CN113422526B - 基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法 - Google Patents

基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法，包括：S1：采用基尔霍夫电压定律和电流定律对开关等效电路图进行分析，从而建立单相三电平整流器数学模型；S2：在电流内环采用无差拍控制构成无差拍电流内环，以系统采样周期对单相三电平整流器数学模型中的交流电流状态方程进行离散化获得无差拍离散数学模型；S3：通过改进重复控制内模推导出电流内环传递函数，通过加入权重因子对电流内环传递函数进行改进获得改进重复控制策略；S4:将改进重复控制策略嵌入S2中的无差拍电流内环中构成完整的重复预测控制策略，从而实现对传统单相三电平整流器控制策略的优化。

Description

基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法
技术领域
本发明涉及单相三电平整流器电流内环控制技术领域，尤其涉及一种基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法。
背景技术
三电平整流器因其开关器件承受电压应力低、输出电压谐波小、等效开关频率高等优点，更能适应大功率应用场合，目前单相三电平整流器已广泛应用于我国动车组中。但由于单相整流器的结构特性导致直流侧电压中含有二倍电网频率的纹波，且大功率工况下常采用较低的开关频率，致使网侧电流的谐波很大，降低了牵引变流器的性能。因此单相三电平整流器大多采用基于直流电压外环、交流电流内环的双闭环控制结构。目前电流内环多采用直接电流控制、间接电流控制、dq旋转坐标系电流解耦控制等控制策略。
瞬态电流控制是一种典型的直接电流控制技术，本质上是一种双闭环控制和前馈控制相结合的控制技术，外环采用常规PI控制，并将负载电流作为前馈控制，有效减轻了外环PI控制器的负担，使控制系统对负载的变化迅速做出响应。内环常采用比例控制器，并将稳态分量us-uL-uR作为前馈扰动信号。预测电流控制则是另一种常见的内环控制技术，其本质则是一种无差拍预测电流控制技术，与瞬态电流控制相比，实际上是将内环比例系数设定为L/Ts的一种变形。传统的电流内环常采用P或PI控制，文献1将则采用了准PR控制作为内环控制器，有效削弱了网侧电流的低次谐波。文献2则是将内环比例谐振控制器进行了多重化设计，在电流控制器中加入了3、5、7次谐波的谐振项，构成了多重化准比例谐振控制器。文献3为抑制网侧电流中的3、5、7等奇次谐波，采用了奇次重复信号发生器取代了原有的重复控制器内模，对低次谐波产生了一定的抑制作用。
传统的双闭环比例控制对网侧谐波抑制能力较低、系统鲁棒性差，在开关频率较低的大功率牵引工况中表现并不理想。由于单相整流器的结构特性，其直流侧电压本身就存在二倍电网频率的纹波，如若不能抑制网侧电流的谐波，则会进一步加大直流侧电压的脉动。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法，具体包括如下步骤：
S1：定义理想开关函数，将单相三电平整流器电路等效为开关等效电路图，采用基尔霍夫电压定律和电流定律对开关等效电路图进行分析，从而建立单相三电平整流器数学模型；
S2：搭建电压电流双闭环控制系统，在电压外环采用常规PI控制，在电流内环采用无差拍控制构成无差拍电流内环，以系统采样周期对单相三电平整流器数学模型中的交流电流状态方程进行离散化获得无差拍离散数学模型；
S3：在传统双闭环控制系统的基础上，在电流内环加入重复控制策略，通过改进重复控制内模推导出电流内环传递函数，通过加入权重因子对电流内环传递函数进行改进获得改进重复控制策略；
S4:将改进重复控制策略嵌入S2中的无差拍电流内环中构成完整的重复预测控制策略，从而实现对传统单相三电平整流器控制策略的优化。
进一步的，对建立的单相三电平整流器数学模型的交流电流状态方程以系统采样周期Ts进行离散得到无差拍离散数学模型如下
Figure BDA0003206772480000021
令
Figure BDA0003206772480000022
对输入量电压取平均值，整理得到无差拍离散表达式
Figure BDA0003206772480000023
其中Is(k)为k时刻网侧交流电流值，Is(k+1)为(k+1)时刻网侧交流电流值，Us(k)为k时刻网侧电压值，Uin(k)为k时刻整流器输入端电压值，Rs、L分别为网侧等效电阻和等效电感，
Figure BDA0003206772480000024
为k时刻整流器输入端电压平均值，
Figure BDA0003206772480000025
为k时刻网侧电压平均值；
忽略电阻Rs，再将式(5)向前预测两拍获得
Figure BDA0003206772480000031
式中，
Figure BDA0003206772480000032
为(k+1)时刻整流器输入端电压预测值，
Figure BDA0003206772480000033
为k时刻整流器输入端电压预测值，
Figure BDA0003206772480000034
为(k+1)时刻网侧电压平均预测值，
Figure BDA0003206772480000035
为k时刻网侧电压平均预测值，
Figure BDA0003206772480000036
为(k+2)时刻网侧电流给定值。
进一步的，设改改进重复控制内模为
Figure BDA0003206772480000037
其中Q为小于1的常数或具有低通性质的函数；
结合重复控制电流环框图，可知被控对象P(z)＝z-1，延时一拍，因此设置Gf(z)＝z，由于Gf(z)与Gr(z)乘积为1，则超前相位补偿函数Gr(z)＝z-1，kr为超前相位补偿系数，
Figure BDA0003206772480000038
式中，
Figure BDA0003206772480000039
为k时刻网侧电流预测值；
根据式(8)写出内环传递函数为
Figure BDA00032067724800000310
加入权重因子r，则传递函数变为
Figure BDA00032067724800000311
进一步的，将重复控制嵌入无差拍电流环，得到完整的重复预测控制策略框图，可以求得Is(k)对于
Figure BDA00032067724800000312
的传递函数为：
Figure BDA00032067724800000313
式中，
Figure BDA00032067724800000314
为(k+1)时刻网侧电流预测值。
根据式(11)可得到完整的基于无差拍的重复预测控制电流环传递函数为：
Figure BDA00032067724800000315
在实际应用中，根据需求适当选取kr和r的值可以大大提高系统的稳定性。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法，该方法对双闭环控制策略的电流内环进行了改进，电流内环首先采用传统的无差拍控制策略，然后嵌入重复控制策略，最终构成了重复预测控制策略。该控制策略有效地减小了传统无差拍控制的预测误差，进一步降低了网侧电流的谐波含量，保证了单相三电平整流器的工作性能，并在加入权重因子后，大大提高了系统的鲁棒性能，实现了对传统单相三电平整流器控制策略的优化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图
图2为本发明中单相三电平整流器开关等效图
图3为本发明中单相三电平整流器双闭环控制系统框图
图4为本发明中重复控制电流环框图
图5为本发明中加入权重因子的重复控制电流环框图
图6为本发明中基于无差拍的重复预测电流环控制框图
图7为本发明中重复预测电流控制网侧电流波形图
图8为本发明中重复预测电流控制网侧电流畸变率图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示的一种基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法，具体包括如下步骤：
S1：定义理想开关函数，将单相三电平整流器电路等效为如图2所示的开关等效电路图，采用基尔霍夫电压定律和电流定律对开关等效电路图进行分析，从而建立单相三电平整流器数学模型。
S11：首先定义理想开关函数Si(i＝a,b)为
Figure BDA0003206772480000051
S12：将单相三电平整流器电路等效为开关等效电路图。
S13：对开关等效电路图采用基尔霍夫电压定律和电流定律，建立整流器数学模型如下
Figure BDA0003206772480000052
S2：搭建如图3所示的电压电流双闭环控制系统，在电压外环采用常规PI控制，在电流内环采用无差拍控制构成无差拍电流内环，以系统采样周期对单相三电平整流器数学模型中的交流电流状态方程进行离散化获得无差拍离散数学模型。
S21：对S13建立的整流器数学模型中的交流电流状态方程以系统采样周期Ts进行离散得到无差拍离散数学模型如下
Figure BDA0003206772480000053
S22：实际模型中由于采样周期Ts足够小，为方便控制系统设计可令
Figure BDA0003206772480000054
S23：对输入量电压取平均值，整理可得到无差拍离散表达式
Figure BDA0003206772480000055
其中Is(k)为k时刻网侧交流电流值，Is(k+1)为(k+1)时刻网侧交流电流值，Us(k)为k时刻网侧电压值，Uin(k)为k时刻整流器输入端电压值，Rs、L分别为网侧等效电阻和等效电感，
Figure BDA0003206772480000061
为k时刻整流器输入端电压平均值，
Figure BDA0003206772480000062
为k时刻网侧电压平均值。
S24：忽略电阻Rs，再将式(5)向前预测两拍可得
Figure BDA0003206772480000063
式中，
Figure BDA0003206772480000064
为(k+1)时刻整流器输入端电压预测值，
Figure BDA0003206772480000065
为k时刻整流器输入端电压预测值，
Figure BDA0003206772480000066
为(k+1)时刻网侧电压平均预测值，
Figure BDA0003206772480000067
为k时刻网侧电压平均预测值，
Figure BDA0003206772480000068
为(k+2)时刻网侧电流给定值。
S3：在传统双闭环控制系统的基础上，在电流内环加入重复控制策略。通过改进重复控制内模推导出电流内环传递函数，通过加入权重因子对电流内环传递函数进行改进获得改进重复控制策略。
S31：改进重复控制内模为
Figure BDA0003206772480000069
其中Q为小于1的常数或具有低通性质的函数。
S32：结合图4所示重复控制电流环框图，可知被控对象P(z)＝z-1，延时一拍，因此设置Gf(z)＝z。由于Gf(z)与Gr(z)乘积为1，则超前相位补偿函数Gr(z)＝z-1。kr为超前相位补偿系数。
S33：由S32可推出
Figure BDA00032067724800000610
式中，
Figure BDA00032067724800000611
为k时刻网侧电流预测值。
S34：根据式(8)可以写出内环传递函数为
Figure BDA00032067724800000612
S35：为提高系统的鲁棒性，考虑加入权重因子r，如图5所示，则S34中的传递函数变为
Figure BDA00032067724800000613
S4：如图6所示，将重复控制策略嵌入无差拍电流内环中构成完整的重复预测控制策略，从而实现对单相三电平整流器控制策略的优化。通过采用这种重复预测控制策略，可以得到如图7所示的网侧电流波形，其谐波含量如图8所示，与传统PI控制相比，谐波含量大大降低。
S41：将重复控制嵌入无差拍电流环，得到完整的重复预测控制策略框图，可以求得Is(k)对于
Figure BDA0003206772480000071
的传递函数为：
Figure BDA0003206772480000072
式中，
Figure BDA0003206772480000073
为(k+1)时刻网侧电流预测值。
S42：根据式(11)可得到完整的基于无差拍的重复预测控制电流环传递函数为：
Figure BDA0003206772480000074
在实际应用中，根据需求适当选取kr和r的值可以大大提高系统的稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[1]王娜.电力牵引变流器直流侧轻量化的网侧控制算法研究[D].西南交通大学,2013.
[2]宋可荐.交流机车PWM整流器谐波特性优化控制与调制算法研究[D].北京交通大学,2017.
[3]盛国宇.单相三电平PWM整流器网侧谐波特性分析及抑制[D].大连交通大学,2019.

Claims (1)

1.一种基于重复预测电流控制的单相三电平整流器控制方法，其特征在于：包括：
S1：定义理想开关函数，将单相三电平整流器电路等效为开关等效电路图，采用基尔霍夫电压定律和电流定律对开关等效电路图进行分析，从而建立单相三电平整流器数学模型；
S2：搭建电压电流双闭环控制系统，在电压外环采用常规PI控制，在电流内环采用无差拍控制构成无差拍电流内环，以系统采样周期对单相三电平整流器数学模型中的交流电流状态方程进行离散化获得无差拍离散数学模型；
S3：在传统双闭环控制系统的基础上，在电流内环加入重复控制策略，通过改进重复控制内模推导出电流内环传递函数，通过加入权重因子对电流内环传递函数进行改进获得改进重复控制策略；
S4:将改进重复控制策略嵌入S2中的无差拍电流内环中构成完整的重复预测控制策略，从而实现对传统单相三电平整流器控制策略的优化；
对建立的单相三电平整流器数学模型的交流电流状态方程以系统采样周期Ts进行离散得到无差拍离散数学模型如下
Figure FDA0003880795110000011
令
Figure FDA0003880795110000012
对输入量电压取平均值，整理得到无差拍离散表达式
Figure FDA0003880795110000013
其中Is(k)为k时刻网侧交流电流值，Is(k+1)为(k+1)时刻网侧交流电流值，Us(k)为k时刻网侧电压值，Uin(k)为k时刻整流器输入端电压值，Rs、L分别为网侧等效电阻和等效电感，
Figure FDA0003880795110000014
为k时刻整流器输入端电压平均值，
Figure FDA0003880795110000015
为k时刻网侧电压平均值；
忽略电阻Rs，再将式(5)向前预测两拍获得
Figure FDA0003880795110000021
式中，
Figure FDA0003880795110000022
为(k+1)时刻整流器输入端电压预测值，
Figure FDA0003880795110000023
为k时刻整流器输入端电压预测值，
Figure FDA0003880795110000024
为(k+1)时刻网侧电压平均预测值，
Figure FDA0003880795110000025
为k时刻网侧电压平均预测值，
Figure FDA0003880795110000026
为(k+2)时刻网侧电流给定值；
设改进重复控制内模为
Figure FDA0003880795110000027
其中Q为小于1的常数或具有低通性质的函数；
结合重复控制电流环框图，可知被控对象P(z)＝z-1，延时一拍，因此设置Gf(z)＝z，由于Gf(z)与Gr(z)乘积为1，则超前相位补偿函数Gr(z)＝z-1，kr为超前相位补偿系数，
Figure FDA0003880795110000028
式中，
Figure FDA0003880795110000029
为k时刻网侧电流预测值；
根据式(8)写出内环传递函数为
Figure FDA00038807951100000210
加入权重因子r，则传递函数变为
Figure FDA00038807951100000211
将改进重复控制策略嵌入无差拍电流环，得到完整的重复预测控制策略求得Is(k)对于
Figure FDA00038807951100000212
的传递函数为：
Figure FDA00038807951100000213
式中，
Figure FDA00038807951100000214
为(k+1)时刻网侧电流预测值；
根据式(11)得到完整的基于无差拍的重复预测控制电流环传递函数为：
Figure FDA00038807951100000215
根据需求选取kr和r的取值。
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