一种三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制方法

摘要

本发明公开了一种三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制方法。通过检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流器三相交流电压、三相交流电流和直流母线电压；经过克拉克变换转化为两相静止坐标系下的电压采样值和电流采样值；计算所述直流母线电压及直流母线电压指令间的差值；借助电压外环控制器获取整流器瞬时有功功率指令值；同时根据功率跟踪误差设定价值函数，以满足价值函数最小分析计算两相静止坐标系下预测电流分量，进而得到两相静止坐标系下期望开关电压分量；利用空间矢量脉冲宽度调制技术，得到整流器开关期望函数。本发明可以有效消除传统预测电流控制方法对整流器结构参数的依赖性。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及电压型脉冲宽度调制整流器控制技术领域，尤其涉及一 种三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制方法。

背景技术

目前，三相电压型脉冲宽度调制整流器已广泛应用于电力、运输、航空航 天领域，该整流器具有网策电流正弦化、功率因数高、可实现能量双向流动的 优点。

传统三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制方法，采用双闭环结构， 外环采用直流母线电压控制器，内环获取期望开关电压矢量。此类双闭环结构 具有电流谐波小、开关频率稳定、静态性能好的优点。

但传统预测电流控制方法也存在一定的缺陷：传统预测电流控制方法对三 相电压型脉冲宽度调制整流器结构依赖性大，结构参数变化敏感易造成系统失 去稳态甚至系统崩溃的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制方 法，以解决传统预测电流控制方法对三相电压型脉冲宽度调制整流器结构依赖 性大，结构参数变化敏感易造成系统失去稳态甚至系统崩溃的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种三相电压型脉冲宽度调制整流器预测 电流控制方法，包括：

检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流器三相交流电压、三相交流电流和 直流母线电压；

将所述三相交流电压、所述三相交流电流经过克拉克变换转化为两相静止 坐标系下的电压采样值和电流采样值；

计算所述直流母线电压及既定直流母线电压指令值间的差值；

利用所述电压外环控制器，输出三相电压型脉冲宽度调制整流器瞬时有功 功率指令值；

根据静止坐标系下电压采样值和电流采样值，以及所述三相电压型脉冲宽 度调制整流器瞬时有功功率指令值，得到两相静止坐标系下期望开关电压分量；

根据所述两相静止坐标系下期望开关电压分量，利用空间矢量脉冲宽度调 制技术，确定整流器期望开关状态函数，实现所述三相电压型脉冲宽度调制整 流器预测电流控制。

进一步的，所述克拉克变换采用恒功率变换。

进一步的，所述获得期望开关电压分量步骤具体为：

根据所述瞬时无功功率理论建立所述三相电压型脉冲宽度调制整流器瞬时 功率数学模型并离散化，得到采样周期内所述整流器瞬时有功功率实际值以及 瞬时无功功率实际值；

根据所述电压外环控制器瞬时有功功率指令值；并设定瞬时无功功率指令 值为0；

根据采样周期内所述整流器瞬时有功功率以及瞬时无功功率二者实际值与 指令值之间跟踪误差，构造价值函数；

计算使得价值函数达到最小值时整流器两相静止坐标系下预测电流分量；

通过所述整流器离散电压方程计算，得到所述整流器交流输入期望开关电 压分量。第二方面，本发明实施例还提供了一种三相电压型脉冲宽度调制整流 器预测电流控制装置，该装置包括：

参数检测模块，用于检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流器的三相交流 电压、三相交流电流和直流母线电压；

克拉克变换模块，用于将所述参数检测模块监测到的所述三相交流电压、 所述三相交流电流经过克拉克变换转化为两相静止坐标系下的电压采样值和电 流采样值；

母线差值计算模板，用于计算所述直流母线电压及既定直流母线电压指令 值间的差值；

电压外环模块，用于利用利用电压外环控制器，输出所述三相电压型脉冲 宽度调制整流器瞬时有功功率指令值；

电流内环模块，用于根据静止坐标系下电压采样值和电流采样值，以及所 述电压外环控制器瞬时有功功率指令值，得到两相静止坐标系下期望开关电压 分量；

空间矢量脉冲宽度调制模块，用于利用空间矢量脉冲宽度调制技术，根据 所述两相静止坐标系下期望开关电压分量，确定整流器期望开关状态函数。

进一步的，将瞬时功率变量引入预测电流方法中，所述克拉克变换模块采 用恒功率变换。

进一步的，所述电流内环模块包括：

所述瞬时功率单元，用于根据所述瞬时无功功率理论建立所述三相电压型 脉冲宽度调制整流器瞬时功率数学模型并离散化，得到采样周期内所述整流器 瞬时有功功率实际值以及瞬时无功功率实际值；

所述功率0值单元，用于根据所述电压外环控制器获取瞬时有功功率指令 值；并使瞬时无功功率值为0；

所述价值函数单元，用于根据采样周期内所述整流器瞬时有功功率和瞬时 无功功率二者的实际值与指令值，计算瞬时有功功率跟踪误差以及瞬时无功功 率跟踪误差，构造价值函数；

所述函数最小值单元，用于计算使得价值函数达到最小值时整流器两相静 止坐标系下预测电流分量；

所述期望开关电压分量单元，用于通过所述整流器离散电压方程计算，得 到所述整流器交流输入期望开关电压分量。

本发明实施例通过提出一种三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制 方法，在检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流器三相交流电压、三相交流电 流及直流母线电压的基础上，通过所述克拉克变换得到静止坐标系下电压采样 值及电流采样值；同时计算所述直流母线电压与直流母线电压指令值间差值， 进而利用所述电压外环调节器，得出所述整流器瞬时有功功率；进而与所述两 相静止坐标系下电压采样值、电流采样值计算得到两项静止坐标系下期望开关 电压分量，进而利用空间矢量脉冲宽度调制技术得到所述整流器开关期望函数， 实现所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制。本发明解决传统预测 电流控制方法对三相电压型脉冲宽度调制整流器结构依赖性大，结构参数变化 敏感易造成系统失去稳态甚至系统崩溃的问题，实现三相电压型脉冲宽度调制 整流器高效控制。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控 制方法的实现流程图；

图2是本发明实施例二提供的三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控 制方法的实现流程图；

图3是本发明所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的三相电压型脉冲宽度调制PWM整流器预测电 流控制方法的流程图。图3为本发明所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测 电流控制主电路及控制电路结构示意图。

本实施例可适用于三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制，该方法 可以由三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制装置来执行，具体包括如 下操作：

步骤101、检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流器三相交流电压、三相交 流电流和直流母线电压；

其中，所述三相电压型脉冲宽度调制整流器为三相电压型PWM整流器；所 述三相交流电压分别为e_a,e_b,e_c，所述三相交流电流为i_a,i_b,i_c，所述直流母线电 压为U_dc。

步骤102、将所述三相交流电压、所述三相交流电流经过克拉克变换转化为 两相静止坐标系下的电压采样值和电流采样值；

其中，所述克拉克Clark变换是将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物 理量变换到2轴的定子静止坐标系中。因此，所述三相静止坐标系a-b-c下的 所述三相交流电压分别为e_a,e_b,e_c转化为e_α,e_β，所述三相交流电流i_a,i_b,i_c转化为 i_α,i_β。

同时，本实施例将瞬时功率变量引入预测电流方法中，，所述克拉克Clark 变换采用恒功率变换。

其中，所述瞬时无功功率理论认为，瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为：

$\left(\begin{array}{c}p=e_{\alpha }{i}_{\alpha }+e_{\beta }{i}_{\beta }\\ q=e_{\beta }{i}_{\alpha }-e_{\alpha }{i}_{\beta }\end{array}\right).$

其中，p为所述瞬时有功功率，q为所述瞬时无功功率。

步骤103、计算所述直流母线电压及既定直流母线电压指令值间的差值 $\Delta U_{\mathrm{dc}}=U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}};$

其中，所述既定直流母线电压指令值为目标期望指令值，对系统进行输入 时，所输入数据量为母线电压指令值。

步骤104、利用电压外环控制器，输出三相电压型脉冲宽度调制整流器瞬时 有功功率指令值p_ref；

其中，所述电压外环控制器为比例积分PI控制器，其输入量为直流母线电 压实际值和直流母线电压指令值之间的差值，其输出为整流器瞬时有功功率 其中，g_p为所述电压外环PI控制器的比例系数， g_i为所述电压外环PI控制器的积分系数。

步骤105、根据静止坐标系下电压采样值和电流采样值，以及所述三相电压 型脉冲宽度调制整流器瞬时有功功率值，得到两相静止坐标系下期望开关电压 分量；

其中，所述电压采样值为e_α,e_β，所述电流采样值为i_α,i_β，所述电压外环控 制器瞬时有功功率为p_ref，得到所述两相静止坐标系下期望开关电压分量为 u_rα^*，u_rβ^*

步骤106、根据所述两相静止坐标系下期望开关电压分量，利用空间矢量脉 冲宽度调制技术，确定整流器期望开关状态函数，实现所述三相电压型脉冲宽 度调制整流器预测电流控制。

其中，所述空间矢量脉冲宽度调制技术，是以三相对称正弦波电压供电时 三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式做适 当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪准确磁链圆。

所述开关函数S_x(x＝a,b,c)，表示三相电压型PWM整流器三相桥臂的开关情况， 当S_x＝1时表示上桥臂导通、下桥臂关断，反之，当S_x＝0时表示下桥臂导通、上 桥臂关断。

本发明实施例在保留原有主电路和检测电路结构的基础上，通过改变传统 预测电流控制内环结构，实现三相电压型脉冲宽度调制整流器的高效控制。其 中，所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制方法以满足功率跟踪误 差价值函数最小为控制目标预测下一采样时刻交流电流，有效解决了传统预测 电流方法对系统结构参数的依赖性。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流方 法的流程图。图3为本发明所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制 主电路及控制电路结构示意图。

本实施例可适用于三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制，该方法 可以由三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流装置来执行，具体包括如下操 作：

步骤201、检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流器三相交流电压、三相交 流电流和直流母线电压；

其中，所述三相电压型脉冲宽度调制整流器为三相电压型PWM整流器；所 述三相交流电压分别为e_a,e_b,e_c，所述三相交流电流为i_a,i_b,i_c，所述直流母线电 压为U_dc。

步骤202、将所述三相交流电压、所述三相交流电流经过克拉克变换转化为 两相静止坐标系下的电压采样值和电流采样值；

其中，所述克拉克Clark变换是将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物 理量变换到2轴的定子静止坐标系中。因此，所述三相静止坐标系a-b-c下的 所述三相交流电压分别为e_a,e_b,e_c转化为e_α,e_β，所述三相交流电流i_a,i_b,i_c转化为 i_α,i_β。

同时，本实施例将瞬时功率变量引入预测电流方法中，，所述克拉克Clark 变换采用恒功率变换。

其中，所述无功功率理论在两相静止坐标系下表述为：

$\left(\begin{array}{c}p=e_{\alpha }{i}_{\alpha }+e_{\beta }{i}_{\beta }\\ q=e_{\beta }{i}_{\alpha }-e_{\alpha }{i}_{\beta }\end{array}\right)$

其中，p为所述瞬时有功功率，q为所述瞬时无功功率。

步骤203、计算所述直流母线电压及既定直流母线电压指令值间的差值 $\Delta U_{\mathrm{dc}}=U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}};$

其中，所述既定直流母线电压指令值为目标期望指令值，对系统进行输入 时，所输入数据量为母线电压指令值。

步骤204、利用电压外环控制器，输出三相电压型脉冲宽度调制整流器瞬时 有功功率指令值p_ref；

其中，所述电压外环控制器为比例积分PI控制器，所述比例系数用于比例 调节作用，使输出电压产生跃变；所述积分系数用于静态误差调节。

所述电压外环控制器瞬时有功功率其中， g_p为所述电压外环PI控制器的比例系数，g_i为所述电压外环PI控制器的积分系 数。

步骤205、根据所述瞬时无功功率理论建立所述三相电压型脉冲宽度调制整 流器瞬时功率数学模型并离散化，得到采样周期内所述整流器瞬时有功功率跟 踪误差值以及瞬时无功功率跟踪误差值；

设定ω为交流电压角频率，T_s为采样时间。根据瞬时无功功率理论建立所述 三相电压型PWM整流器瞬时功率数学模型并离散化，可得第k个采样周期内整流 器产生的瞬时有功功率跟踪误差Δp和瞬时无功功率跟踪误差Δq分别为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta p}=p_{k+1}-p_k=-{\omega }_1{T}_s{q}_k-p_k+e_{\alpha ,k}{i}_{\alpha ,k+1}+e_{\beta ,k}{i}_{\beta ,k+1}\\ \mathrm{\Delta q}=q_{k+1}-q_k={\omega }_1{T}_s{p}_k-q_k+e_{\beta ,k}{i}_{\alpha ,k+1}-e_{\alpha ,k}{i}_{\beta ,k+1}\end{array}\right)$

步骤206、根据所述电压外环控制器瞬时有功功率指令值；并使瞬时无功功 率指令值为0，通过所述整流器离散电压方程计算，得到所述整流器交流输入期 望开关电压分量。

其中，令瞬时无功功率指令值q_ref＝0，以满足所述三相电压型PWM整流器单 位功率因数运行，并根据所述瞬时有功功率值p_ref、整流器离散电压方程计算整 流器交流输入电压期望分量和

$\left(\begin{array}{c}{u_{\mathrm{r\alpha }}}^{*}=e_{\alpha ,k}-L·(i_{\alpha ,k+1}-i_{\alpha ,k})/T_s\\ {u_{\mathrm{r\beta }}}^{*}=e_{\beta ,k}-L·(i_{\beta ,k+1}-i_{\beta ,k})/T_s\end{array}\right)$

步骤207、根据采样周期内所述整流器瞬时有功功率跟踪误差值以及瞬时无 功功率跟踪误差值得到价值函数；

其中，所述第一价值函数E＝Δp²+Δq²，Δp表示在第(k+1)T_s采样时刻PWM整流器 瞬时有功功率指令值与其期望值之差，Δq表示第(k+1)T_s采样时刻PWM整流瞬时无 功功率指令值与其期望值之差。p^*表示对应有功功率期望值，q^*表示对应无功功 率期望值，进而

$\left(\begin{array}{c}\Delta p_1=p_{\mathrm{ref}}-p^{*}\\ \Delta q_1=q_{\mathrm{ref}}-p^{*}\end{array}\right)$

并且为实现预测电流控制，瞬时功率在第(k+1)T_s时刻的预测值等于其在该时 刻的期望值，即p_k+1＝p*，q_k+1＝q*，进而所述第二价值函数E_s为：

步骤208、计算所述价值函数达到最小值时整流器两相静止坐标系下预测电 流分量。

当要求满足第t＝(k+1)·T_s时刻所述第二价值函数E_s达到最小值，则该时刻交 流电流预测分量i_α,k+1和i_β,k+1为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha ,k+1}=[(p_{\mathrm{ref}}+\omega T_s{q}_k)·e_{\alpha ,k}+(q_{\mathrm{ref}}-\omega T_s{p}_k)·e_{\beta ,k}]/{E_s}^2\\ i_{\beta ,k+1}=[(p_{\mathrm{ref}}+{\omega }_1{T}_s{q}_k)·e_{\beta ,k}-(q_{\mathrm{ref}}-\omega T_s{p}_k)·e_{\alpha ,\beta }]/{E_s}^2\end{array}\right)$

步骤209、对两相静止坐标系下整流器电压方程进行离散化。并将所述电流 预测分量带入，通过计算得到两相静止坐标系下期望开关电压分量。

步骤210、根据所述两相静止坐标系下期望开关电压分量，利用空间矢量脉 冲宽度调制技术，确定整流器期望开关状态函数，实现所述三相电压型脉冲宽 度调制整流器预测电流控制。

其中，所述空间矢量脉冲宽度调制技术，是以三相对称正弦波电压供电时 三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式做适 当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪器准确磁链圆。

所述开关函数S_x(x＝a,b,c)，表示三相电压型PWM整流器三相桥臂的开关情况， 当S_x＝1时表示上桥臂导通、下桥臂关断，反之，当S_x＝0时表示下桥臂导通、上 桥臂关断。

本发明实施例在保留原有主电路和检测电路结构的基础上，通过改变传统 预测电流控制内环结构，实现三相电压型脉冲宽度调制整流器的高效控制。其 中，通过使三相电压型脉冲宽度调制整流器工作在单位功率因数状态下，采用 设定瞬时无功功率指令值为0以满足功率跟踪误差价值函数最小为控制目标预 测下一采样时刻交流电流，有效解决了传统预测电流方法对系统结构参数的依 赖性。

实施例三

图3是本发明所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制装置示意 图。如图3所示，该示意图主要包括传统三相电路及三相电路外围电路中电感、 电容、电阻及半导体三极管；此外，该示意图中还包括三相电压型脉冲宽度调 制整流器预测电流控制装置结构示意图

所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流装置结构包括：参数检测模 块301、克拉克变换模块302、母线差值模块303、电压外环模块304、电流内 环模块305以及空间矢量脉冲宽度调制模块306。

其中，所述参数检测模块301，用于检测所述三相电压型脉冲宽度调制整流 器的三相交流电压、三相交流电流和直流母线电压；并把检测到所述三相交流 电压指、三相交流电流值传递至所述克拉克变换模块302，将所述直流母线电压 值传递至所述母线差值模块303。

所述克拉克变换模块302，用于将所述参数检测模块301检测到的所述三相 交流电压、所述三相交流电流经过克拉克变换转化为两相静止坐标系下的电压 采样值和电流采样值；

所述母线差值计算模板303，用于计算所述直流母线电压及既定直流母线电 压指令间的差值；

所述电压外环模块304，用于利用电压外环控制器，输出三相电压型脉冲宽 度调制整流器瞬时有功功率指令值；

所述电流内环模块305，用于根据静止坐标系下电压采样值和电流采样值， 以及所述电压外环控制器瞬时有功功率指令值，得到两相静止坐标系下期望开 关电压分量。

其中，所述电流内环模块305包括瞬时功率单元、功率0值单元、价值函 数、函数最小值单元以及期望开关电压分量单元。

所述瞬时功率单元，用于根据所述瞬时无功功率理论建立所述三相电压型 脉冲宽度调制整流器瞬时功率数学模型并离散化，得到采样周期内所述整流器 瞬时有功功率实际值以及瞬时无功功率实际值；

所述功率0值单元，用于根据所述电压外环控制器获取瞬时有功功率指令 值；并使瞬时无功功率值为0；

所述价值函数单元，用于根据采样周期内所述整流器瞬时有功功率和瞬时 无功功率二者的实际值与指令值，计算瞬时有功功率跟踪误差以及瞬时无功功 率跟踪误差，构造价值函数；

所述函数最小值单元，用于计算使得价值函数达到最小值时整流器两相静 止坐标系下预测电流分量；

所述期望开关电压分量单元，用于通过所述整流器离散电压方程计算，得 到所述整流器交流输入期望开关电压分量。

所述空间矢量脉冲宽度调制模块306，用于利用空间矢量脉冲宽度调制技 术，根据所述两相静止坐标系下期望开关电压分量，得到整流器开关期望函数。

本发明实施例在保留原有主电路和检测电路结构的基础上，通过改变传统 预测电流控制内环结构，实现三相电压型脉冲宽度调制整流器的高效控制。其 中，所述三相电压型脉冲宽度调制整流器预测电流控制装置以满足功率跟踪误 差价值函数最小为控制目标预测下一采样时刻交流电流，有效解决了传统预测 电流方法对系统结构参数的依赖性。

上所述仅为本发明实施例的优选实施例，并不用于限制本发明实施例，对 于本领域技术人员而言，本发明实施例可以有各种改动和变化。凡在本发明实 施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明实施例的保护范围之内。