CN112260564B - 一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法，通过采样当前时刻信号，经过一系列处理得到不同开关状态下不同的下一时刻预测信号，分别与给定的参考信号进行比较，定义损失函数等于预测信号与参考信号差值的绝对值，选择损失函数最小时的开关状态作为控制信号，实现了系统输出电压一直跟随参考电压变化，不受负载变化影响的实验效果，也就是不间断电源的效果，具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束，能够给轨道交通机电系统用电设备提供高质量的、不间断电源，保证用电设备正常工作，保证列车安全高效运营。

Description

一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法
技术领域
本发明涉及电子电力领域，具体地涉及一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法。
背景技术
由于城市化的不断加快，使得城市中的人口流动性变得越来越大，城市交通压力越来越大。传统的公交系统的承载能力被快速达到瓶颈，与此同时车流的增加使得交通拥堵的频率增加，出勤效率大大降低。
而高速铁路、轻轨、磁悬浮等交通工具则为长途出行人群提供更快、更舒适、适应面更广的出行方式，城市轨道交通的出现不仅提高了城市土地集约化利用程度，减小人们的出行成本，提高人们的出行效率，还减少了汽车尾气排放，降低噪声污染，符合绿色环保的要求。
辅助变流器是轨道交通车辆上非常重要的组成部分，主要功能是将第三轨750V的直流电逆变为380V的交流电，为空调机组、电加热器、通风设备等三相负载和客室照明系统及控制系统设备供电。辅助变流器中的电力电子开关器件由晶闸管(SCR)经历大功率晶体管(GTR、BJT)和门极关断晶闸管(GTO)发展为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，大大提高了辅助变流器的可靠性。中高电压等级应用场合对功率变流器提出很高的要求，由于功率器件的耐受电压和开关频率受限，传统的两电平变流器无法满足此要求。从1980年D.A.Nbaea等人提出三电平变流器之后，多电平变流器广泛应用到高电压、大功率的变频调速系统之中。多电平变流器的结构不仅让系统中功率器件(如：IGBT)的承受电压有所降低，而且减少了变流器输出波形中的谐波含量，提高波形质量。
随着有高电压、大电流等特点的功率器件出现，采用这种结构的变流器也得到越来越广泛的应用。多电平变流器可以降低各元器件承受电压，有输出电压等级高、输出容量大、输出谐波含量少等优点，但其同时有结构较为复杂，器件较多，控制困难等缺点。如，传统轨道交通三电平辅助变流器的控制是通过比例积分(PI)控制器+PWM控制，而选择合适的PI参数需要大量的实验，同时传统的PI控制器+PWM控制方法动态性能慢。
发明内容
本发明提供了一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法，实现了系统输出电压一直跟随参考电压变化，不受负载变化影响的实验效果，也就是不间断电源的效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，包括设置在三电平变流器的a相与负载之间的第一LC滤波电路、设置在所述三电平变流器的b相与所述负载之间的第二LC滤波电路、设置在所述三电平变流器的c相与所述负载之间的第三LC滤波电路，所述第一LC滤波电路的第一电容与所述第二LC滤波电路的第二电容并联后与所述第三LC滤波电路的第三电容串联连接，还包括相互连接的信号采集器和电路控制器，所述信号采集器通过对k时刻所述a相、所述b相、所述c相对应的输出电容电压VCabc(k)、输出三相电流ifabc(k)和所述负载输出三相电流iOabc(k)，并经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，所述电路控制器根据所述三电平变流器不同开关状态下根的VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)以及获得输出电压VC二阶预测并考输出电压二阶项进行损失函数计算，
Figure GDA0003584775240000021
从中选择损失函数最小的开关状态作为对所述三电平变流器的开关状态控制输出；还包括直流侧分压电容采集器和电压差分计算器，所述直流侧分压电容采集器采集所述三电平变流器的分压电容电压值VC1(k)、VC2(k)，所述电压差分计算器与所述直流侧分压电容采集器连接，根据所述分压电容电压值VC1(k)、VC2(k)以及电压差分公式
Figure GDA0003584775240000031
并将获得的电压差分的绝对值按照预定的权重系数λ输出到所述电路控制器并加入到所述损失函数g中，作为新的损失函数输出；还包括与所述电压差分计算器、所述电路控制器连接的参数输入器，所述参数输入器用于输入所述三电平变流器的部件参数值、所述权重系数λ；
其中，TS为采样周期。
除此之外，本发明实施例还提供了一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法，采用如上所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，包括：
S1，采集采样k时刻电路中a、b、c三相输出电容电压VCabc(k)、变流器输出三相电流ifabc(k)和负载输出三相电流iOabc(k)；
S2，对所述三相输出电容电压VCabc(k)、所述变流器输出三相电流ifabc(k)和所述负载输出三相电流iOabc(k)经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，并令g∞ αβ＝∞；
S3，将所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统的三电平变流器的开关状态按照预定模式进行定义，形成包含分为27个开关状态的开关列表，将所述开关状态定义为j，j的取值为0～26，令j＝0；
S4，计算所述开关状态Vj Iαβ(k)；
S5，预测VCαβ(k+1)以及ifαβ(k+1)；
S6，计算iOαβ(k+1)；
S7，预测Vj Iαβ(k+2)；
S8，计算损失函数
Figure GDA0003584775240000032
其中，V* Cp(k+2)为参考值；
S9，判断gj αβ是否小于g∞ αβ；
若是，S10，g∞ αβ＝gj αβ，jαβ＝j，并判断j是否等于26；若否，S11，判断j是否等于26；
若j不等于26，则转S4，否则，结束；
还包括在所述S8与所述S9之间，还包括：
对所述三电平变流器的分压电容进行电压采集，获得Vj C1(k+1)、Vj C2(k+1)；
计算所述三电平变流器的中点箝位电流iO；
计算分压电容压差
Figure GDA0003584775240000041
将所述分压电容压差Vdiff取绝对值并赋予预定权重系数λ加到损失函数g中，使得
Figure GDA0003584775240000042
在所述S9之前，还包括：
输入所述权重系数λ以及所述三电平变流器的部件参数值；
其中，TS为采样周期。
本发明实施例提供的轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法，与现有技术相比较具有以下有益效果：
所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法，通过采样当前时刻信号，经过一系列处理得到不同开关状态下不同的下一时刻预测信号，分别与给定的参考信号进行比较，定义损失函数等于预测信号与参考信号差值的绝对值，选择损失函数最小时的开关状态作为控制信号，实现了系统输出电压一直跟随参考电压变化，不受负载变化影响的实验效果，也就是不间断电源的效果，具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束，能够给轨道交通机电系统用电设备提供高质量的、不间断电源，保证用电设备正常工作，保证列车安全高效运营。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统的三电平辅助变流器结构示意图；
图2为本申请提供的轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法的一个实施例的步骤流程示意图。
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。
如图1-3所示，图1为本发明提供的轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统的三电平辅助变流器结构示意图；图2为本申请提供的轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法的一个实施例的步骤流程示意图。
在一种具体实施方式中，本发明提供轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，包括设置在三电平变流器的a相与负载之间的第一LC滤波短电路、设置在所述三电平变流器的b相与所述负载之间的第二LC滤波电路、设置在所述三电平变流器的c相与所述负载之间的第三LC滤波电路，所述第一LC滤波电路的第一电容与所述第二滤波电路的第二电容并联后与所述第三滤波电路的第三电容串联连接，还包括相互连接的信号采集器和电路控制器，所述信号采集器通过对k时刻所述a相、所述b相、所述c相对应的输出电容电压VCabc(k)、输出三相电流ifabc(k)和所述负载输出三相电流iOabc(k)，并经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，所述电路控制器根据所述三电平变流器不同开关状态下根的VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)以及获得输出电压VC二阶预测并参考输出电压二阶项进行损失函数计算，
Figure GDA0003584775240000051
通过采样当前时刻信号，经过一系列处理得到不同开关状态下不同的下一时刻预测信号，分别与给定的参考信号进行比较，定义损失函数等于预测信号与参考信号差值的绝对值，选择损失函数最小时的开关状态作为控制信号，实现了系统输出电压一直跟随参考电压变化，不受负载变化影响的实验效果，也就是不间断电源的效果，具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束，能够给轨道交通机电系统用电设备提供高质量的、不间断电源，保证用电设备正常工作，保证列车安全高效运营。
本发明为二极管箝位型三电平变流器的模型预测控制，通过控制实现输出电压不受负载变化的影响，跟随参考电压变化的目的，达到不间断电源(UPS)的效果。图1所示拓扑结构由直流电源、分压电容、二极管箝位型三电平变流器、LC滤波部分和负载部分组成，通过控制功率开关器件IGBT的通断情况来控制输出电压的大小。
二极管箝位型三电平变流器的开关状态和输出状态的关系下表所示，其中1表示开关器件处于导通状态，0表示开关器件处于关断状态。当开关器件Sa1和Sa2处于导通状态，Sa3和Sa4处于关断状态时，A相与P点相连，A相对O点输出电压为Udc/2，定义此时输出状态为“P”；当开关器件Sa2和Sa3处于导通状态，Sa1和Sa4处于关断状态时，A相与O点相连，A相对O点输出电压为0，定义此时输出状态为“O”；当开关器件Sa1和Sa2处于关断状态，Sa3和Sa4处于导通状态时，A相与N点相连，A相对O点输出电压为-Udc/2，定义此时输出状态为“N”。
Figure GDA0003584775240000061
将每一相的开关状态等效为SA、SB、SC，用数字“1”表示“P”状态，数字“0”表示“O”状态，数字“-1”表示“N”状态，可以得到开关函数：
Figure GDA0003584775240000062
其中i为A、B、C。上述公式可以总计为：
Figure GDA0003584775240000071
图1中ifa、ifb和ifc为变流器输出三相电流，VIabc为变流器输出电压，iOa、iOb和iOc为负载输出电流，iCa、iCb和iCc为输出电容电流，VCabc为输出电容电压。
本发明中的轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统控制流程如下。实验中采样k时刻a、b、c三相输出电容电压VCabc(k)、变流器输出三相电流ifabc(k)和负载输出三相电流iOabc(k)，经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，VIαβ(k)是VIabc(k)经过Clarke变换得到的，VIabc(k)与开关状态S相关，具体关系如下：
Figure GDA0003584775240000072
根据图1中的拓扑结构可得公式：
Figure GDA0003584775240000073
Figure GDA0003584775240000074
对其进行离散化处理，
Figure GDA0003584775240000075
其中TS为采样周期。在αβ坐标系下，输出电容电压和变流器输出电流的一阶预测公式为：
Figure GDA0003584775240000076
Figure GDA0003584775240000081
由于VI和开关状态S有具体关联，在公式(6)中VC(k+1)和VI(k)没有关系，也就是和开关状态S没有直接公式关系，所以对输出电容电压VC进行二阶预测。
假设负载电流相对于采样频率变化缓慢，因此，如果预测时域足够小，那么这些电流可以近似为预测时域上的常数，此处只需考虑一个时间步长视界即可，采用如下假设：
iO(k+1)＝iO(k) (8)
在αβ坐标系下，输出电压VC二阶预测公式为：
Figure GDA0003584775240000082
公式(8)中iO(k+1)由公式(6)已知，VC(k+1)由公式(6)预测得到，if(k+1)由公式(7)预测得到，根据(7)可以看出if(k+1)和VI(k)相关，也就是VC(k+2)受开关状态S影响。
本发明中定义简单的损失函数g来对27个S开关矢量情况评估，本发明使用的损失函数评估了参考和预测的系统输出电压(输出电容电压)矢量差值绝对值的总和，即：
Figure GDA0003584775240000083
三电平变流器相较于传统的两电平变流器虽然有输出电压等级高、输出容量大、输出谐波含量少等优点，但也会带来结构较为复杂，器件较多，控制困难等缺点，可能会出现直流侧分压电容中点电位不平衡的问题。
为了解决这一技术问题，在本发明的一个实施例中，所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法还包括直流侧分压电容采集器和电压差分计算器，所述直流侧分压电容采集器采集所述三电平变流器的分压电容电压值VC1(k)、VC2(k)，所述电压差分计算器与所述直流侧分压电容采集器连接，根据所述分压电容电压值VC1(k)、VC2(k)以及电压差分公式
Figure GDA0003584775240000091
并将获得的电压差分的绝对值按照预定的权重系数λ输出到所述电路控制器并加入到所述损失函数g中，作为新的损失函数输出。
通过这种方式，在选择g最小情况下的开关组合S应用到二极管箝位型三电平变流器电路的控制中，在实现变流器输出电压跟随参考电压变化的同时，还可以平衡直流母线分压电容中点电压，输出效果更好的波形。
本发明中通过将变流器的开关组合采用动态控制，将每一组的开关组合进行二次定义，同时作为一种控制状态，在通过采用获得的参数计算损失函数，选择其中损失最小的一组，由于采样频率远高于电流本身的频率，使得在控制过程中，输出电压的波形能够最大限度跟随参考电压变化，而不受负载的影响，实现对列车输入最优质的电能，提高运行可靠性。
由于对于不同的系统，电容、直流电压、IGBT等的参数不同，而且不同的工作场合对应的要不同，使得在计算损失函数时有不同的变化，对于权重系数λ等参数可能会有不同的要求，为了解决这一问题，在本发明的一个实施例中，所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统还包括与所述电压差分计算器、所述电路控制器连接的参数输入器，所述参数输入器用于输入所述三电平变流器的部件参数值、所述权重系数λ。
除此之外，本发明实施例还提供了一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法，采用如上所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，包括：
S1，采集采样k时刻电路中a、b、c三相输出电容电压VCabc(k)、变流器输出三相电流ifabc(k)和负载输出三相电流iOabc(k)；
S2，对所述三相输出电容电压VCabc(k)、所述变流器输出三相电流ifabc(k)和所述负载输出三相电流iOabc(k)经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，并令g∞ αβ＝∞；
S3，将所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统的三电平变流器的开关状态按照预定模式进行定义，形成包含分为27个开关状态的开关列表，将所述开关状态定义为j，j的取值为0～26，令j＝0；
S4，计算所述开关状态Vj Iαβ(k)；
S5，预测VCαβ(k+1)以及ifαβ(k+1)；
S6，计算iOαβ(k+1)；
S7，预测Vj Iαβ(k+2)；
S8，计算损失函数
Figure GDA0003584775240000101
其中，V* Cp(k+2)为参考值；
S9，判断gj αβ是否小于g∞ αβ；
若是，S10，g∞ αβ＝gj αβ，jαβ＝j，并判断j是否等于26；若否，S11，判断j是否等于26；
若j不等于26，则转S4，否则，结束。
由于所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法，采用如上所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，因此具有相同的有益效果，本发明对此不作赘述。
三电平变流器相较于传统的两电平变流器虽然有输出电压等级高、输出容量大、输出谐波含量少等优点，但也会带来结构较为复杂，器件较多，控制困难等缺点，可能会出现直流侧分压电容中点电位不平衡的问题。
为了解决这一技术问题，在本发明的一个实施例中，所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法还包括在所述S8与所述S9之间，还包括：
对所述三电平变流器的分压电容进行电压采集，获得Vj C1(k+1)、Vj C2(k+1)；
计算所述三电平变流器的中点箝位电流iO；
计算分压电容压差
Figure GDA0003584775240000111
将所述分压电容压差Vdiff取绝对值并赋予预定权重系数λ加到损失函数g中，使得
Figure GDA0003584775240000112
由于对于不同的系统，电容、直流电压、IGBT等的参数不同，而且不同的工作场合对应的要不同，使得在计算损失函数时有不同的变化，对于权重系数λ等参数可能会有不同的要求，为了解决这一问题，在所述S9之前，所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法还包括：
输入所述权重系数λ以及所述三电平变流器的部件参数值。
综上所述，本发明实施例提供的所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统和方法，通过采样当前时刻信号，经过一系列处理得到不同开关状态下不同的下一时刻预测信号，分别与给定的参考信号进行比较，定义损失函数等于预测信号与参考信号差值的绝对值，选择损失函数最小时的开关状态作为控制信号，实现了系统输出电压一直跟随参考电压变化，不受负载变化影响的实验效果，也就是不间断电源的效果，具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性和并联性，并能方便的处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束，能够给轨道交通机电系统用电设备提供高质量的、不间断电源，保证用电设备正常工作，保证列车安全高效运营。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，其特征在于，包括设置在三电平变流器的a相与负载之间的第一LC滤波电路、设置在所述三电平变流器的b相与所述负载之间的第二LC滤波电路、设置在所述三电平变流器的c相与所述负载之间的第三LC滤波电路，所述第一LC滤波电路的第一电容与所述第二LC滤波电路的第二电容并联后与所述第三LC滤波电路的第三电容串联连接，还包括相互连接的信号采集器和电路控制器，所述信号采集器通过对k时刻所述a相、所述b相、所述c相对应的输出电容电压VCabc(k)、输出三相电流ifabc(k)和所述负载输出三相电流iOabc(k)，并经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，所述电路控制器根据所述三电平变流器不同开关状态下根的VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)以及获得输出电压VC二阶预测并参考输出电压二阶项进行损失函数计算，
Figure FDA0003610547810000011
从中选择损失函数最小的开关状态作为对所述三电平变流器的开关状态控制输出，还包括直流侧分压电容采集器和电压差分计算器，所述直流侧分压电容采集器采集所述三电平变流器的分压电容电压值VC1(k)、VC2(k)，所述电压差分计算器与所述直流侧分压电容采集器连接，根据所述分压电容电压值VC1(k)、VC2(k)以及电压差分公式
Figure FDA0003610547810000012
并将获得的电压差分的绝对值按照预定的权重系数λ输出到所述电路控制器并加入到所述损失函数g中，作为新的损失函数输出，还包括与所述电压差分计算器、所述电路控制器连接的参数输入器，所述参数输入器用于输入所述三电平变流器的部件参数值、所述权重系数λ；
其中，V* Cp(k+2)为参考值，iO为中点箝位电流，TS为采样周期。
2.一种轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制方法，其特征在于，采用如权利要求1所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统，包括：
S1，采集采样k时刻电路中a、b、c三相输出电容电压VCabc(k)、变流器输出三相电流ifabc(k)和负载输出三相电流iOabc(k)；
S2，对所述三相输出电容电压VCabc(k)、所述变流器输出三相电流ifabc(k)和所述负载输出三相电流iOabc(k)经过Clarke变换得到坐标系下对应变量VCαβ(k)、ifαβ(k)和iOαβ(k)，并令g∞ αβ＝∞；
S3，将所述轨道交通三电平辅助变流器模型预测控制系统的三电平变流器的开关状态按照预定模式进行定义，形成包含分为27个开关状态的开关列表，将所述开关状态定义为j，j的取值为0～26，令j＝0；
S4，计算所述开关状态Vj Iαβ(k)；
S5，预测VCαβ(k+1)以及ifαβ(k+1)；
S6，计算iOαβ(k+1)；
S7，预测Vj Iαβ(k+2)；
S8，计算损失函数
Figure FDA0003610547810000021
其中，V* Cp(k+2)为参考值；
S9，判断gj αβ是否小于g∞ αβ；
若是，S10，g∞ αβ＝gj αβ，jαβ＝j，并判断j是否等于26；若否，S11，判断j是否等于26；
若j不等于26，则转S4，否则，结束，
还包括在所述S8与所述S9之间，还包括：
对所述三电平变流器的分压电容进行电压采集，获得Vj C1(k+1)、Vj C2(k+1)；
计算所述三电平变流器的中点箝位电流iO；
计算分压电容压差
Figure FDA0003610547810000022
将所述分压电容压差Vdiff取绝对值并赋予预定权重系数λ加到损失函数g中，使得
Figure FDA0003610547810000023
在所述S9之前，还包括：
输入所述权重系数λ以及所述三电平变流器的部件参数值；
其中，TS为采样周期，iO为中点箝位电流。
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