CN115864872A

CN115864872A - 一种面向并联t型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法

Info

Publication number: CN115864872A
Application number: CN202310016546.5A
Authority: CN
Inventors: 龙波; 张佳豪; 曹天旭; 胡庆华
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Yangtze River Delta Research Institute of UESTC Huzhou
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Yangtze River Delta Research Institute of UESTC Huzhou
Priority date: 2023-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明公开了一种面向并联T型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法，为了解决大功率整流器场合中，并联T型三电平整流器系统中存在的功率分配、中点电压平衡、环流抑制、直流电压稳定、电网电流追踪问题。本发明采用双闭环控制，外环采用带电压前馈的自适应下垂控制，实现直流电压的稳定和负荷功率分配；内环采用公平顺序模型预测控制，通过公平的优先级顺序不仅保留了顺序模型预测控制无需选取权重因子的优点，而且解决了顺序模型预测控制由固定优先级顺序而造成的无法选取最优解的问题，实现了中点电压的平衡、环流抑制、入网电流的追踪，整体方案实现了并机系统的多目标优化控制。

Description

一种面向并联T型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器控制技术领域，具体涉及一种面向并联T型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法。

背景技术

现目前，随着新能源汽车的广泛应用，大规模的直流充电技术日益成为新能源汽车充电的发展趋势，此外在铁路机车牵引、矿井提升系统、风力发电系统领域，都需要用到大功率的整流器。T型三电平整流器的功率密度和电流谐波优越性促使其在大功率场合得到更多的应用。当单个的T型三电平整流器无法满足负荷功率需求时，通常需要采用并联结构来进一步提高功率等级。

但是，并联的T型三电平整流器面临着功率分配、直流电压稳定、中点电压平衡、环流抑制的问题。为了解决并联T型三电平整流器的多目标优化问题，采用了具有多目标优化功能的有限集模型预测控制方法。

本发明采用了双闭环控制策略，外环采用带电压前馈的自适应下垂控制来解决直流电压稳定和功率分配问题，内环采用公正顺序模型预测控制作为多目标优化的电流控制器。

下垂控制是控制直流电压和解决功率分配问题的常用方法，它的基本原理是在输出电流增大时线性降低电压，但是这样会不可避免地导致直流电压的下垂。为此采用自适应的下垂控制，下垂系数随着直流电流的变化而不断更改，减少直流电压的下垂。同时为了补偿直流电压的下垂，采用了直流电压与直流电压参考值的前馈环节来补偿直流电压的降低。

有限集模型预测控制是一种具有多目标优化功能的控制方法，与传统控制方法相比，其不需要PWM调制，而是通过设计一个优化问题即代价函数直接输出最优开关序列。但采用传统模型预测控制面临多目标代价函数的权重因子难以选取的问题。为了解决这个问题，已经有一些研究采用了顺序模型预测控制的方法来避免选取代价函数的权重因子，但是这又随之带来了顺序模型预测控制优先级的选取问题。为此，提出公平顺序模型预测控制，不仅避免了权重因子的选取问题，而且解决了顺序模型预测控制的优先级选取问题。

发明内容

为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案。

一种面向并联T型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过电压传感器和电流传感器采集直流电压U_dc、两台整流器的直流电流I_dcx、直流侧两个电容的电压V_px和V_nx、三相电网电压；

步骤S2：通过卡尔曼滤波器来估计两台整流器的三相整流器侧电流i_x2和三相滤波电容电压U_cx；

步骤S3：通过锁相环得到电网电压e的相位信息，带电压前馈的自适应下垂控制根据设定的直流电压参考值、两台整流器各自的直流电流、两台整流器各自的额定功率、直流电压以及初始的下垂系数计算出网侧电流的参考值，通过LCL型并网逆变器的电路关系反推出整流器侧电流的参考值

步骤S4：将整流侧电流的参考值经过拉格朗日外推法延时一个步长后，送入到公平顺序模型预测控制器中，用于代价函数的跟踪；

步骤S5：根据共模电压与开关状态的关系，将共模电压为0的七个开关状态选择为初始备选矢量；

步骤S6：根据采集的整流器侧电流，中点电压差，LCL电容电压，直流电压以及经过拉格朗日外推延时的整流器侧参考电流，计算七个开关状态它们各自的代价函数G₁、G₂值，并将计算结果与对应的开关状态储存；

步骤S7：计算七个开关状态的代价函数平均值，小于平均值的开关状态是要进行交叉计算的开关状态：

步骤S8：对储存的七个开关状态及其代价函数的值进行归一化处理并排序，排序之后每个归一化的值与开关状态仍是一一对应的关系；

步骤S9：代价函数S₁小于平均值的部分

组成组合1，代价函数G₂小于平均值的部分/>

组成组合2，根据平均值筛选的交叉矢量，从另一个代价函数中出取出交叉部分的代价函数/>

和/>

将它们的值相加组成一个新的组合Y，组合Y中的代价函数最小值就是最优解S_opt(k)，

步骤S10：将S_opt(k)转化为开关矢量将转化为T型三电平并网逆变器开关器件的通断信号在下一个采样时刻送入，下一采样时刻重新开始执行步骤S1。

进一步地，步骤S3中直流电压参考值为500V。

进一步地，步骤S4中所述代价函数式为：

式中，i_nx2(n＝A,B,C),

分别代表了第x台整流器的整流器侧电流及其参考值。

进一步地，步骤S7中所述的交叉开关状态数量表达式为：

式中，L和N分别代表了代价函数G₁、G₂中小于平均值的矢量个数，同时也是交叉矢量的个数。

进一步地，步骤S9在组合Y中，两个代价函数值都是归一化处理后的，代表了它们的优先级是相同的。

进一步地，步骤S9中所述的最优解的表达式为：S_opt(k)＝argmin_s(){Y(Sⁱ(k),(k))|i＝1,…,₂}，式中，s_opt(k)代表了k时刻计算出的最优开关矢量，n₂代表了交叉矢量个数和，Y代表了组合后的新的代价函数。

进一步地，所述的最优解使用的不是固定的优先级，它是代价函数G₁优先，或是代价函数G₂优先。

本发明的技术原理：在大功率应用场合条件下，单个的T型三电平整流器无法满足功率需求，并联整流器可以提高系统的功率等级，然而并联的T型三电平整流器面临功率分配、中点电压平衡、环流抑制、直流电压稳定、电网电流追踪等问题。通过采用双闭环控制，外环采用带电压前馈的自适应下垂控制实现功率的分配和直流电压的稳定，内环采用公平顺序模型预测控制实现中点电压的平衡、环流抑制、入网电流的追踪。总体方案实现了对并联T型三电平整流器的多目标优化控制。

外环采用带电压前馈的自适应下垂控制，通过下垂控制来实现并机系统负荷的功率分配，针对直流电压因此产生的下垂问题，采用下垂系数随直流电流变化而不断变化的自适应下垂系数来降低直流电压的下垂，同时通过直流电压和直流电压参考值之间的差值作为前馈环节来补偿直流电压的下降。内环采用公平顺序模型预测控制，采用不固定的优先级顺序，不仅保留了顺序模型预测控制无需选取权重因子的优点，而且解决了顺序模型预测控制由固定优先级顺序而造成的无法选取最优解的问题；

本发明方法能够解决大功率整流器应用场合中并联整流器存在的：功率分配、中点电压平衡、环流抑制、直流电压稳定、电网电流追踪、控制系统复杂、运算处理器负担大等问题。

本发明的双闭环整流器控制方法包括：

外环采用带电压前馈的自适应下垂控制，采样得到的直流电压和直流电流通过自适应的下垂控制器以及比例-积分PI调节器得到网侧电流i_x1的d轴参考值，为了保证整流器的高功率因数，网侧电流i_x1的q轴参考值设定为0，再通过对LCL滤波器的建模计算得到整流器侧的三相电流参考值

同时为了降低下垂控制对直流电压的影响，采用电压前馈来补偿直流电压的降低。

内环采用公平顺序模型预测控制，两个代价函数作为两个级别。分别计算初始备选矢量的两个代价函数值，然后计算代价函数的平均值，小于平均值的备选矢量为要进行交叉计算的矢量，确定所有交叉矢量的两个代价函数值，并将归一化后的代价函数值相加，组成一个新的组合Y，在组合Y中选出最优的开关矢量S_opt(k)，作为整流器开关器件的驱动信号。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1、本发明采用了双闭环控制策略，外环采用带电压前馈的自适应下垂控制器实现了直流电压的控制以及功率的分配，内环采用具有多目标优化功能的公平顺序模型预测控制实现了从控制层面抑制环流，实现了对中点电压的平衡。

2、本发明优化了初始的备选矢量，将初始备选矢量从27个降低到7个，实现了从控制层面解决环流的抑制问题，不增加系统任何硬件成本，同时减少循环运算的次数，减轻了运算处理器的负担。

3、本发明采用公平顺序模型预测控制技术，无需PWM调制，同时不仅保持了顺序模型预测控制无需选取权重因子的优点，而且解决了顺序模型预测控制由于优先级顺序无法选择到最优解的问题，保证了中点电压的平衡和网侧电流的追踪。

附图说明

图1：本发明中的两台并联T型三电平整流器拓扑结构图；

图2：本发明中的下垂控制功率分配原理图；

图3：本发明中的两并联T型三电平整流器系统控制框图；

图4：本发明中的不同功率整流器的网侧电流以及交流侧功率波形图，其中左图为不同功率下的网侧电流图，右图为不同功率下的交流侧功率图；

图5：本发明中的电网不平衡条件下，不同控制方法的环流抑制效果和中点电压平衡效果对比波形图，其中左图为电网不平衡条件下的环流抑制效果图，右图为电网不平衡条件下的中点电压平衡效果图；

图6：本发明中的电压参考值变化条件下，直流电压以及交流功率变化波形图，其中左图为电压参考值变化后直流电压恢复效果图，右图为电压参考值变化后功率变化图。

具体实施方式

以下将结合本发明的优选实例和附图对技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，优选实例仅仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。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，所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护范围。

根据图1所示的拓扑结构图，通过电压传感器和电流传感器采集直流电压U_dc、两台整流器的直流电流I_dcx、直流侧两个电容的电压V_px和V_nx、三相电网电压e。通过卡尔曼滤波器来估计两台整流器的三相整流器侧电流i_x2和三相滤波电容电压U_cx。

本发明采用双闭环控制策略，两台整流器的控制策略相同。外环电压控制采用带电压前馈的自适应下垂控制，采样得到的直流电压和直流电流通过自适应的下垂控制器以及PI调节器得到网侧电流i_x1的d轴参考值，为了保证整流器的高功率因数，网侧电流i_x1的q轴参考值设定为0，再通过LCL滤波器的建模计算得到整流器侧的三相电流参考值

同时为了降低下垂控制对直流电压的影响，采用电压前馈来补偿直流电压的降低。内环电流控制采用公平顺序模型预测控制。通过分析T型三电平LCL整流器的环流流通回路，确定了零序环流的主要影响因素是两台整流器的中点电压差和共模电压差。根据共模电压的计算公式，将初始的备选矢量确定为7个零共模电压的开关状态，这样首先可以大大减少模型预测控制的计算量，其次可以降低两台整流器的共模电压差，达到抑制零序环流的效果；最后，减少了顺序模型预测控制一个控制目标，简化了顺序模型预测控制的结构。公平顺序模型预测控制以电流跟踪和中点电压的稳定作为两个控制目标，通过公平的优先级顺序选择后将最优的开关矢量输出给T型三电平整流器的功率器件。

外环采用自适应的下垂控制，具体内容如下：

直流电压的下垂控制通过检测直流电压和参考电压之间的差值来控制输入到直流网络的有功功率，从而实现功率平衡和电压稳定。本发明中采用了V-I特性下垂控制，V-I特性下垂控制可以表示成：

式中，U_dc，

分别代表了整流器的直流电压及其参考值，I_dc，/>

分别代表了整流器的直流电流及其参考值，K_d代表了下垂系数。

将下垂系数K_d更改为自适应的下垂系数，通常设定系统运行参考点为：传输功率为0时，直流母线电压为系统额定电压；即设定

为额定电压。加入自适应的下垂系数后，V-I特性下垂控制更改为：

式中，P_N代表整流器的额定功率，下垂系数随着直流电流的变化而变化，实现了自适应的下垂控制。两台整流器并联时，下垂控制实现功率分配的原理如图2所示。

由于下垂控制的原理缺陷，直流电压会有一定的下垂。为了改善这种下垂特性，基于直流电压与参考值的差值增加一个前馈量来补偿下垂控制对直流电压的影响。

内环采用公平顺序模型预测控制，具体内容如下：

首先，根据两并联T型三电平整流器的拓扑结构，分析零序环流的流通回路，可以确定出零序环流的影响因素为两台整流器的中点电压差和共模电压差。两台整流器的中点电压差一般为0～10V，而共模电压差与直流电压参考值有关，在直流电压参考值为500V的情况下，两台整流器的共模电压差可以达到上百伏，明显易得，共模电压差是零序环流的主要应因素。根据共模电压差与开关状态的关系，27个开关状态中有7个产生0共模电压的一组开关状态。本发明采用这7个开关状态作为初始的备选开关状态，这样初始的备选矢量只有7个，大大减少了系统的计算量，同时，用这种方法抑制零序环流不仅可以在控制层面上达到效果，不增加系统任何硬件成本，而且减少了顺序模型预测控制中的一个控制目标，简化了顺序模型预测控制设计。

实现了零序环流的抑制之后，内环电流控制的控制目标为中点电压的平衡以及电流的追踪。为了实现电流的追踪，设计了一个代价函数，所述代价函数式为：

式中，i_nx2(n＝A,B,C),

分别代表了第x台整流器的整流器侧电流及其参考值。

针对中点电压的平衡问题，分析中点电压可以得到中点电压差的预测式为：

ΔV₁(k+1)＝-S(k)^Ti₁₂(k)T_s/C₁₁+ΔV₁(k) 式四

式中,ΔV₁代表了第一台整流器的中点电压差，C₁₁，T_s，i₁₂，S()分别代表了整流器直流侧的上侧电容，采样时间，第一台整流器的整流器侧电流，k时刻的开关向量。

对应的中点电压的代价函数为：

G₂＝ΔV_x(k+2) 式五

为了补偿计算延迟时间，中点电压平衡和电流追踪的代价函数均外推了一个时刻。式中，ΔV_x(+2)代表了第x台整流器外推后的中点电压偏差。

本发明在内环采用公平模型预测控制来实现最优矢量的选取，确定了中点电压平衡和电流追踪的代价函数作为两级控制目标后，传统的顺序模型预测控制采用从第一级到第二级顺序筛选最优矢量的过程，不论从第一级到第二级筛选的开关矢量的个数是固定的，还是根据代价函数值进行不固定的选择的，都无法避免由于顺序结构导致两个控制目标优先级难以确定而无法选择到最优解的问题。为此提出了一种公平顺序模型预测控制，解决了优先级难以确定的问题，具体内容如下：

首先，根据采样到的系统状态以及预测模型计算初始7个矢量的两个代价函数的值，并将计算结果保存。然后计算两个代价函数的平均值。平均值的计算是为了确定两个代价函数交换的矢量个数，小于平均值的将进入另一级，大于平均值的将被淘汰。计算出交叉矢量的个数。接着，两个代价函数的值进行归一化处理并排序。最后，根据计算结果将筛选的矢量送到另一级中，根据之前保存的结果读取筛选后矢量的代价函数值，将两级筛选的矢量的两个代价函数的归一化值相加，组成一个新的代价函数组，在这个代价函数组中选择出最优解。这样选择出来的最优解不是通过固定的优先级顺序来选取的，而是通过一种公平的优先级顺序选取，确保了最优解的可靠性。

本发明的两并联T型三电平整流器系统控制框图如图3所示，首先采样所需要的电流电压信号，应用锁相环PLL获得电网电压的相位，将直流电压、直流电压参考值以及直流电流送入到带电压前馈的自适应下垂控制器中，根据下垂控制产生与电网电压同相位的网侧电流参考值，然后根据LCL滤波器的电路方程，将网侧电流参考值换算到整流器侧电流参考值，并送入到公平顺序模型预测控制器中，公平顺序模型预测控制根据采样到的信号以及整流器侧电流参考值选择出最优开关矢量送给整流器的开关序列。

本实施例的两并联T型三电平整流器系统控制框图如图3所示，在本实施例中，两台整流器的执行步骤相同，这里就一台整流器的主要步骤进行说明。本实施例的面向并联T型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法，包括以下步骤：

步骤S5：根据表1中共模电压与开关状态的关系，将共模电压为0的七个开关状态选择为初始备选矢量；

表1开关状态与共模电压的关系表

步骤S7：计算七个开关状态的代价函数平均值，小于平均值的开关状态是要进行交叉计算的开关状态，所述的交叉开关状态数量表达式为：

步骤S9：代价函数G₁小于平均值的部分

组成组合1，代价函数G₂小于平均值的部分/>

和/>

将它们的值相加组成一个新的组合Y，在组合Y中，两个代价函数值都是归一化处理后的，代表了它们的优先级是相同的，组合Y中的代价函数最小值就是最优解S_opt(k)，所述的选择最优解的表达式为：

S_opt(k)＝argmin_s(k){Y(Sⁱ(k),x(k))|i＝1,…,n₂} 式七

式中，S_opt(k)代表了k时刻计算出的最优开关矢量，n₂代表了交叉矢量个数和，Y代表了组合后的新的代价函数。

选出来的最优解使用的不是固定的优先级，它可以是代价函数G₁优先，也可以是代价函数G₂优先，这样就保证了最优解选取的可靠性；

效果实验例

为了验证所提出的公平顺序模型预测控制的有效性以及并联T型三电平整流器系统的多目标优化实现，以两台采用图3控制方案的并联T型三电平整流器系统为例，两台不同功率整流器并联后的网侧电流及交流侧功率如图4所示。当电网发生不平衡时，所提出方法与现有的两种控制方法的环流抑制效果以及中点电压平衡效果如图5所示。当直流侧电压参考值以及负载功率发生变化时，直流电压的稳定效果以及交流侧功率的分配情况如图6所示。两并联的T型三电平整流器及控制环节部分参数如表2所示。

表2两并联的T型三电平整流器及控制环节部分参数

从图4可以看出，两台额定功率分别为5kW和10kW的整流器较好地实现了功率的分配，验证了带电压前馈的自适应下垂控制在功率分配方面的有效性。从图5可以看出，在电网电压不平衡条件下，由于三种控制方法采用了使共模电压为0的七个开关状态作为初始备选矢量，因此它们的环流抑制效果都比较好，其中公平顺序模型预测控制的环流为19.54mA，带容忍值的顺序模型预测控制的环流为65.38mA，零共模电压模型预测控制的环流为74.91mA。公平顺序模型预测控制的环流抑制效果相较于另外两种现有方法有明显的优势。在中点电压平衡方面，公平顺序模型预测控制的中点电压差为1.2V，带容忍值的顺序模型预测控制的中点电压差为4.5V，零共模电压模型预测控制的中点电压差为4.4V。公平顺序模型预测控制在中点电压平衡效果上也表现出了明显优势，这证明了公平顺序模型预测控制非固定的优先级顺序在选择最优解方面的有效性。图6显示了直流电压参考值发生变化时直流电压的恢复效果图以及交流侧功率分配图，当直流电压参考值为500V时，整流器的额定功率分别为3472W和6944W，当直流电压参考值变为600V时，额定功率变化为5kW和10k W，参考值变化前后的交流侧功率满足了两台不同功率整流器的功率分配目标，证明了带电压前馈的自适应下垂控制在功率分配方面的有效性。参考值变化前后直流电压的恢复情况图可以看出，在直流电压参考值增加时，三种控制方法的直流电压与参考值之间的差值变为-100V，然后在较短的时间内，直流电压恢复到参考值600V，直流电压和参考值之间的差缩小到0V附近。三种控制方法均实现了直流电压的恢复，这证明了带电压前馈的自适应下垂控制解决了下垂控制的电压下垂问题，在直流电压稳定方面具有良好的控制效果。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，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展示的实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。