不平衡電壓下三相pwm整流器的模型預測控制方法
2023-12-03 20:47:11
專利名稱：不平衡電壓下三相pwm整流器的模型預測控制方法
技術領域：
本發明涉及電壓型PWM整流器的控制方法，屬於電力電子功率變換裝置控制領域，特別涉及一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法。
背景技術：
隨著微處理器技術的快速發展和相關研究的深入，模型預測控制在電力電子及電機驅動的應用中體現出巨大的優勢。模型預測控制是一種基於數學模型來預測控制對象未來響應的控制算法。算法中包含一個根據控制目標進行定義的價值函數。通過最小化價值函數，算法在每個採樣周期預測得到最佳電壓矢量作為下一周期的作用矢量，算法在每個採樣周期循環一次。基於模型預測控制的功率變換器全數字控制方法得到快速發展，該方法不包含線性控制器和調製器，系統具有較快的瞬態響應速度。
大功率單相負載的接入、單相負荷在三相系統中的不均衡分配以及單相負載用電的隨機性等因素，會造成電網三相電壓不平衡。在電網不平衡時，基於模型預測控制器的 PWM整流器交流側功率產生二次脈動，嚴重影響整流器的運行品質。針對電網電壓不平衡時 PWM整流器的控制，傳統方法需要首先對系統中各變量進行正、負序分解運算，然後計算正、 負序電流給定值，再採用控制器對正、負序電流統一進行調節，大大增加了控制方案的運算量。由於模型預測控制採用循環尋優，直接輸出的不定頻控制方式，雖然系統瞬態響應速度優良，但其採樣頻率高，運行性能受系統延遲影響較為明顯。當控制算法較為複雜、運算量較大時，計算過程會產生較大的延遲，影響系統的動態響應速度和控制品質。
因此，有必要設計一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法，在控制系統運行時，不需要複雜的正、負序分解又能夠抑制PWM整流器的輸入功率脈動，保證系統的控制品質。發明內容
本發明解決的技術問題是提供了一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法，該方法可以在三相電壓不平衡情況下，對PWM整流器的輸入功率脈動進行有效抑制，提高了不平衡電壓下PWM整流器的控制效果。
本發明的技術方案為一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法， 其特徵在於包括以下步驟(I)、檢測三相電壓型PWM整流器系統三相電網電壓、三相輸入電流和直流母線電壓，將三相電網電壓信號經過軟體鎖相環得到電網電壓位置角；(2)、將檢測到的三相電網電壓和三相輸入電流經過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電網電壓和輸入電流採樣值；(3)、將直流母線電壓參考值與步驟(I)得到的直流母線電壓實際值做差，經過PI控制器得到同步旋轉坐標系下d軸電流參考值，設q軸電流參考值為0，以電壓位置角度為變換角對d、q軸電流參考值進行反Park變換，得到兩相靜止坐標系下的電流參考值；(4)、根據兩相靜止坐標下的電網電壓和電網電流計算系統有功功率和無功功率的實際值，將系統有功功率和無功功率實際值取反，分別經過比例諧振控制器(I)、比例諧振控制器(2)並通過補償電壓計算得到有功功率、無功功率二倍頻補償電壓；(5)、將步驟(4)得到的二倍頻補償電壓以電網電壓位置角度為變換角進行反Park變換，得到兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓；(6)、採用步驟(5)得到的兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓分別對各開關組合作用下整流器在兩相靜止坐標系下的輸入電壓進行補償，得到補償後的各開關組合作用下整流器在兩相靜止坐標系下的輸入電壓；(7)、將步驟(3)中計算得到的兩相靜止坐標系下的電流參考值、步驟(2)中計算得到的兩相靜止坐標系下的電網電壓和電流採樣值，以及步驟(6)中得到的補償後的各輸入電壓分別作為模型預測控制器的輸入;(8)、將三相電壓型PWM整流器模型作為預測模型，通過預測模型獲得各電壓矢量作用下的預測電流，通過價值函數選擇使電流給定值與電流預測值之差的絕對值最小的電壓矢量作為最優電壓矢量；(9)、用步驟(8)得到的最優電壓矢量對應的開關位置信號作為控制功率器件的開關信號。
作為進一步的實施方式，步驟(6)中所述的補償過程具體為將各開關組合作用下整流器在兩相靜止坐標系下的輸入電壓分別與步驟(4)得到的兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓相減，得到補償後的各開關組合作用下的輸入電壓。
本發明的不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法，通過對各開關組合作用下整流器的輸出電壓進行實時二倍頻補償，消除了電網電壓不平衡對控制系統造成的影響，消除了三相PWM整流器在電網不平衡情況下的輸入功率波動，增強了模型預測控制系統在電網不平衡時的運行性能。
圖I為三相電壓型P麗變換器主電路結構；圖2為基於模型預測控制的三相PWM 整流器控制結構圖；圖3為本發明控制系統的結構原理圖；圖4為採用本發明控制算法前後的輸入功率波形圖。
具體實施方法結合附圖詳細描述實施例。三相電壓型PWM整流器主電路拓撲結構如圖I所示。圖中， uga、ugb, Ugc為交流側三相電壓源，iga、igb、igc為三相交流側電流，uca, uch, Ucc為整流橋輸入側三相電壓，Uic為直流側電壓，Zg和TPg分別為進線電感及其等效電阻，C為直流濾波電容， O為電網中點，iL為負載電流，直流側負載由電阻慫等效表示。
三相VSR的數學模型可通過坐標變換轉換到兩相靜止坐標系中，表示為
權利要求
1.一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法，其特徵在於包括以下步驟(I)、檢測三相電壓型PWM整流器系統三相電網電壓、三相輸入電流和直流母線電壓， 將三相電網電壓信號經過軟體鎖相環得到電網電壓位置角；(2)、將檢測到的三相電網電壓和三相輸入電流經過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電網電壓和輸入電流採樣值;(3)、將直流母線電壓參考值與步驟(I)得到的直流母線電壓實際值做差，經過PI控制器得到同步旋轉坐標系下d軸電流參考值，設q軸電流參考值為0，以電壓位置角度為變換角對 d、q軸電流參考值進行反Park變換，得到兩相靜止坐標系下的電流參考值；(4)、根據兩相靜止坐標下的電網電壓和電網電流計算系統有功功率和無功功率的實際值，將系統有功功率和無功功率實際值取反，分別經過比例諧振控制器(I)、比例諧振控制器⑵並通過補償電壓計算得到有功功率、無功功率二倍頻補償電壓；(5)、將步驟(4)得到的二倍頻補償電壓以電網電壓位置角度為變換角進行反Park變換，得到兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓；(6)、採用步驟(5)得到的兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓分別對各開關組合作用下整流器在兩相靜止坐標系下的輸入電壓進行補償，得到補償後的各開關組合作用下整流器在兩相靜止坐標系下的輸入電壓；(7)、將步驟(3)中計算得到的兩相靜止坐標系下的電流參考值、步驟(2)中計算得到的兩相靜止坐標系下的電網電壓和電流採樣值，以及步驟(6)中得到的補償後的各輸入電壓分別作為模型預測控制器的輸入；(8)、將三相電壓型 PWM整流器模型作為預測模型，通過預測模型獲得各電壓矢量作用下的預測電流，通過價值函數選擇使電流給定值與電流預測值之差的絕對值最小的電壓矢量作為最優電壓矢量;(9)、用步驟(8)得到的最優電壓矢量對應的開關位置信號作為控制功率器件的開關信號。
2.根據權利要求I所述的不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法，其特徵在於所述步驟(6)中的補償過程具體為將各開關組合作用下整流器在兩相靜止坐標系下的輸入電壓分別與步驟(4)得到的兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓相減，得到補償後的各開關組合作用下的輸入電壓。
全文摘要
本發明公開了一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法。本發明的技術方案要點為一種不平衡電壓下三相PWM整流器的模型預測控制方法，將計算得到的輸入有功功率、無功功率取反，經比例諧振控制器，再通過補償電壓計算得到兩相旋轉坐標系下的二倍頻補償電壓，然後經過反Park變換得到兩相靜止坐標系下的二倍頻補償電壓並補償到傳統模型預測控制的輸出電壓中，通過價值函數選擇使電流給定值與電流預測值之差的絕對值最小的電壓矢量作為最優電壓矢量，並作為控制功率器件的開關信號。本發明在電網電壓不平衡條件下能夠有效抑制整流器輸入功率的二倍頻波動，控制結構簡單，系統延時較小，能夠同時消除系統輸入有功功率、無功功率的二次脈動。
文檔編號H02M1/12GK102916599SQ20121041600
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者施豔豔, 王萌 申請人:河南師範大學