CN110545046B - 一种基于虚拟矢量的并联pwm整流器环流抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，根据矢量合成原理，将基本电压矢量两两合成，得到6个虚拟非零矢量与1个虚拟零矢量，进而采用基于虚拟矢量的模型预测电流控制算法实现并联PWM整流器的直流侧电压输出稳定、网侧电流正弦、单位功率因数以及零序环流抑制等控制要求。与常规方法不同的是，该方法无需增加硬件装置与闭环控制即可有效抑制零序环流，解决环流引起的输入电流畸变与不平衡等问题，提高系统可靠性和效率。

Description

一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法
技术领域
本发明属于电力电子应用领域，具体涉及一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法。
背景技术
并联PWM整流器被广泛应用于在大功率应用领域以满足大电流要求，提高系统额定功率、可靠性和效率，具有成本低和高灵活性等优点。然而共直流母线与交流侧直接并联的设计形成了零序环流通路，当并联模块间存在硬件参数或是控制效果的差异时，控制系统将会产生零序环流。零序环流会带来额外的开关损耗、导致电感饱和并引起网侧电流畸变，降低系统效率的同时还会使功率开关管发热严重，甚至导致其烧毁。因此，环流抑制已成为并联PWM整流器的一个研究热点。
为抑制系统零序环流，国内外学者提出了多种控制方案，但是绝大部分都围绕着空间矢量调制算法进行的。模型预测控制具有控制思想简单、动态响应快、易于实现多目标控制等优势得到了学者们的广泛关注。然而，很少有学者利用模型预测控制控制并联PWM整流器系统存在的零序环流。此外，采用模型预测控制抑制零序环流势必会给控制器带来额外的计算负担。因此，研究一种能够提高环流控制精度和处理器计算时间减小的并联PWM整流器模型预测控制系统具有广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提供一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，用于并联整流器的环流抑制。
技术方案：一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，采样直流侧输出电压udc，通过电压PI控制器实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1 */id2 *；
步骤2：采样网侧三相电压eabc，通过锁相环模块得到相位角θ与整流器网侧d/q轴电压ed/eq，采样VSR1与VSR2交流侧输入电流iabc1与iabc2，通过PARK变换计算电流dq轴分量id1/iq1与id2/iq2；
步骤3：将7个虚拟矢量分别代入预测模型，在线计算下一时刻输入电流dq轴分量id1(k+1)/iq1(k+1)与id2(k+1)/iq2(k+1)；其中，所述7个虚拟矢量包括一个虚拟零矢量[0.50.5 0.5]和6个虚拟非零矢量[1 0.5 0]，[0.5 1 0]，[0 1 0.5]，[0 0.5 1]，[0.5 0 1]，[10 0.5]；
步骤4：根据控制目标构建价值函数g1与g2：
Figure BDA0002230546650000021
Figure BDA0002230546650000022
通过价值函数最小化模块优化价值函数g1与g2，将使得价值函数最小的虚拟矢量对应的三相桥臂占空比送入VSR1与VSR2的三相桥臂，进而获得期望的开关序列，控制并联PWM整流器网侧电流跟踪参考值。
进一步的，所述步骤1中，网侧d轴电流参考值的id1 */id2 *计算方法为：将参考电压ud * c与直流侧输出电压udc的差值eu输入电压PI控制器，根据公式(1)获得网侧d轴电流参考值id1 */id2 *；
Figure BDA0002230546650000023
式中，kp和ki分别为电压PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量，K为电流分配系数，且0<K<1。
进一步的，所述步骤3中，下一时刻输入电流dq轴分量id1(k+1)/iq1(k+1)与id2(k+1)/iq2(k+1)计算方法为：将所述ed/eq、id1/iq1、id2/iq2输入如式(2)所示的预测模型计算得到；
Figure BDA0002230546650000024
式中，Ts为采样周期，ω为网侧电压相角频率，L1为VSR1滤波电感值，R1为VSR1滤波电感内阻，L2为VSR2滤波电感值，R2为VSR2滤波电感内阻，ud1(k)/uq1(k)为应用于VSR1的虚拟电压矢量在dq坐标系下分量，ud2(k)/uq2(k)为应用于VSR2的虚拟矢量在dq坐标系下分量。
进一步的，所述虚拟零矢量[0.5 0.5 0.5]由两个零电压矢量[0 0 0]和[1 1 1]合成得到，虚拟非零矢量[1 0.5 0]由两个非零电压矢量[1 0 0]和[1 1 0]合成得到，虚拟非零矢量[0.5 1 0]由两个非零电压矢量[1 1 0]和[0 1 0]合成得到，虚拟非零矢量[0 10.5]由两个非零电压矢量[0 1 0]和[0 1 1]合成得到，虚拟非零矢量[0 0.5 1]由两个非零电压矢量[0 1 1]和[0 0 1]合成得到，虚拟非零矢量[0.5 0 1]由两个非零电压矢量[00 1]和[1 0 1]合成得到，虚拟非零矢量[1 0 0.5]由两个非零电压矢量[1 0 1]和[1 0 0]合成得到；其中，用于合成虚拟矢量的两个电压矢量在一个控制周期Ts中各作用0.5Ts；1，0.5与0代表占空比为100％，50％与0％。
有益效果：本发明的一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，根据矢量合成原理，将基本电压矢量两两合成，得到6个虚拟非零矢量与1个虚拟零矢量，进而采用基于虚拟矢量的模型预测电流控制算法实现并联PWM整流器的直流侧电压输出稳定、网侧电流正弦、单位功率因数以及零序环流抑制等控制要求。与常规方法不同的是，该方法无需增加硬件装置与闭环控制即可有效抑制零序环流，解决环流引起的输入电流畸变与不平衡等问题，提高系统可靠性和效率。具体优点如下：
1)通过本方法可有效抑制零序环流，提高系统效率与可靠性；
2)采用基于虚拟矢量的模型预测算法，可以固定开关频率，提高系统稳态性能；
3)模型预测控制算法可以有效提高系统动态性能与网侧电流跟踪精度；
4)无需增加任何额外硬件且无需采用闭环控制即可有效抑制零序环流，简化了控制系统，有利于降低系统成本；
5)直接从抑制环流通路出发，在各种工况下都可以有效抑制零序环流。
附图说明
图1是本发明的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法原理图，图中，1-直流侧电容与负载并联模块，2-PI控制器，3-网侧三相电压，4-锁相环模块，5-VSR1，6-VSR2，7-VSR1三相交流电流，8-VSR2三相交流电流，9-PARK变换，10-虚拟矢量，11-预测模型，12-价值函数最小化模块；
图2是本发明基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法中虚拟矢量合成方案；
图3是本发明基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法的网侧A相电压电网，VSR1交流电流ia1，VSR1交流电流ia2，网侧输入电流ia以及环流iz波形，此时L1＝2mH，L2＝5mH，且电流分配系数K＝0.5；
图4是本发明基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法的网侧A相电压电网，VSR1交流电流ia1，VSR1交流电流ia2，网侧输入电流ia以及环流iz波形，此时L1＝5mH，L2＝5mH，且电流分配系数K＝0.3；
图5是本发明基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法的网侧A相电压电网，VSR1交流电流ia1，VSR1交流电流ia2，网侧输入电流ia以及环流iz波形，此时L1＝2mH，L2＝5mH，且电流分配系数K＝0.3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，原理图如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，采样直流侧输出电压udc，将参考电压ud * c与实际电压udc的差值eu输入电压PI控制器，根据公式(1)获得网侧电流参考值id1 */id2 *：
Figure BDA0002230546650000041
式中，kp和ki分别为电压PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量，K为电流分配系数，且0<K<1。
步骤2：采样网侧三相电压eabc，通过锁相环模块得到相位角θ与整流器网侧d/q轴电压ed/eq，采样VSR1与VSR2交流侧输入电流iabc1与iabc2，通过PARK变换计算电流dq轴分量id1/iq1与id2/iq2。
步骤3：将7个虚拟矢量分别代入预测模型，在线计算下一时刻输入电流dq轴分量id1(k+1)/iq1(k+1)与id2(k+1)/iq2(k+1)。
其中，7个虚拟矢量包括一个虚拟零矢量[0.5 0.5 0.5]和6个虚拟非零矢量[10.5 0]，[0.5 1 0]，[0 1 0.5]，[0 0.5 1]，[0.5 0 1]，[1 0 0.5]。如图2所示，虚拟零矢量[0.5 0.5 0.5]由两个零电压矢量[0 0 0]和[1 1 1]合成得到，虚拟非零矢量[1 0.5 0]由两个非零电压矢量[1 0 0]和[1 1 0]合成得到，虚拟非零矢量[0.5 1 0]由两个非零电压矢量[1 1 0]和[0 1 0]合成得到，虚拟非零矢量[0 1 0.5]由两个非零电压矢量[0 1 0]和[0 1 1]合成得到，虚拟非零矢量[0 0.5 1]由两个非零电压矢量[0 1 1]和[0 0 1]合成得到，虚拟非零矢量[0.5 0 1]由两个非零电压矢量[0 0 1]和[1 0 1]合成得到，虚拟非零矢量[1 0 0.5]由两个非零电压矢量[1 0 1]和[1 0 0]合成得到。上述用于合成虚拟矢量的两个电压矢量在一个控制周期Ts中各作用0.5Ts，并且，1，0.5与0即代表占空比为100％，50％与0％。
下一时刻输入电流dq轴分量id1(k+1)/iq1(k+1)与id2(k+1)/iq2(k+1)计算方法为：将ed/eq，id1/iq1、id2/iq2输入如式(2)所示的预测模型得到；
Figure BDA0002230546650000051
式中，Ts为采样周期，ω为网侧电压相角频率，L1为VSR1滤波电感值，R1为VSR1滤波电感内阻，L2为VSR2滤波电感值，R2为VSR2滤波电感内阻，ud1(k)/uq1(k)为应用于VSR1的虚拟电压矢量在dq坐标系下分量，ud2(k)/uq2(k)为应用于VSR2的虚拟矢量在dq坐标系下分量。
步骤4：根据控制目标构建价值函数g1与g2：
Figure BDA0002230546650000052
Figure BDA0002230546650000053
通过价值函数最小化模块优化价值函数g1与g2，将使得价值函数最小的虚拟矢量对应的三相桥臂占空比送入VSR1与VSR2的三相桥臂，进而获得期望的开关序列，控制并联PWM整流器网侧电流跟踪参考值。
本发明采用基于虚拟矢量的模型预测控制方法可以有效抑制由于并联模块之间硬件参数或是控制效果差异而产生的零序环流。具体的：
定义环流正方向为由VSR1流向VSR2，根据基尔霍夫电压定律列写环流回路基本电压方程：
Figure BDA0002230546650000061
式中，iz为零序环流，dj1与dj2(j＝a，b，c)分别为VSR1与VSR2三相桥臂的占空比。
根据本发明中对虚拟矢量的定义，dj1与dj2仅有100％，50％与0％三种情况，并且任意两个虚拟矢量的组合皆满足如下关系：
Figure BDA0002230546650000062
再结合式(3)所示环流的数学模型，显然可以得到如下结论：采用基于虚拟矢量的模型预测控制可以在任意控制周期内保证零序环流的平均值为0，进而有效抑制零序环流。
当L1＝2mH，L2＝5mH，且电流分配系数K＝0.5时，实施本发明公开的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，网侧A相电压电网，VSR1交流电流ia1，VSR1交流电流ia2，网侧输入电流ia以及环流iz波形如图3所示，可以看出，当硬件参数存在不平衡时，网侧电压与电流基本同相位，系统运行于单位功率因数状态，并且，零序环流基本为0，得到了良好的抑制。
当L1＝L2＝5mH，且电流分配系数K＝0.3时，实施本发明公开的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，网侧A相电压电网，VSR1交流电流ia1，VSR1交流电流ia2，网侧输入电流ia以及环流iz波形如图4所示，可以看出，当并联整流器功率要求不平衡时，网侧电压与电流仍然同相位，系统运行于单位功率因数状态，零序环流获得了良好的抑制效果。
当L1＝2mH，L2＝5mH，且电流分配系数K＝0.3时，实施本发明公开的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，网侧A相电压电网，VSR1交流电流ia1，VSR1交流电流ia2，网侧输入电流ia以及环流iz波形如图5所示，可以看出，即使硬件参数与并联整流器功率要求都存在不平衡，系统同样可以运行于单位功率因数状态且零序环流抑制为0，验证了所公开的环流抑制方法的有效性。
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 (4)

1.一种基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在每一个控制周期中，采样直流侧输出电压udc，通过电压PI控制器实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1 */id2 *；
步骤2：采样网侧三相电压eabc，通过锁相环模块得到相位角θ与整流器网侧d/q轴电压ed/eq，采样VSR1与VSR2交流侧输入电流iabc1与iabc2，通过PARK变换计算电流dq轴分量id1/iq1与id2/iq2；
步骤3：将7个虚拟矢量分别代入预测模型，在线计算下一时刻输入电流dq轴分量id1(k+1)/iq1(k+1)与id2(k+1)/iq2(k+1)；其中，所述7个虚拟矢量包括一个虚拟零矢量[0.5 0.50.5]和6个虚拟非零矢量[1 0.5 0]，[0.5 1 0]，[0 1 0.5]，[0 0.5 1]，[0.5 0 1]，[1 00.5]；
步骤4：根据控制目标构建价值函数g1与g2：
Figure FDA0002847142460000011
Figure FDA0002847142460000012
通过价值函数最小化模块优化价值函数g1与g2，将使得价值函数最小的虚拟矢量对应的三相桥臂占空比送入VSR1与VSR2的三相桥臂，进而获得期望的开关序列，控制并联PWM整流器网侧电流跟踪参考值。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，其特征在于：所述步骤1中，网侧d轴电流参考值的id1 */id2 *计算方法为：将参考电压ud * c与直流侧输出电压udc的差值eu输入电压PI控制器，根据公式(1)获得网侧d轴电流参考值id1 */id2 *；
Figure FDA0002847142460000013
式中，kp和ki分别为电压PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量，K为电流分配系数，且0<K<1。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，其特征在于：所述步骤3中，下一时刻输入电流dq轴分量id1(k+1)/iq1(k+1)与id2(k+1)/iq2(k+1)计算方法为：将所述ed/eq、id1/iq1、id2/iq2输入如式(2)所示的预测模型计算得到；
Figure FDA0002847142460000021
式中，Ts为采样周期，ω为网侧电压相角频率，L1为VSR1滤波电感值，R1为VSR1滤波电感内阻，L2为VSR2滤波电感值，R2为VSR2滤波电感内阻，ud1(k)/uq1(k)为应用于VSR1的虚拟矢量在dq坐标系下分量，ud2(k)/uq2(k)为应用于VSR2的虚拟矢量在dq坐标系下分量。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟矢量的并联PWM整流器环流抑制方法，其特征在于：所述虚拟零矢量[0.5 0.5 0.5]由两个零电压矢量[0 0 0]和[1 1 1]合成得到，虚拟非零矢量[1 0.5 0]由两个非零电压矢量[1 0 0]和[1 1 0]合成得到，虚拟非零矢量[0.5 1 0]由两个非零电压矢量[1 1 0]和[0 1 0]合成得到，虚拟非零矢量[0 1 0.5]由两个非零电压矢量[0 1 0]和[0 1 1]合成得到，虚拟非零矢量[0 0.5 1]由两个非零电压矢量[0 1 1]和[0 0 1]合成得到，虚拟非零矢量[0.5 0 1]由两个非零电压矢量[0 0 1]和[1 0 1]合成得到，虚拟非零矢量[1 0 0.5]由两个非零电压矢量[1 0 1]和[1 0 0]合成得到；其中，用于合成虚拟矢量的两个电压矢量在一个控制周期Ts中各作用0.5Ts；1，0.5与0代表占空比为100％，50％与0％。
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