CN113131775B - 基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗pwm调制算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗PWM调制算法，包括以下系统模型，具体过程包括从控制器中获取ia(k)、ib(k)、ic(k),计算得到iα(k)、iβ(k)，系统模型根据iα(k)、iβ(k)以及从控制器中获取的Vdc计算得到v* α(k+1)和v* β(k+1)，通过零序信号注入，进行参考占空比计算，得到d* a、d* b、d* c,经过代价函数计算，最后生成三相两电平变频器的驱动信号Sa、Sb和Sc。本发明的基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗PWM调制算法具有以下优点：1)全攻略因数范围内，在电流最大处停止相应相位的开关动作；2)具有快速动态响应特性；3)系统效率高；4)减小传统模型预测控制方法的电流纹波。

Description

基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗PWM调制算法
技术领域
本发明属于电力电子变流技术领域，具体涉及基于模型预测的固 定开关频率最小开关损耗PWM调制算法。
背景技术
随着现代控制技术的发展，传统的比例积分(Proportional integral,PI)和比例谐振(Proportional resonance,PR)控制器， 已经不能满足高动态响应的应用场合。近些年来，基于模型预测的控 制技术在电力电子变换器中得到了广泛的应用。但是，现有的模型预 测控制技术在每一个控制周期只输出了一个开关状态，因此会导致较 大的电流谐波，从而使电力电子变换器的滤波器的设计变得更加复 杂。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明通过从控制器中获取ia(k)、ib(k)、 ic(k),计算得到iα(k)、iβ(k)，系统模型根据iα(k)、iβ(k)以及从控 制器中获取的Vdc计算得到v* α(k+1)和v* β(k+1)，通过零序信号注 入，进行参考占空比计算，得到d* a、d* b、d* c,经过代价函数计算，最后生成三相两电平变频器的驱动信号Sa、Sb和Sc。从而实现快速动 态响应特性，提高系统效率高，减小传统模型预测控制方法的电流纹 波。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于模型预测的固 定开关频率最小开关损耗PWM调制算法，包括以下系统模型：
Figure BDA0003025423860000021
其中L和R分别表示 负载电感和电阻值，Ts表示开关频率的周期，iα(k)表示在第k时刻 三相电流转换到α轴上的值：iβ(k)表示在第k时刻三相电流转换到β 轴上的值，v* β(k+1)表示在第k+1时刻β轴上参考电压值，v* α(k+1) 表示在第k+1时刻α轴上参考电压值，vα(k)表示在第k时刻α轴上 电压值，vβ(k)表示在第k时刻β轴上电压值；参考占空比da *,db *和 dc *表示为：
Figure BDA0003025423860000022
确定参考电压矢量所在扇区； 根据所在扇区的相邻矢量
Figure BDA0003025423860000023
和
Figure BDA0003025423860000024
及表达式：
Figure BDA0003025423860000025
重新表示参考占空比；得到
Figure BDA0003025423860000026
和
Figure BDA0003025423860000027
表达式为：
Figure BDA0003025423860000028
确定参考占空比之后，根据有 效矢量组合，重新确定实际执行的占空比：
Figure BDA0003025423860000031
变量k取值0或1， 由参考电压矢量所在扇区决定；根据代价函数的最小值确定最终所执 行的占空比：
Figure BDA0003025423860000032
最后，得到输出的占空比：
Figure BDA0003025423860000033
和调制电压：
Figure BDA0003025423860000034
作为上述技术方案的优选，所述参考电压矢量所在扇区通过扇区 分配策略确定。
作为上述技术方案的优选，所述所述扇区分配策略见图2，其中 (a)表示
Figure RE-GDA0003095245260000035
(b)表示
Figure RE-GDA0003095245260000036
(c)
Figure RE-GDA0003095245260000037
其中
Figure RE-GDA0003095245260000038
代表负载的功率因数角度，当参考电压矢量落于灰色区域时k取1, 当参考电压矢量落于白色区域时k取0。
本发明的有益效果是：本发明的基于模型预测的固定开关频率最 小开关损耗PWM调制算法，具有以下优点：
1)全攻略因数范围内，在电流最大处停止相应相位的开关动作；
2)具有快速动态响应特性；
3)系统效率高；
4)减小传统模型预测控制方法的电流纹波。
附图说明
图1是PWM调制算法合成示意图；
图2是扇区分配图；
图3是三相电压源变频器拓扑与控制框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、 “下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本 发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述 目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限 定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以 是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接， 也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以 具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗PWM调制，生成三相 两电平变频器的驱动信号Sa,Sb和Sc，如图1所示。三相电压源变频 器拓扑与控制框图如图3所示。其中的系统模型为：
Figure BDA0003025423860000051
其中L和R分别表示 负载电感和电阻值，Ts表示开关频率的周期，iα(k)表示在第k时刻 三相电流转换到α轴上的值：iβ(k)表示在第k时刻三相电流转换到β 轴上的值，v* β(k+1)表示在第k+1时刻β轴上参考电压值，v* α(k+1) 表示在第k+1时刻α轴上参考电压值，vα(k)表示在第k时刻α轴上 电压值，vβ(k)表示在第k时刻β轴上电压值；参考占空比da *,db *和 dc *表示为：
Figure BDA0003025423860000052
由图2确定参考电压矢量所 在扇区，图2中(a)表示
Figure BDA0003025423860000053
(b)表示
Figure BDA0003025423860000054
Figure BDA0003025423860000055
其中
Figure BDA0003025423860000056
代表负载的功率因数角度，当参考电压矢量落于 灰色区域时k取1,当参考电压矢量落于白色区域时k取0；根据所在 扇区的相邻矢量
Figure BDA0003025423860000061
和
Figure BDA0003025423860000062
及表达式：
Figure BDA0003025423860000063
重新表示参考占空比；得到
Figure BDA0003025423860000064
和
Figure BDA0003025423860000065
表达式为：
Figure BDA0003025423860000066
确定参考占空比之后，根据有 效矢量组合，重新确定实际执行的占空比：
Figure BDA0003025423860000067
变量k取值0或1， 变量k由图2中参考电压矢量所在扇区决定；根据代价函数的最小值 确定最终所执行的占空比：
Figure BDA0003025423860000068
最后，得到 输出的占空比：
Figure BDA0003025423860000069
和调制电压：
Figure BDA00030254238600000610
值得一提的是，本发明专利申请涉及的相电压源变频器的其他结 构等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原 理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择 即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步 具体展开详述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的 普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修 改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技 术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方 案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗PWM调制算法，其特征在于，包括有以下系统模型：
Figure FDA0003542286810000011
其中L和R分别表示负载电感和电阻值，Ts表示开关频率的周期，iα(k)表示在第k时刻三相电流转换到α轴上的值：iβ(k)表示在第k时刻三相电流转换到β轴上的值，v* β(k+1)表示在第k+1时刻β轴上参考电压值，v* α(k+1)表示在第k+1时刻α轴上参考电压值，vα(k)表示在第k时刻α轴上电压值，vβ(k)表示在第k时刻β轴上电压值；参考占空比da *,db *和dc *表示为：
Figure FDA0003542286810000012
确定参考电压矢量所在扇区；根据所在扇区的相邻矢量
Figure FDA0003542286810000013
和
Figure FDA0003542286810000014
及表达式：
Figure FDA0003542286810000015
重新表示参考占空比；得到di *,
Figure FDA0003542286810000016
和d7 *表达式为：
Figure FDA0003542286810000017
确定参考占空比之后，根据有效矢量组合，重新确定实际执行的占空比：
Figure FDA0003542286810000021
变量k取值0或1，由参考电压矢量所在扇区决定；根据代价函数的最小值确定最终所执行的占空比：
Figure FDA0003542286810000022
最后，得到输出的占空比：
Figure FDA0003542286810000023
和调制电压：
Figure FDA0003542286810000024
2.如权利要求1所述的基于模型预测的固定开关频率最小开关损耗PWM调制算法，其特征在于，所述参考电压矢量所在扇区通过扇区分配策略确定。
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