基于切换系统多步预测控制的三相电压型变流器控制方法

摘要

本发明涉及电力电子交直流变换领域，旨在提供一种基于切换系统多步预测控制的三相电压型变流器控制方法。该方法包括：三相参考输出电流的确定；变流器切换系统模型和切换子系统的建立；第一切换周期各子系统输出电流的预测；第一切换周期子系统的寻优；第二切换周期各子系统输出电流的预测；变流器实际切换状态的确定；系统误差的校正。本发明通过引入切换系统分析方法以及多步预测控制的相关理论，改善了变流器的性能，包括提升了输出功率的准确性、减少了谐波干扰和无功功率、简化了系统设计过程、减少了辅助设备的使用。

说明书

技术领域

本发明涉及基于切换系统多步预测控制的三相电压型DC/AC变流器控制 方法，属于电力电子交直流变换领域。

背景技术

三相电压型DC/AC变流器作为电力电子领域最重要的功率器件之一，有 巨大的应用市场，图1所示为变流器典型应用示意图。为提高效率、减 少功率损失、减少对电网的影响，其控制方法一直受到研究领域的高 度重视。传统的控制策略主要为双闭环PI控制（包括功率外环、电流 内环），该控制策略虽然可以满足目前应用领域的基本要求，但是PI 参数很难设定准确，而且针对不同的应用对象PI参数都必须重新设定 ；再者，该方法会产生较大的谐波干扰和无功功率，需要配合高性能 补偿和治理装置，增加了系统的复杂程度也增加了运行成本；另外， 随着电力电子行业的快速发展以及电气设备精度要求的提高，变流器 精度要求不断提高，该方法在一定程度上限制了变流器性能改善过程 。因此，有必要寻找新的控制策略，突破传统限制因素，使变流器性 能提升到新的高度。

由分析变流器的模型可知，变流器主要包含功率开关器件，使其包含 连续和离散两种状态，为能在本质上提升变流器性能，同时考虑这两 种状态成为必然。切换系统是一个由一个系列的连续或离散的子系统 以及协调这些子系统之间起切换的规则组成的混合系统。也就是说， 切换系统满足了变流器模型要求，可以运用于变流器的控制策略研究 中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于 切换系统多步预测控制的三相电压型DC/AC变流器控制方法。本发明用 于解决现有方法控制效果欠佳、谐波干扰大、参数调节复杂等问题， 提升变流器的性能。

为解决技术问题，本发明的解决方案如下：

提供一种基于切换系统多步预测控制的三相电压型变流器控制方法， 包括以下步骤：

（1）三相参考输出电流的确定

利用电压传感器获得当前电压，同时计算电压频率及相位，以理想交 流电压波形预测一、二个切换周期后的电压；

根据参考功率值和预测电压，以无功功率为零为目标，计算第一、二 切换周期参考电流值；

（2）变流器切换系统模型和切换子系统的建立

将变流器的模型等效为切换系统模型，包括离散模型和连续模型；

确定变流器中三组IGBT开关状态，建立7个不同状态下的连续模型，即 切换子系统；

（3）第一切换周期各子系统输出电流的预测利用电流传感器获得当前 时刻电流；

根据步骤（2）所确立的子系统以及变流器网侧电阻和电感值，预测第 一切换周期变流器各子系统的输出电流；

（4）第一切换周期子系统的寻优

选取如下的评价函数，根据第一切换周期参考电流和各子系统预测电 流寻找最接近参考值的三个子系统；

$g_j=[i_a^j(k+1|k)-i_{a-\mathrm{ref}}{(k+1)]}^2+{[i_b^j(k+1|k)-i_{b-\mathrm{ref}}(k+1)]}^2+{[i_c^j(k+1|k)-i_{c-\mathrm{ref}}(k+1)]}^2$

其中，j=[1,…,7],k为系统切换周期序号，i_a,i_b,i_c为预测电流，i_{a_ref},i_{b_ref},i_{c_ref}为参考电流；

（5）第二切换周期各子系统输出电流的预测

以步骤（4）所确定的三个子系统的预测电流为基础，根据步骤（3） 的方法实施第二切换周期预测，得到由第一、二切换周期组成的21组 子系统集合；

（6）变流器实际切换状态的确定

根据步骤（4）所述评价函数，计算21组集合中第二切换周期子系统的 结果；

选取第一、二切换周期评价函数值之和最小的集合作为最优子系统集 合；

选取最优子系统集合对应的第一切换周期子系统作为变流器控制信号 ，即IGBT组开关状态；

（7）系统误差的校正

选取步骤（6）所确立的第一切换周期子系统，将其对应的预测输出电 流与一个切换周期后的实际电流做比较，得到的误差作为下一切换周 期的校正值引入电流预测中。

本发明的有益效果是：

通过引入切换系统分析方法以及多步预测控制的相关理论，改善了变 流器的性能，包括提升了输出功率的准确性、减少了谐波干扰和无功 功率、简化了系统设计过程、减少了辅助设备的使用。

附图说明

图1是变流器典型应用示意图；

图2是变流器切换系统预测控制系统结构图；

图3是切换系统多步预测控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和具体执行方法进行描述。

如图2所示，本发明提供一种基于切换系统多步预测控制的三相电压型 DC/AC变流器控制方法。该方法应用于变流器与大电网或者与较稳定的 交流电相连的场景中，如   图3所示。其具体流程包括：

（1）三相参考输出电流的确定；

（2）变流器切换系统模型和切换子系统的建立；

（3）第一切换周期各子系统输出电流的预测；

（4）第一切换周期子系统的寻优；

（5）第二切换周期各子系统输出电流的预测；

（6）变流器实际切换状态的确定；

（7）系统误差的校正。

进一步，所述步骤（1）包括：

利用电压传感器测定变流器交流侧电网的三相电压u_{a_grid},u_{b_grid},u_{c_grid}，同时计 算电压频率及相位，以理想交流电压波形预测一、二个切换周期后的 电压，加上给定的功率参考值，以无功功率为零为目标（即电压与 电流的相位差为零），通过以下公式计算变流器三相参考电流：

其中，j为预测序号，为电压相位。

进一步，所述步骤（2）包括：

将变流器的模型等效为切换系统模型，包括离散模型和连续模型。确 定变流器中三组IGBT开关状态，建立7个切换子系统。如表1所示为7种 状态下变流器交流侧相电压（u_a,u_b,u_c）与线电压（u_ab,u_bc,u_ca）。

表1

进一步，所述步骤（3）包括：

利用电流传感器获得当前时刻电流（i_a0,i_b0,i_c0），根据步骤（2）所确 立的切换子系统以及变流器网侧电阻和电感值，通过以下微分方程计 算一个切换周期后变流器各子系统的输出电流（）：

$\left(\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a^S}{\mathrm{dt}}+i_a^{S}R=u_a-u_{a-\mathrm{grid}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b^S}{\mathrm{dt}}+i_b^{S}R=u_b-u_{b-\mathrm{grid}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c^S}{\mathrm{dt}}+i_c^{S}R=u_c-u_{c-\mathrm{grid}}\end{array}\right)$

进一步，所述步骤（4）包括：

选取如下评价函数，根据参考电流和各状态下电流预测值计算7个子系 统函数值：

$g_j=[i_a^j(k+1|k)-i_{a-\mathrm{ref}}{(k+1)]}^2+{[i_b^j(k+1|k)-i_{b-\mathrm{ref}}(k+1)]}^2+{[i_c^j(k+1|k)-i_{c-\mathrm{ref}}(k+1)]}^2$

其中，j=[1,…,7]，k为系统切换周期序号，i_a,i_b,i_c为预测电流，i _{a_ref},i_{b_ref},i_{c_ref}为参考电流。

选取函数值最小（即最接近参考值）的三个子系统，用于下一步处理 。

进一步，所述步骤（5）包括：

以步骤（4）所确定的三个子系统的预测电流为基础，根据步骤（3） 的方法实施第二切换周期预测，得到由第一、二切换周期组成的21组 子系统集合。

进一步，所述步骤（6）包括：

根据步骤（4）所述评价函数，计算21组集合中第二切换周期子系统的 结果，选取第一、二切换周期评价函数值之和最小的集合作为最优子 系统集合，最后选取最优子系统集合对应的第一切换周期子系统作为 变流器控制信号。

进一步，所述步骤（7）包括：

选取步骤（6）所确立的第一切换周期子系统，将其对应的预测输出电 流与一个切换周期后的实际电流做比较，得到的误差作为下一切换周 期的校正值引入电流预测中。

由以上说明可知，本发明的控制策略是利用切换模型预测变流器各子 系统的输出电流，并与参考电流相比较，得出最优的三个子系统，然 后以这三个子系统的预测结果为基础实施二次预测，最后选择21组子 系统集合中最优组合，将其第一切换周期预测子系统作为变流器控制 信号。

以上所述仅为本发明的较佳实例，以两步预测为典型介绍多步预测， 该实例并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。