CN113422501A - 使用Vienna整流器的12脉冲整流器DC-MPC电流矫正方法 - Google Patents

使用Vienna整流器的12脉冲整流器DC-MPC电流矫正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用Vienna整流器的12脉冲整流器DC‑MPC电流矫正方法；所述整流器的电流矫正结构由三电平T型Vienna整流器并联12脉冲不控整流器构成。所述矫正方法首先通过功率占比反馈修正电压外环参考值从而获得无电流畸变的T型Vienna整流器参考有功功率。功率内环的占空比模型预测控制(DC‑MPC)方法先筛选出利于控制中点电位平衡的备选矢量，接着通过滚动优化获得价值函数最优的第一矢量，最后针对第一矢量控制时间筛选出符合要求的第二矢量，最终得到占空比。DC‑MPC方法提高了T型Vienna电流控制稳态下的控制精度，带功率占比控制的电压外环解决了电流畸变，从而提高了所述结构的电流矫正效果。

Description

使用Vienna整流器的12脉冲整流器DC-MPC电流矫正方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器及其控制技术，特别涉及一种基于占空比模型预测控制12脉冲整流器电流矫正方法。
背景技术
随着电力电子装置应用在越来越多的工业领域，电网的谐波问题愈发凸出。实现电力电子装置尤其是整流装置的高功率因数、低谐波含量成为研究的热点问题。在大功率应用场合中，对三相整流器的需求是：高效、可靠、易于控制和高质量的输入电流。传统的三相二极管不可控整流器具有高可靠性、拓扑结构简单、低成本等特点，在整流电源中尤其是大功率场合应用十分广泛。但是传统二极管整流器的输入侧电流谐波含量达到了大约30％，这并不符合国际标准(IEC 61000-3-2/61000-3-4)。
Vienna整流器比传统的三相整流器，开关管数量更少，开关器件只承受一半的输出电压，电路拓扑简单，且不存在死区时间引起的电流谐波等优点，成为了国内外学者的研究热点。其不仅继承了传统三相整流器结构简单的优势，而且具有高电流质量、高功率因数等特点。
12脉冲整流器电流矫正方法采用T型Vienna整流器作为有源整流器。在这种电流矫正结构中，无源整流器向直流侧负载提供大量功率，Vienna整流器通过对12脉冲整流器输入电流进行有源滤波，从而抑制无源整流器注入的谐波。但是，Vienna整流器是一种单向变换器，因此不能在源电压大于零时通过小于零的电流，这会导致不必要的电流畸变，同时Vienna整流器传统控制方法稳态控制精度不够，这些都影响了电流矫正效果。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种使用Vienna整流器的12脉冲整流器占空比控制模型预测电流矫正方法。
本发明所提供的基于占空比控制的模型预测控制(DC-MPC)方法基于T型Vienna整流器结构，与12脉冲整流器并联。Vienna整流器产生不控整流器部分与无电流畸变的理想正弦的总输入电流的差值，进而矫正12脉冲整流器输入电流波形。
在所述的应用对象中，本发明实例所述矫正结构控制方法由抑制电流畸变的带功率占比控制的电压外环和基于DC-MPC的功率内环构成，12脉冲整流器电流矫正结构的电压外环输出为：
Figure BDA0003131269260000031
所述电流矫正方法中T型Vienna整流器的内环控制方法为DC- MPC控制方法，在TVNR的MPC方法中加入了第二控制矢量从而生成控制占空比，所述包含第一、第二矢量筛选及作用时间滚动优化计算过程。
附图说明
图1是12脉冲整流器电流矫正结构图；
图2是T型Vienna整流器结构图；
图3是恒功率比控制策略框图；
图4是12脉冲整流器结构理想工作电流示意图；
图5是使用Vienna整流器的12脉冲整流器DC-MPC电流矫正系统结构框图；
图6是占空比优化控制流程图。
具体实施方式
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例来做进一步的解释说明，实施例中并不构成对本发明实施例的限定。
在本发明实例中，12脉冲不控整流器通过与基于DC-MPC的T 型Vienna整流器(T-type Vienna rectifier,TVNR)并联，通过控制TVNR 的电流矫正输入电流为正弦，如图1所示即为本文所提12脉冲整流器电流矫正拓扑结构。
12脉冲不控整流输入电流矫正后的理想工作电流如图4所示， ij＝ijS+ijT，由于12脉冲不控整流电路和T型Vienna整流器电路结构不同，所以两部分的电流变化率不同。12脉冲整流器会注入12k+1次谐波，而本文所提的12脉冲整流器输入电流矫正结构中TVNR对12脉冲整流器的输入电流提供有源滤波功能；同时它可以为特定应用场合提供双极直流输出电压；最后，它提供一部分负荷功率，从而可以更好地缓解谐波。
以下叙述电流矫正结构有关带无电流畸变的功率分配比电压外环控制方法：
与维也纳整流器有关的有功功率必须设置到一个特定比例，以便能够获得无畸变的输入电流。此比例可根据恒功率比控制策略确定：在该策略中，12脉冲整流器和维也纳整流器之间的功率比在所有运行条件下都保持不变。使用该策略需要额外的控制回路来修正不同工作点处的直流环节参考电压，即通过控制直流侧电压来控制TVNR输入功率和12脉冲整流器之间的输出功率。
恒功率比控制策略中有功功率参考值的表达式为：
Figure BDA0003131269260000041
式中：dp为功率比
因此，输出功率占比(定义为12脉冲整流器输出功率与总输出功率之比)可以通过输出直流电压控制回路来控制。图3显示了实现此策略的控制结构框图。
以下叙述矫正结构中TVNR的功率内环DC-MPC控制方法
步骤1：获取k时刻瞬时有功功率pk、无功功率qk、理想有功功率pref、扇区分布N、中点电位dVdc；
步骤2：筛选出利于当前中点电位平衡的矢量作为备选矢量；在进行矢量筛选时，先判定直流侧中点电位的状态，以主扇区1为例阐述(其余扇区类似)，若中点电位大于零，则应该选择能抑制中点电位的短矢量(poo)的作为备选矢量。因此，若最优矢量为短矢量，则根据当前中点电位的状态来选择合适的短矢量，这样就能有效实现对 Vienna整流器中点电位的平衡控制。
步骤3：遍历计算价值函数，取最优的矢量为第一矢量；
TVNR输入电流静止坐标系下的微分表达式为：
Figure BDA0003131269260000051
直流侧电流io表达式为：
Figure BDA0003131269260000052
根据瞬时功率理论，第k个采样周期的瞬时功率变化率可以表示为：
Figure BDA0003131269260000053
式中：um＝-eαuα-eβuβ；un＝-eβuα+eαuβ
根据前向欧拉公式对TVNR功率微分方程式(3)进行离散化，得p和q在k+1时刻的预测值为：
Figure BDA0003131269260000054
若考虑中点平衡控制，将式(2)离散化得直流侧中点电位得预测模型为：
Figure BDA0003131269260000055
价值函数J表达式为：
Figure BDA0003131269260000056
但在筛选完有利中点平衡控制的矢量后，DC-MPC的价值函数则只需要考虑功率控制，式子(6)则可以改写为：
J＝(pref-pk+1)2+(qref-qk+1)2 (7)
对备选矢量遍历计算式(7)即可得到目标第一矢量。
步骤4：以零矢量和剩余备选矢量为控制集，遍历计算第一矢量控制时间，取符合占空比控制范围的矢量作为第二矢量；
单一矢量控制下，最优矢量作用后所得的预测值在某些情况下与指定的参考值仍有较大差距，控制目标就会有较大波动，影响电流矫正性能。为了防止这一问题，将开关周期分为2个区间，引入第二矢量，通过分配两种矢量的作用时间就可以实现被控量的预测值灵活调节，准确跟踪参考值。控制集中，选择主扇区内的零矢量作为第二矢量优先集，为了防止第一矢量作用时间t1出现小于零或者溢出开关周期的情况，可将第二矢量的选择范围进行扩大，将步骤3中剩余备选矢量纳入控制集。以下阐述滚动优化筛选第二矢量及作用时间计算过程。
假设功率斜率在采样周期相当短的一段时间内的保持一定，则在控制周期结束时有功功率和无功功率可以表示为：
Figure BDA0003131269260000061
式中：kp1和kp2分别为最优矢量和零矢量作用时有功功率斜率， t2为第二矢量作用时间。
式(8)中可将功率预测值和参考值之间的误差表示为：
Figure BDA0003131269260000062
以最小功率定义价值函数，使价值函数最小化，即
Figure BDA0003131269260000071
通过式(10)求出最优矢量的最优作用时间为：
Figure BDA0003131269260000072
占空比优化的流程图如图6所示
步骤5：输出占空比。
计算出t1，通过t1i/Ts即可在固定的开关频率下产生PWM开关信号。

Claims (3)

1.一种使用Vienna整流器的12脉冲整流器占空比模型预测电流矫正方法，该整流器电流矫正结构由12脉冲不控整流器与三电平T型Vienna整流器并联构成，控制方法主要包含：
应用于12脉冲整流器电流矫正结构的带无电流畸变的功率分配比电压外环控制方法；
应用于T型Vienna整流器的占空比控制模型预测电流控制方法。
2.根据权利1所述发明实例应用对象和控制方法，12脉冲整流器电流矫正结构的无电流畸变功率分配比控制方法通过修正电压外环参考值实现，则电压外环产生的参考功率为：
Figure FDA0003131269250000011
。
3.根据权利1所述发明实例应用对象和控制方法，所述电流矫正方法中T型Vienna整流器DC-MPC电流控制方法包含：
步骤1：获取k时刻瞬时有功功率pk、无功功率qk、理想有功功率pref、扇区分布N、中点电位dVdc；
步骤2：筛选出利于当前中点电位平衡的矢量作为备选矢量；
步骤3：遍历计算价值函数，取最优的矢量为第一矢量；
步骤4：以零矢量和剩余备选矢量为控制集，遍历计算第一矢量控制时间，取符合占空比控制范围的矢量作为第二矢量，第一矢量控制时间为：
Figure FDA0003131269250000012
步骤5：输出占空比t1i/Ts。
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