CN115765503A - 基于扰动观测器的模型预测电流控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于扰动观测器的模型预测电流控制方法及装置，该方法考虑不平衡电网，根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值；将采样得到交流电网三相电流变换到两相静止坐标系下得到电网电流，根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压得出扰动电压；在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压和预测的电网电流，并对扰动观测器的控制函数增益和需要整定的参数进行设计；对扰动观测器中含有的估计电感误差进行计算；利用电流参考值、估计扰动电压、预测的电网电流及电网电压经过电流预测控制得到控制电压，控制电压经过SVM产生开关信号以控制整流器。本发明解决传统模型预测控制方案不能用于两相静止坐标系以及不适用于不平衡电网的问题。

Description

基于扰动观测器的模型预测电流控制方法及装置

技术领域

本申请属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于扰动观测器的模型预测电流控制方法及装置。

背景技术

扰动观测器能够实时观测出参数变化引起的扰动，将观测出的扰动加入原控制算法，可以实时补偿扰动带来的误差。

传统方案大多是在两相同步旋转坐标系下实现的，但是PWM整流器的很多控制方法是在两相静止坐标系下实现的，在静止坐标系下设计扰动观测器很有必要。在PWM整流器模型预测控制中，模型电流预测控制比模型功率预测控制要简单一些，因此大部分扰动观测器都是基于电流设计的，但这些方法都是在平衡电网下实现，其在不平衡电网下的可用性需要进一步验证。

目前尚没有较好的方法能够同时满足：1)在两相静止坐标系下实现；2)适用于不平衡电网。因此，需要开发出一种简单实用的方法，以在获取更好的控制性能的同时提高方法的通用性和实用性。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种基于扰动观测器的模型预测电流控制方法及装置，用以解决或部分解决上述技术问题。

基于上述目的，本申请的第一方面提供了一种基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，包括：

将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；

通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref；

将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β，根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d；

在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

和预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计；

对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算；

利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。

本申请的第二方面提供了一种基于扰动观测器的模型预测电流控制装置，采样第一方面或其任意可能实现方式的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，包括：

第一变换模块，用于将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；

电流参考值计算模块，用于通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref；

第二变换模块，用于将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β；

扰动电压计算模块，用于根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d；

参数设计模块，用于在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

和预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计；

电感误差估计模块，用于对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算；

控制电压处理模块，用于利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。

本申请的第三方面提出了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法。

本申请的第四方面提出了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行实现第一方面所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法。

从上面所述可以看出，本申请提供的技术方案，将采样得到交流电网三相电压变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压；通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压和电压延迟信号，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值；将采样得到交流电网三相电流变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流，根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压得出扰动电压；在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压和预测的电网电流，并对扰动观测器的控制函数增益和需要整定的参数进行设计；对扰动观测器中含有的估计电感误差进行计算；利用电流参考值、估计扰动电压、预测的电网电流及电网电压经过电流预测控制得到控制电压，控制电压经过SVM产生开关信号以控制整流器。本发明解决了传统模型预测控制方案不能用于两相静止坐标系以及不适用于不平衡电网的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的PWM整流器的硬件电路示意图；

图2为本发明实施例中的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法的原理框图；

图3是基于扰动观测器的模型预测电流控制在电网由平衡到a相电压跌落50％的实验结果；

图4是基于扰动观测器的模型预测电流控制在电网由平衡到三相电压同时跌落50％的实验结果；

图5是基于扰动观测器的模型预测电流控制在电网电压a相跌落50％时突加载的实验结果；

图6是传统模型预测电流控制在模型电感为2mH时的功率阶跃实验结果；

图7是基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为2mH时的功率阶跃实验结果；

图8是传统模型预测电流控制在模型电感为30mH时的功率阶跃实验结果；

图9是基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为30mH时的功率阶跃实验结果；

图10是畸变电网下基于扰动观测器的模型预测电流控制突加载实验结果；

图11是畸变电网下传统模型预测电流控制在模型电感为2mH时的功率阶跃实验结果；

图12是畸变电网下基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为2mH时的功率阶跃实验结果；

图13是畸变电网下传统模型预测电流控制在模型电感为30mH时的功率阶跃实验结果；

图14是畸变电网下基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为30mH时的功率阶跃实验结果；

图15为本发明实施例的基于扰动观测器的模型预测电流控制装置示意图；

图16为本申请实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

相关技术中，《Adaptive Estimation of Three-Phase Grid VoltageParameters Under Unbalanced Faults and Harmonic Disturbances》提出了扰动观测器用于不平衡电网下，然而，它们通常用于估算或预测电网电压的基波和谐波分量。相关技术中，《Offset-Free One-Step Ahead State Predictor for Power ElectronicApplications Using Robust Proportional–Integral Observer》提出了比例积分观测器，提前一步预测，消除了稳态时的误差，但是积分对于交流扰动不能无差跟踪。在实际应用中，PWM整流器可能运行在平衡电网，也有可能运行在不平衡电网。对于弱电网来说，15％的单相电压跌落非常普遍，所以在不平衡电网下设计扰动观测器很有必要。

现阶段尚没有较好的方法能够同时满足：1)在两相静止坐标系下实现；2)适用于不平衡电网。有鉴于此，为了解决传统扰动观测器控制方法用于PWM整流器时，不能用于两相静止坐标系下以及不适用于不平衡电网的问题，本发明实施例提供一种基于扰动观测器的模型预测电流控制方案。以下为本发明实施例的具体内容。

参见图1，本发明实施例的硬件电路结构图，包括三相电压源、三相电阻、三相滤波电感、三相二极管整流桥、直流侧电容、直流侧负载、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路。电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧电压及交流侧a、b相电压电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号。DSP控制器完成本发明所提出方法的运算，输出六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到PWM整流器的六个开关管的最终驱动信号。

参见图2为本发明的控制原理框图，本实施例的基于扰动观测器的模型预测电流控制在图1的DSP控制器上按照如下步骤实现：

步骤1：将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref。

具体的，采用等幅值变换的Clark公式，将三相电压e_a,e_b,e_c和三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，变化矩阵如下：

将两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β变换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下的电网电压e_d,e_q，变换矩阵为：

在不平衡电网下，两相静止坐标系中的电网电压e可以分为正序电压e_p和负序电压e_n。

不平衡电网电压表达式为：

e＝e_p+e_n

将e＝e_p+e_n变换到两相旋转坐标系下：

式中，

表示两相旋转坐标系下的正序电压，

表示两相旋转坐标系下的负序电压，e代表欧拉数，j代表虚部符号，ω＝2πf＝314。

具体的，不平衡电网下的电压延迟信号e′表示如下：

对e＝e_p+e_n求导得到不平衡电网下的电压微分为：

在平衡电网下，负序分量为零，故根据上式可以得到平衡电网下的电压微分：

对于不平衡电网，首先要通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′。

本实施例中，在不平衡电网下对于PWM整流器来说，控制目标有保持网侧电流正弦且对称、保持有功恒定和电流正弦、保持无功恒定和电流正弦、输入输出功率控制等。本实施例以选取保持有功恒定和电流正弦为控制目标，为实现目标，需要在原来的功率参考值加上相应的补偿值。功率补偿值S^com为：

式中，P^ref表示有功功率参考值，有功功率参考值通过保持直流侧电压恒定的PI获得。

本实施例中，由于e⊙e′在平衡电网下等于零，S^com在平衡电网和不平衡电网下都是适用的，得到功率补偿值后，可以计算功率参考值：

S^ref＝P^ref+jQ^ref+S^com

式中，Q^ref表示无功功率参考值。

本实施例中，为了实现单位功率因数，无功功率参考值Q^ref被设为零。从

和S^ref＝P^ref+jQ^ref+S^com，可以看出波动的虚部分量被加入原功率参考值。加入功率补偿后，无功功率参考值开始波动，两式结合：

由

可以得到e^k+1和(e′)^k+1：

e^k+1＝e^k-ωT_sc(e′)^k

(e′)^k+1＝(e′)^k+ωT_sce^k

式中，T_sc表示采样时间，k表示当前采样时刻，k+1表示下一个采样时刻。

本实施例中，在数字实现时，存在一拍延时，应该提前一步预测，消除一拍延时带来的影响。所以需要计算k+1时刻整流器侧电压υ^k+1。首先计算k+2时刻的功率参考值：

式中，(e′)^k+2和e^k+2可以通过e^k+1＝e^k-ωT_sc(e′)^k和(e′)^k+1＝(e′)^k+ωT_sce^k分别再预测一步得到；k+2时刻的电流参考值为：

步骤2：将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β，根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d。

具体的，根据PWM整流器在两相静止坐标系下的复矢量数学模型，整理成以电流为状态变量的状态方程的表达式：

式中，R表示网侧三相电阻，L表示网侧三相电感，t表示微分时间，e和i分别表示电网电压和电网电流，υ表示控制电压。

将

采用欧拉一阶前项离散化得：

假设下一采样周期时，整流器侧电压强迫实际电流达到电流参考值，即i^k+1＝i^ref，得到k时刻整流器侧电压：

考虑到实际系统中参数变化，控制器中的估计电感和估计电阻定义为：

式中，△L和△R是估计电感的误差和估计电阻的误差。

在实际应用中，用

和

来计算整流器侧电压υ^k，可以得到：

用

代替

中的υ^k得到：

即：

如果△R＝0，△L＝0，则可以得到i^k+1＝i^ref。

本实施例中，在稳态时有i^k+1≈i^k，可以得到：

根据

用估计的电感和电阻值提前一步预测：

式中，u_d为扰动电压，补偿参数不匹配带来的影响。

本实施例中，为了使

和

计算出的i^k+1相同。将两式相减得：

求解上式得到扰动电压

得：

在不平衡电网下，u_d可以分解为正序电压u_dp和负序电压u_dn：

步骤3：在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计。

具体的，考虑到系统中的参数变化，△L和△R是未知的，导致u_d不能直接得到。因此在离散域设计扰动观测器来观测扰动，观测器方程可以设计为：

式中，

为控制函数，

为估计的扰动电压，

为估计的扰动电压

的正负序，λ为控制函数增益。

由

减去

得到电流误差：

式中，

需要注意的是

中用i^k代替

是为了消除

的影响，简化观测器设计。

本实施例中，设误差估计函数呈指数衰减：

式中，q>0，是需要设计的参数。结合

得到：

将

视为扰动，则控制函数可以选为：

根据

和

可以得到：

根据上式可以得到下面的传递函数：

式中，z表示离散域。

其中，F(z)的极点为：p＝1-qT_sc；根据稳定性定理，|p|<1，因此

只要q满足上式，

中估计的电流就是稳定的。

本实施例中，分析扰动观测器的收敛性和观测器参数q和λ过程如下：

首先分析估计扰动电压和实际的扰动电压的关系，根据

和

可以得到：

可以看出u_o是e_rru的低通滤波值，由于估计扰动电压的正负序分量

可以由u_o重构出。q越大，动态响应越快，而q越小，滤除噪音效果越好，因此需要选取一个合适的q。

具体的，根据

和

可得u_o：

根据上两式，同时考虑

与u_d之间的关系见下式：

式中，

本实施例中，由于采样周期T_sc比较小，cos(ω_gT_sc)≈1，则可以求得J(z)的极点：

假设：8λ-qT_sc＝qT_sc，p^1,2可以简化为：

根据

和考虑到

阻尼比可以设为

调整时间计算如下：

一旦调整时间确定，q也可以确定，同时λ根据8λ-qT_sc＝qT_sc也可以得到：

步骤4：对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算。

具体的，根据

电感误差项△L存在于u_d的表达式中。同时扰动观测器的设计同样需要△L，在动态过程中(如功率阶跃)，会产生较大的扰动，这会恶化动态性能，因此有必要在线估计△L。

根据

为了计算△L，必须要消除△R对电感估计的影响，考虑

可以得到下面的方程：

从上式求得△L表达式：

在实际应用，为了避免

需要对其大小做一定的限制。然而直计算△L会导致对噪声敏感，采用积分可以消除这个影响：

式中，h>0是积分增益。在电感估计不匹配时，估计电感可以表示为：

式中，

为网侧电感参数初始值，可以用电感表测量得到。采用提出的电感估计方法，

和实际电感L的误差可以在线减小。因此，这种方法不需要精确的电感值。

具体的，由

和上式得到电感误差为：

根据

和

和

之间的关系确定为：

可以看出初始估计误差

经过低通滤波可以得到

低通滤波器的带宽为h。在实际系统中，电感不会发生突变。较小的h可以得到圆滑的

此外，低通滤波器的引入可以保证电感估计的外环工作速度比内环扰动观测器慢，这有助于两个环路解耦控制。

步骤5：利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。

具体的，为了电流i在下一个采样周期达到参考值，根据

求得整流器侧电压：

再根据

可以得到：

由于

是未知的，在

中可用观测器得到的

代替

计算整流器侧电压。

从

和

可知

和

可以得到，在参数不匹配时，设计的观测器可以准确的跟踪实际电流，因此，在延时补偿中，用

和

来代替i^k+1和

实际中由于R很小，可以认为

最后带有延时补偿的控制电压υ^k+1的表达式为：

从而得到整流器侧电压后，用SVM产生开关信号控制整流器。

本发明所提出技术方案的有效性可以通过图3、图4、图5、图10，以及对比图6、图7，对比图8、图9，对比图11、图12和对比图13、图14所示的实验结果得出。

参见图3，为基于扰动观测器的模型预测电流控制在电网由平衡到不平衡实验波形。其中有功功率指令值为1000W，在0.05s时a相电压跌落50％。电网电压为理想电压时，有功功率和无功功率恒定，电流正弦。在电压跌落时，有功功率经过较小跌落迅速跟踪上参考值，无功发生二倍频波动，电流依然正弦，无尖峰存在。

参见图4，为基于扰动观测器的模型预测电流控制在电网电压三相同时跌落50％的实验波形，在0.05s三相电压同时跌落50％，有功功率有较小的跌落，无功功率有超调，然后都迅速跟踪上参考值。图3和图4验证了基于扰动观测器的模型预测电流控制在平衡和不平衡电网电压都有较好的性能。

参见图5，为基于扰动观测器的模型预测电流控制在电网电压a相跌落50％的突加载实验波形，在0.05s时，突然接入100Ω的负载，母线电压经过较小的跌落迅速跟踪上母线电压给定值300V，有功功率恒定，无功功率发生二倍频波动，电流正弦。

参见图6，为传统模型预测电流控制在模型电感为2mH时的功率阶跃实验波形，当模型电感为2mH，a相电压跌落50％，选取的控制目标为消除有功二倍频脉动，有功功率指令从600W阶跃到1000W时，传统模型预测电流控制实际功率已经跟踪不上指令值，有功功率指令为600W，实际有功功率约为500W，有功功率指令为1000W，实际有功功率约为900W，实际有功功率与功率指令值有较大的误差，无功功率有明显的偏置。

而图7为基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为2mH的功率阶跃实验波形，有功功率和无功功率能够快速跟踪参考值，动态响应较快，无功率尖峰，电流正弦。

图8为传统模型预测电流控制在模型电感为30mH的功率阶跃实验波形，当模型电感为30mH，a相电压跌落50％，有功功率和无功功率均存在较大的脉动，原因是电感过大，与实际参数不匹配，导致三相电流存在较大的脉动。而图9为基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为30mH的功率阶跃实验波形，有功功率和无功功率能够快速跟踪参考值，动态响应较快，无功率尖峰，电流正弦。

本实施例中，为了验证基于扰动观测器的模型预测电流控制在畸变电网下的性能，图10－图14给出了畸变电网下的实验波形。电网中含有-5次和7次谐波，幅值都为10％，a相电压跌落50％。

参见图10，为畸变电网下基于扰动观测器的模型预测电流控制突加载实验波形，在0.05s时突然接入100Ω的负载，母线电压跌落后迅速跟踪上参考值300V，电流正弦。

参见图11，为畸变电网下传统模型预测电流控制在模型电感为2mH时功率阶跃实验波形，电流畸变，无功功率与无功功率参考值有相位差，有功功率小于有功功率指令值，动态性能较慢；图12为畸变电网下基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为2mH时功率阶跃实验波形，可以看出采用基于扰动观测器的模型预测电流控制后在模型电感为2mH时，三相电流较正弦，无功功率和无功功率参考值无明显相位差，有功功率能够跟踪有功功率参考值，动态性能较快。

参见图13，为畸变电网下传统模型预测电流控制在模型电感为30mH时功率阶跃实验波形，三相电流，无功功率和有功功率脉动较大。图14为畸变电网下基于扰动观测器的模型预测电流控制在模型电感为30mH时功率阶跃实验波形，可以看出三相电流较正弦，无功功率和有功功率脉动较小。

综上所述，本发明通过将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref；将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β，根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d；在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

和预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计；对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算；利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。本申请解决了传统模型预测控制方案不能用于两相静止坐标系以及不适用于不平衡电网的问题。

需要说明的是，本申请实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

参见图15，基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种基于扰动观测器的模型预测电流控制装置，采样上述实施例的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，包括：

第一变换模块1，用于将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；

电流参考值计算模块2，用于通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref；

第二变换模块3，用于将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β；

扰动电压计算模块4，用于根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d；

参数设计模块5，用于在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

和预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计；

电感误差估计模块6，用于对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算；

控制电压处理模块7，用于利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应地基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法。

图16示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应地基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，包括：

将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；

通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref；

将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β，根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d；

在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

和预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计；

对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算；

利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。

2.如权利要求1所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，采用等幅值变换的Clark公式，将三相电压e_a,e_b,e_c和三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，变化矩阵如下：

将两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β变换到两相旋转坐标系下，得到两相旋转坐标系下的电网电压e_d,e_q，变换矩阵为：

在不平衡电网下，两相静止坐标系中的电网电压e分为正序电压e_p和负序电压e_n；则不平衡电网电压表达式为：

e＝e_p+e_n

将不平衡电网电压表达式变换到两相旋转坐标系下：

式中，

表示两相旋转坐标系下的正序电压，

表示两相旋转坐标系下的负序电压，e代表欧拉数，j代表虚部符号；ω＝2πf＝314；

不平衡电网下的电压延迟信号e′表示为：

对e＝e_p+e_n求导得到不平衡电网下的电压微分为：

在平衡电网下，负序分量为零，根据上式得到平衡电网下的电压微分：

对于不平衡电网，通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′。

3.如权利要求2所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，在给定的功率参考值加上相应的补偿值，功率补偿值S^com为：

式中，P^ref表示有功功率参考值，有功功率参考值通过保持直流侧电压恒定的PI获得；

得到功率补偿值后，计算功率参考值：

S^ref＝P^ref+jQ^ref+S^com

式中，Q^ref表示无功功率参考值；

由功率参考值得到网侧电流参考值为

4.如权利要求3所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，根据PWM整流器在两相静止坐标系下的复矢量数学模型，整理成以电流为状态变量的状态方程的表达式：

式中，R表示网侧三相电阻，L表示网侧三相电感，t表示微分时间，e和i分别表示电网电压和电网电流，υ表示控制电压；

将以电流为状态变量的状态方程的表达式，采用欧拉一阶前项离散化得：

假设下一采样周期时，整流器侧电压强迫实际电流达到电流参考值，即i^k+1＝i^ref，得到k时刻整流器侧电压：

考虑到实际系统中参数变化，控制器中的估计电感和估计电阻定义为：

式中，△L和△R是估计电感的误差和估计电阻的误差。

5.如权利要求4所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，

扰动观测器方程设计为：

式中，

为控制函数，

为估计的扰动电压，

为估计的扰动电压

的正负序，λ为控制函数增益；

由

减去

得到电流误差：

式中，

设误差估计函数呈指数衰减：

式中，q>0，是需要设计的参数；

由

和

得到：

将

视为扰动，则控制函数选为：

根据

和

得到：

根据

得到传递函数：

式中，z表示离散域；

F(z)的极点为：

p＝1-qT_sc

根据稳定性定理，|p|<1，有：

若q满足

则，

中估计的电流是稳定的。

6.如权利要求5所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，分析扰动观测器的收敛性和扰动观测器参数q和λ的设计方式；

分析估计扰动电压和实际的扰动电压的关系，根据

和

得到：

根据

和

得u_o：

根据

和

考虑

与u_d之间的关系为：

式中，

7.如权利要求6所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，

将cos(ω_gT_sc)≈1，则求得J(z)的极点：

假设：8λ-qT_sc＝qT_sc，p^1,2简化为：

根据

和考虑到

阻尼比设为

调整时间计算为：

根据8λ-qT_sc＝qT_sc得到：

8.如权利要求7所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，

根据

电感误差项△L存在于u_d的表达式中，在线估计△L：

为了计算△L，消除△R对电感估计的影响，考虑

得到方程：

从

求得△L表达式：

采用积分消除对噪声的敏感性：

式中，h>0是积分增益；在电感估计不匹配时，估计电感表示为：

式中，

为网侧电感参数初始值，可用电感表测量得到；

由

和

得到电感误差为：

根据

和

和

之间的关系确定为：

9.如权利要求8所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，

根据

求得整流器侧电压：

根据

得到：

由于

是未知的，在

中用观测器得到的

代替

计算整流器侧电压；

带有延时补偿的控制电压υ^k+1的表达式为：

得到整流器侧电压后，用SVM产生开关信号控制整流器。

10.基于扰动观测器的模型预测电流控制装置，采样权利要求1至9任一项所述的基于扰动观测器的模型预测电流控制方法，其中，包括：

第一变换模块，用于将采样得到交流电网三相电压e_a,e_b,e_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β；

电流参考值计算模块，用于通过二阶广义积分-正交信号发生器提取基波电压的正负序，得到电网电压e和电压延迟信号e′，考虑不平衡电网根据给定的有功、无功参考值计算电流参考值i^ref；

第二变换模块，用于将采样得到交流电网三相电流i_a,i_b,i_c变换到两相静止坐标系下，得到两相静止坐标系下的电网电流i_α,i_β；

扰动电压计算模块，用于根据PWM整流器的数学模型和两相静止坐标系下的电网电压e_α,e_β得出扰动电压u_d；

参数设计模块，用于在离散域设计扰动观测器得到估计扰动电压

和预测的电网电流

并对扰动观测器的控制函数增益λ和需要整定的参数q进行设计；

电感误差估计模块，用于对扰动观测器中含有的估计电感误差△L进行计算；

控制电压处理模块，用于利用电流参考值i^ref、估计扰动电压

预测的电网电流

及电网电压e经过电流预测控制得到控制电压υ，控制电压υ经过SVM产生开关信号以控制整流器。

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