法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-01-04
授权
授权
2016-05-11
实质审查的生效 IPC(主分类):H02M7/217 申请日:20140917
实质审查的生效
2016-04-13
公开
公开
技术领域
本发明属于整流领域,具体涉及一种三相四开关功率变换器拓扑 下直接功率控制的模型预测控制方法。
背景技术
近年来,以由六开关三相全控型电力电子器件组成的整流器,由 于其可以控制能量的双向流动,功率因数可控,良好的直流电压调节 性能,正弦的输入电流等诸多优点,在太阳能、风能等可再生能源并 网发电,有源电力滤波器,以及变频调速等系统中得到了广泛的应用。 这其中,变换器能量密度高,电力电子器件又相对“脆弱”,一旦变 换器某只功率管发生开路或短路故障,整个系统便丧失了正常工作的 能力,甚至发生灾难性后果,尤其是不间断电源的应用场合。
随着对整流器系统安全性、可靠性的要求越来越高,实时容错控 制受到高度重视,然而大部分整流系统不配备冗余备份,这使得无冗 余的三相四开关容错拓扑结构受到更大的关注。在三相六开关整流器 一相功率管故障以后,可以将该桥臂接入电容中性点,恢复系统功能。 三相四开关整流器为三相六开关的整流器提供了一套无冗余的容错 方案。在众多针对三相四开关整流系统控制策略的专利和文献中,其 大致方法分为两类:一类是假定直流电容电压是恒定不变的,在此基 础上设计控制算法,由于电网的一相直接接到了电容中性点,相电流 的流动会导致电容电压的波动和漂移,因此这类方法并不能用于实际 系统;另一类是针对电容电压波动和漂移基于一些稳态假定设计的控 制算法,但是这种算法一般是稳态的控制策略,其在电压调节的动态 性能较差。
发明内容
为了克服现有三相四开关整流系统控制策略的不足,本发明提出 了一种三相四开关功率变换器拓扑下直接功率控制的模型预测控制 方法。该方法能在电容电压波动的情况下,实现高性能的无功功率和 有功功率的闭环控制,而且还能抑制电容电压的漂移,不需要脉宽调 制器和坐标变换。该方法适用于三相四开关驱动的各种整流器、有源 电力滤波器。
为了实现上述目的,本发明提供了一种三相四开关功率变换器拓 扑下直接功率控制的模型预测控制方法,具体包括:
(1)通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测 出三相电流iak,ibk,ick,电容电压u1k,u2k和电网相电压eabk,eack;并通过线 电压计算电网相电压eak,ebk,eck;
(2)通过测量的电容电压u1k,u2k计算四个电压矢量V1,V2,V3,V4当前 时刻的值,通过电网相电压eak,ebk,eck计算电压矢量通过相电流 iak,ibk,ick计算电流矢量的值,其中四种开关组合为00,10,11,01;
(3)根据整流器的数学模型,预测四个电压矢量k+1时刻对应 电流矢量和电网电压矢量
(4)根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Qink+1和有功功率 Pink+1的预测值;
(5)通过整流器数学模型将电容电压的均压控制转化为对中性 点连接相的电流控制;
(6)根据无功功率,有功功率和中性点连接相电流的预测值求 取每个电压矢量对应的代价函数值,取使得代价函数最小Ji的电压矢 量为最优的电压矢量;
(7)施加最优电压矢量对应的开关信号。其中电压矢量与开关 信号的对应关系如步骤(2)中相同。
本发明的优点在于,在电容电压波动的情况下,能够实现三相四 开关整流器的无功功率和有功功率的闭环控制,实现功率因数可控, 总谐波畸变率在5%以内(国家标准)正弦的输入电网电流。在不对 称的功率变换器拓扑下,实现了三相电网电流的均衡控制。在控制上, 实现了抑制电容电压的漂移,提升了这类系统的可靠性。同时本发明 直接控制功率变换器开关,不需要脉宽调制器,简化了控制结构。本 方法在静止坐标系下完成,无需鉴相和坐标变换,简化了控制算法。
附图说明
图1为本发明方法适用的三相四开关整流系统及其基本结构图;
图2为本发明方法的控制结构框图;
图3为本发明三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制 方法的控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合 附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描 述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外, 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此 之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,本发明所涉及的是三相整流系统的电网,功率变换 器结构和直流用电器的连接模型。三相电网通过直流升压电感和逆变 器相连,整流器三相中的两相接正常的开关桥臂,第三相接直流侧的 电容中性点。
如图2所示,本发明所涉及的控制框图,以及与三相四开关与电 网的连接框图,结合附图2说明本发明采用的技术方案的原理:
为了实现高性能的闭环控制策略,电压外环控制采用传统的比例 积分控制器获得转矩的给定值,电流内环控制采用模型预测直接功率 控制器,本方案包含实时电压矢量更新,无功功率、有功功率、电容 电压预测,代价函数最优化三个步骤。
首先,电容电压的波动会导致整流器的电压矢量在相角和幅值上 产生偏移,从而导致很大的模型误差,使得预测控制失效。本发明根 据测量的电容电压值,实时更新四个电压矢量的幅值和相位,克服电 容电压波动对控制算法的影响。
其次,利用整流器的数学模型,将当前四种开关状态对应的四个 电压矢量一一代入模型中,预测不同电压矢量下的下一采样周期的有 功功率,无功功率,将对电容电压漂移的抑制转化为对接电容中性点 相电流的控制。
最后,将预测的无功功率,有功功率,电容电压抑制相同参考值 分别作差,求其绝对值,并乘以相应的权重系数,相加后得到代价函 数,四个电压矢量对应四个代价函数取值,将代价函数取值的最小电 压矢量对应的开关信号施加到整流器。
通过霍尔电压传感器从三相电网中获取三相电网的交流电压,从 电流霍尔传感器中获取三相电网的相电流,从直流电压霍尔传感器中 获取两个直流侧电容的电压。以上变量作为控制系统的输入量参与系 统控制。控制系统直接输出离散的开关信号,简化了控制结构。本控 制系统分为内外两个控制环:外环为传统的PI调节器,实现直流电 压输出的闭环控制,并通过速度调节器产生有功功率的给定;内环为 模型预测控制器,实现整流器有功功率和无功功率的闭环控制,同时 在内环也实现了电容电压漂移的抑制。
如图3所示,为本发明三相四开关整流器直接功率控制的模型预 测控制方法的控制流程图,如图所示,所述方法包括:
(1)初始化将代价函数g初始化为一个足够大的值。
(2)通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测 出三相电流iak,ibk,ick,电容电压u1k,u2k和线电压eabk,eack;并通过线电压 计算电网相电压eak,ebk,eck,标k表示采样时刻。
上标k表示采样时刻k时的变量值。
(3)通过测量的电容电压u1k,u2k计算四个电压矢量V1,V2,V3,V4当前 时刻的值,通过电网相电压eak,ebk,eck计算电网电压矢量通过相电 流iak,ibk,ick计算电流矢量的值,其中四种开关组合为00,10,11,01; 电压矢量的计算方法,按表1所示。
表1
电网电压矢量的计算方法:
电流矢量计算方法如下:
(4)根据整流器的数学模型,预测四个电压矢量k+1时刻对应 电流矢量和电网电压矢量ek+1:
其中,Ls为整流桥前端升压电感,Rs为其内阻,Ts为控制系统的 采样周期。当控制周期足够小时,可认为相电压矢量满足:
(5)根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Qink+1和有功功率 Pink+1的预测值。
其中,表示电流矢量的共轭值,Re{}是取算式的实部,Im{}表示 去算式的虚部。
(6)通过预测模型抑制电容电压的漂移;两电容直接和a相相 连接,由基尔霍夫电流定律可以得出,电容电压和a相电流满足:
其中,C为直流电容的电容值。为了使得两电容电压的平均值保 持在总直流电压的一半,实现均压控制,设定两电容的参考值为
可以将上两式合并,将均压控制转换为对ia*的设定。
对于iak+1的预测可以通过以下公式获得。
(7)根据无功功率,有功功率和电容电压的预测值求取每个电 压矢量对应的代价函数值,取使得代价函数最小Ji的电压矢量为最优 的电压矢量;
其中Pnom为功率变换器最大的输入功率,Inom为功率变换器最大的 输入电流。Pin*为有功功率给定,是通过外环比例积分控制器给定,Qin*的给定可以调节系统输出的功率因数。λ,均为可调参数,通过凑 试法获得参数,使系统整体性能最优。下标i分别代表由四个电压矢 量计算出来的参数。
(8)施加最优电压矢量对应的开关信号。使得代价函数最小的Ji的电压矢量被认为是四个电压矢量中最优的电压矢量施加最佳 电压矢量所对应的开关组合,其对应关系如表1,实现系统的最优控 制。
(9)下一时刻重复1-8,以获取下一时刻的最优电压矢量。
机译: H桥同步整流器,用于提供例如机动车交流发电机起动器,具有四个开关,每个开关具有由逻辑电路控制的并联晶体管数量,其中从开关消耗的功率中找到数量
机译: 准直接三相交流/交流脉冲转换器的控制方法,涉及相对于条件的切换时间和/或输出部的调制指数在半个周期内选择整流器输入部
机译: 准直接三相AC / AC脉冲转换器控制方法,包括将开关与另一个开关连接,并提供输出级的有功空转状态的总周期,以重组前一个开关的存储负载