因数。图7中给出了A相电流的频谱图，可知A相电流畸变小，保证正弦。图8中给出了系统的有功值和新型无功值，可以看出所提方法能够快速跟踪有功和新型无功参考值的变化，且纹波较小，这表明了所提方法具有较高的控制精度。

尽管本说明书较多地使用了三相交流电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种不平衡电网条件下的多矢量优化控制系统，其特征在于，包括：三相电网、三相滤波电感、三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器、主控制器、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载；

所述三相电网与所述三相电压传感器通过导线连接；所述三相电网与所述三相电流传感器通过导线连接；所述直流侧电容与所述直流电压传感器通过导线连接；所述主控制器分别与所述的三相电压传感器、三相电流传感器、直流电压传感器通过导线连接；所述三相电网、三相滤波电感、三相PWM整流器、直流侧电容、直流侧负载依次串联连接；

该三相PWM整流器采用多矢量优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采样三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压；

步骤2：主控制器利用Clarke变换分别将三相电网电压、三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下进行分析；

步骤3：根据扩展功率理论结合控制周期，计算各控制周期的有功功率值和新型无功功率值；

步骤4：构建六个非零电压矢量以及两个零电压矢量，计算最小的代价函数值并记录下对应的电压矢量；

步骤5：确定第二作用的非零电压矢量；

步骤6：计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的有功变化率、新型无功变化率，并计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的占空比，以发出相应开关信号控制PWM整流器；

步骤1中所述三相电网电压为：

通过所述三相电压传感器采集所述三相电网电压；

A相电网电压为e_a,B相电网电压为e_b,C相电网电压为e_c；

通过所述三相电流传感器采集所述三相电网电流；

步骤1中所述三相电网电流为：

A相电网电流为i_a,B相电网电流为i_b,C相电网电流为i_c；

步骤1中所述直流侧电容电压为：

通过所述直流电压传感器采集所述直流侧电容电压；

直流侧电容电压为u_dc；

将所述的三相电网电压、三相电网电流以及直流侧电容电压传输至所述主控制器；

步骤2中所述主控制器利用Clarke变换将三相电网电压的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

步骤2中所述利用Clarke变换将三相电网电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，e_α为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，e_β为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值，i_α是三相电网电流对应到α轴上的电网电流值，i_β是三相电网电流对应到β轴上的电网电流值；

将e_α,e_β分别延时1/4个电网周期后得到e'_α,e'_β，即：

e'_α＝e_α(t-T/4)

e'_β＝e_β(t-T/4)

其中，t是当前时间，T是电网的周期，e'_α为延时后α轴上的电网电压值，e'_β为延时后β轴上的电网电压值；

步骤3中所述控制周期为T_s；

步骤3中所述计算各控制周期的有功功率值为计算出kT_s时刻的有功功率值p^k，即：

步骤3中所述计算各控制周期的新型无功功率值为计算出新型无功功率值

即：

其中，

是e_α在kT_s时刻的采样值，

是e_β在kT_s时刻的采样值，

是i_α在kT_s时刻的采样值，

是i_β在kT_s时刻的采样值，

是e'_α在kT_s时刻的采样值，

是e'_β在kT_s时刻的采样值；

步骤4中所述构建六个非零电压矢量以及两个零电压矢量具体为：

所述三相PWM整流器共有6个开关，现在用(S_a,S_b,S_c)代表A,B,C三相各桥臂的开关状态；

S_a＝1时表示A相上管导通、下管关断，S_a＝0时表示A相上管关断、下管导通；S_b＝1时表示B相上管导通、下管关断，S_b＝0时表示B相上管关断、下管导通；S_c＝1时表示C相上管导通、下管关断，S_c＝0时表示C相上管关断、下管导通；

所述三相PWM整流器总共有8个电压矢量，即：

(S_a,S_b,S_c)∈{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}；

步骤4中所述六个非零电压矢量记为：

V₁＝(1,0,0),V₂＝(1,1,0),V₃＝(0,1,0),V₄＝(0,1,1),V₅＝(0,0,1),V₆＝(1,0,1)；

步骤4中所述两个零电压矢量记为：

V₀＝(0,0,0),V₇＝(1,1,1)；

假定在kT_s时刻到(k+1)T_s时刻这一时间段内仅采用一个非零电压矢量,则可以根据步骤3计算出(k+1)T_s时刻的有功功率值p^k+1和新型无功功率值

以V_k＝(v_k,1，v_k,2，v_k,3)，k∈[1,6]，首先计算电压矢量V_k等效到三相PWM整流器侧在αβ轴上的值

v_k,1＝S_k,a,v_k,2＝S_k,b,v_k,3＝S_k,c

其中，

是u_dc在kT_s时刻的采样值，S_k,a，S_k,b，S_k,c分别是V_k对应的S_a,S_b,S_c的值；

接下来计算(k+1)T_s时刻的有功功率值p^k+1和(k+1)T_s时刻的新型无功功率值

其中，L是所述三相滤波电感的电感值，R是所述三相滤波电感的寄生电阻值，ω是电网频率值；

定义代价函数为：

其中，p^ref是有功功率的参考值，

是新型无功功率的参考值，则可以计算出V_k对应的代价函数值，记为g_k；

重复上述步骤，可得V_k＝(v_k,1，v_k,2，v_k,3)，k∈[1,6]对应的代价函数值，记为g_k,(k＝1,2,3,4,5,6)；

通过遍历各代价函数的值，确定最小的代价函数值，记为g_m，并记录下对应的电压矢量V_m；

步骤5中所述确定第二作用的非零电压矢量为：

需要确定除V_m外代价函数最小的非零电压矢量V_n，考虑到V_n必定是与V_m相邻的两个非零电压矢量V_m-1和V_m+1之一，比较V_m-1,V_m+1的代价函数值g_m-1和g_m+1，如果g_m-1>g_m+1,则令V_n＝V_m+1,否则，V_n＝V_m-1，至此，kT_s时刻到(k+1)T_s时刻这一时间段内的作用电压矢量确定为V_m，V_n和V₀；

步骤6中所述计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的有功变化率为：

将V_m,V_n和V₀对应的有功变化率记作s_p,1,s_p,2,s_p,0,计算公式如下所示：

步骤6中所述计算第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的新型无功变化率为：

V_m,V_n和V₀对应的新型无功变化率记作s_q,1,s_q,2,s_q,0,计算公式如下所示：

其中，

是V_m在(k+1)T_s时刻等效到三相PWM整流器侧在α轴上的电压值，

是V_m在(k+1)T_s时刻等效到三相PWM整流器侧在β轴上的电压值，

是V_n在(k+1)T_s时刻等效到三相PWM整流器侧在α轴上的电压值，

是V_n在(k+1)T_s时刻等效到三相PWM整流器侧在β轴上的电压值，

是V₀在(k+1)T_s时刻等效到三相PWM整流器侧在α轴上的电压值，

是V₀在(k+1)T_s时刻等效到三相PWM整流器侧在β轴上的电压值；

步骤6中所述第一作用的非零电压矢量、第二作用的非零电压矢量以及第一零电压矢量的占空比为：

计算V_m,V_n,V₀的占空比：

den＝s_q,0s_p,2-s_q,1s_p,2-s_q,2s_p,0+s_q,1s_p,0-s_q,0s_p,1+s_q,2s_p,1

d₁＝num1/den/T_s

d₂＝num2/den/T_s

其中，d₁是V_m的占空比，d₂是V_n的占空比，s_p,1是V_m的有功变化率，s_p,2是V_n的有功变化率，s_p,0是V₀的有功变化率，s_q,1是V_m的无功变化率，s_q,2是V_n的无功变化率，s_q,0是V₀的无功变化率，得到d₁和d₂后，还需进行判断：

若d₁+d₂>1,令d₁＝d₁/(d₁+d₂),d₂＝d₂/(d₁+d₂)；

V₀的占空比为d₀＝1-d₁-d₂；

确定V_m,V_n,V₀和d₁,d₂,d₀后，依据SVPWM算法发出相应开关信号控制PWM整流器。

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