CN108616132A - 一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法 - Google Patents

一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，该方法根据***的离散化预测模型，分析非零电压矢量以及零电压矢量对有功以及无功功率变化率的影响，预测在不同的电压矢量组合下有功与无功功率的大小，根据功率误差最小的原则来选择合适的电压矢量组合以及计算相应的作用时间；通过脉冲宽度调制技术，驱动六个开关管动作，从而控制有功与无功功率跟随其给定值。该方法无需交流侧电网电压传感器，节约了成本并提高了***的可靠性；在一个周期内采用三个电压矢量，能够有效地抑制功率脉动；对有功及无功功率进行补偿，减少电流谐波畸变率；采用预测功率控制，能够实现有功以及无功功率无静差。

Description

一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法
技术领域
本发明涉及电气传动技术，特别是涉及一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法。
背景技术
目前，随着电力电子技术的发展以及半导体开关器件性能的不断提高，三相PWM整流器已从不控整流发展到可控整流。PWM整流器采用全控型器件代替二极管或晶闸管，功率因数可调，且能量可双向流动，实现了真正的“绿色电能变换”。由于PWM整流器网侧具有受控源特性，还可应用于有源电力滤波器、静止无功发生器、统一潮流控制器、超导储能等领域，具有很大的研究价值。
对于三相PWM整流器的控制，国内外学者提出了许多高效的控制方法。根据控制对象的不同，可分为矢量控制(VOC)和直接功率控制(DPC)两种。其中，直接功率控制策略因其结构、算法简单、动态响应快，受到了国内外学者的极大关注。直接功率控制采用电压外环与功率内环的控制结构，通过有功和无功功率滞环比较以及电网电压矢量的位置来选择合适的开关表，进而控制PWM整流器动作，从而使得有功功率以及无功功率跟其随给定值，但其开关频率不固定，输出滤波器的设计较为复杂，且只有在较高地采样频率的条件下，才能达到较好的控制效果。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种开关频率固定、便于滤波器设计以及控制效果很好的基于三矢量的模型预测直接功率控制方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，包括以下步骤：
S1：采集三相电压型PWM整流器的对称三相电流ia、ib、ic，直流母线电压Udc和负载电流iL；
S2：直流母线电压Udc与给定直流母线电压Uref的差值经PI调节器输出，输出值与直流母线电压Udc的乘积为给定有功功率pref；给定无功功率qref＝0；
S3：根据对称三相电流ia、ib、ic和三相电压型PWM整流器的六个开关管状态得到虚拟磁链ψ、有功功率p、无功功率q以及电网电压在αβ坐标系下的分量eα和eβ；
S4：对k时刻的有功功率p以及k时刻的无功功率q进行补偿，得到k时刻的有功功率补偿值以及k时刻的无功功率补偿值
S5：根据***的离散化模型，得到七个电压矢量V0,V1,…,V6所对应k+1时刻的瞬时有功功率变化率以及k+1时刻的无功功率变化率0≤n≤6；
S6：根据目标函数cf最优的原则分别计算六个电压矢量组合(V1,V2,V0),(V2,V3,V0),…,(V6,V1,V0)中各个电压矢量的作用时间，并预测六个电压矢量组合所对应的k+1时刻的有功功率以及k+1时刻的无功功率并得到其相对应的目标函数值cfn；
S7：根据目标函数最小的原则，找出目标函数值最小所对应的电压矢量组合，并由已知的作用时间，结合脉宽调制技术得到三相电压型PWM整流器的六个开关管的控制信息，驱动开关管动作，使得有功功率p和无功功率q跟随其给定值。
进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：三相电压型PWM整流器的六个开关管为IGBT开关管，这六个IGBT开关管的状态Sa/b/c采用式(1)的方式表示：
S3.2：利用克拉克变换得到直流母线电压Udc在αβ坐标系下的分量uconvα和uconvβ，如式(2)所示：
式(2)中，Sa为a相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态，Sb为b相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态，Sc为c相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态；
S3.3：利用克拉克变换得到对称三相电流ia、ib、ic在αβ坐标系下的分量iα和iβ，如式(3)所示：
S3.4：利用公式得到虚拟磁链ψ在αβ坐标系下的分量ψα和ψβ，其中：L为三相电压型PWM整流器交流侧的滤波电感；
S3.5：利用公式得到有功功率p和无功功率q，其中：ω为电网电压角速度；
S3.6：利用公式得到估算的电网电压在αβ坐标系下的分量eα和eβ。
进一步，所述步骤S4中，k时刻的有功功率补偿值以及k时刻的无功功率补偿值的表达式为：
式(4a)和(4b)中，和为k时刻所采用的非零电压矢量，是非零电压矢量的作用时间，是非零电压矢量的作用时间，是零电压矢量V0的作用时间，是非零电压矢量对应的有功功率变化率，是非零电压矢量对应的有功功率变化率，是零电压矢量V0对应的有功功率变化率，是非零电压矢量对应的无功功率变化率，是非零电压矢量对应的无功功率变化率，是零电压矢量V0对应的无功功率变化率，pk为k时刻瞬时有功功率，qk为k时刻瞬时无功功率。
进一步，所述步骤S5中，各个电压矢量所对应k+1时刻的瞬时有功功率变化率以及k+1时刻的无功功率变化率如(5a)和(5b)所示：
式(5a)和(5b)中，是在不同的电压矢量作用下，三相电压型PWM整流器离散电压在α-β坐标系下的α分量；是在不同的电压矢量作用下，三相电压型PWM整流器离散电压在α-β坐标系下的β分量；R为三相电压型PWM整流器交流侧的电阻，ω为电网电压角频率，L为三相电压型PWM整流器交流侧的滤波电感。
进一步，所述步骤S6中具体包括以下步骤：
S6.1：确定目标函数cf的表达式，如(6)所示：
cf＝(pref-pk+1)2+(qref-qk+1)2 (6)
式(6)中，pk+1为(Va,Vb,V0)这一电压矢量组合作用下的k+1时刻的有功功率，qk+1为(Va,Vb,V0)这一电压矢量组合作用下的k+1时刻的无功功率；
S6.2：在一个周期内采用三个电压矢量，其中包括两个非零电压矢量以及一个零电压矢量；根据两个非零电压矢量为连续的矢量以及V0作为零电压矢量的原则，总共有六个不同的电压矢量组合，如(V1,V2,V0),(V2,V3,V0),…,(V6,V1,V0)；
S6.3：当六个不同的电压矢量组合分别作用时，根据目标函数最优的原则可以选则最优的电压矢量组合；假设电压矢量组合(V1,V2,V0)作用时，其非零电压矢量的作用时间如(7a)和(7b)所示：
式(7)中，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V0对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率，是是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V0对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率；
如果其中Ts为一个开关周期的时间，为电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的作用时间，为电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的作用时间，则其非零矢量作用时间调整为：
根据两个非零电压矢量的作用时间以及一个开关周期的时间为Ts，得到零电压矢量的作用时间为：
S6.4：根据所得到的各个电压矢量作用时间，可以预测在电压矢量组合(V1,V2,V0)作用下的k+1时刻的有功功率以及电压矢量组合(V1,V2,V0)作用下的k+1时刻的无功功率如(10a)和(10b)所示
式(10a)和(10b)中，再根据式(6)，可以得到假设该电压矢量组合在k+1时刻作用时，目标函数的值cf1；
S6.5：采用S6.1-S6.4同样的做法得到在其他的电压矢量组合下作用下目标函数的值，分别为cf2,...,cf6。
有益效果：本发明公开了一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)无需交流侧电网电压传感器，节约了成本并提高了***的可靠性；
2)在一个开关周期内采用三个电压矢量，有效抑制功率脉动；
3)开关频率固定，便于滤波器的设计；
4)对有功及无功功率进行补偿，减少电流谐波畸变率；
5)采用预测功率控制，实现有功以及无功功率无静差。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中三相电压型PWM整流器主电路的结构图；
图2为本发明具体实施方式中控制***的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，包括以下步骤：
S1：采集三相电压型PWM整流器的对称三相电流ia、ib、ic，直流母线电压Udc和负载电流iL；
S2：直流母线电压Udc与给定直流母线电压Uref的差值经PI调节器输出，输出值与直流母线电压Udc的乘积为给定有功功率pref；给定无功功率qref＝0；
S3：根据对称三相电流ia、ib、ic和三相电压型PWM整流器的六个开关管状态得到虚拟磁链ψ、有功功率p、无功功率q以及电网电压在αβ坐标系下的分量eα和eβ；
S4：对k时刻的有功功率p以及k时刻的无功功率q进行补偿，得到k时刻的有功功率补偿值以及k时刻的无功功率补偿值
S5：根据***的离散化模型，得到七个电压矢量V0,V1,…,V6所对应k+1时刻的瞬时有功功率变化率以及k+1时刻的无功功率变化率0≤n≤6；
S6：根据目标函数cf最优的原则分别计算六个电压矢量组合(V1,V2,V0),(V2,V3,V0),…,(V6,V1,V0)中各个电压矢量的作用时间，并预测六个电压矢量组合所对应的k+1时刻的有功功率以及k+1时刻的无功功率并得到其相对应的目标函数值cfn；
S7：根据目标函数最小的原则，找出目标函数值最小所对应的电压矢量组合，并由已知的作用时间，结合脉宽调制技术得到三相电压型PWM整流器的六个开关管的控制信息，驱动开关管动作，使得有功功率p和无功功率q跟随其给定值。
步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：三相电压型PWM整流器的六个开关管为IGBT开关管，这六个IGBT开关管的状态Sa/b/c采用式(1)的方式表示：
S3.2：利用克拉克变换得到直流母线电压Udc在αβ坐标系下的分量uconvα和uconvβ，如式(2)所示：
式(2)中，Sa为a相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态，Sb为b相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态，Sc为c相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态；
S3.3：利用克拉克变换得到对称三相电流ia、ib、ic在αβ坐标系下的分量iα和iβ，如式(3)所示：
S3.4：利用公式得到虚拟磁链ψ在αβ坐标系下的分量ψα和ψβ，其中：L为三相电压型PWM整流器交流侧的滤波电感；
S3.5：利用公式得到有功功率p和无功功率q，其中：ω为电网电压角速度；
S3.6：利用公式得到估算的电网电压在αβ坐标系下的分量eα和eβ。
步骤S4中，k时刻的有功功率补偿值以及k时刻的无功功率补偿值的表达式为：
式(4a)和(4b)中，和为k时刻所采用的非零电压矢量，是非零电压矢量的作用时间，是非零电压矢量的作用时间，是零电压矢量V0的作用时间，是非零电压矢量对应的有功功率变化率，是非零电压矢量对应的有功功率变化率，是零电压矢量V0对应的有功功率变化率，是非零电压矢量对应的无功功率变化率，是非零电压矢量对应的无功功率变化率，是零电压矢量V0对应的无功功率变化率，pk为k时刻瞬时有功功率，qk为k时刻瞬时无功功率。
步骤S5中，各个电压矢量所对应k+1时刻的瞬时有功功率变化率以及k+1时刻的无功功率变化率如(5a)和(5b)所示：
式(5a)和(5b)中，是在不同的电压矢量作用下，三相电压型PWM整流器离散电压在α-β坐标系下的α分量；是在不同的电压矢量作用下，三相电压型PWM整流器离散电压在α-β坐标系下的β分量；R为三相电压型PWM整流器交流侧的电阻，ω为电网电压角频率，L为三相电压型PWM整流器交流侧的滤波电感。
步骤S6中具体包括以下步骤：
S6.1：确定目标函数cf的表达式，如(6)所示：
cf＝(pref-pk+1)2+(qref-qk+1)2 (6)
式(6)中，pk+1为(Va,Vb,V0)这一电压矢量组合作用下的k+1时刻的有功功率，qk+1为(Va,Vb,V0)这一电压矢量组合作用下的k+1时刻的无功功率；
S6.2：在一个周期内采用三个电压矢量，其中包括两个非零电压矢量以及一个零电压矢量；根据两个非零电压矢量为连续的矢量以及V0作为零电压矢量的原则，总共有六个不同的电压矢量组合，如(V1,V2,V0),(V2,V3,V0),…,(V6,V1,V0)；
S6.3：当六个不同的电压矢量组合分别作用时，根据目标函数最优的原则可以选则最优的电压矢量组合；假设电压矢量组合(V1,V2,V0)作用时，其非零电压矢量的作用时间如(7a)和(7b)所示：
式(7)中，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V0对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率，是是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V0对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率；
如果其中Ts为一个开关周期的时间为电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的作用时间，为电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的作用时间，则其非零矢量作用时间调整为：
根据两个非零电压矢量的作用时间以及一个开关周期的时间为Ts，得到零电压矢量的作用时间为：
S6.4：根据所得到的各个电压矢量作用时间，可以预测在电压矢量组合(V1,V2,V0)作用下的k+1时刻的有功功率以及电压矢量组合(V1,V2,V0)作用下的k+1时刻的无功功率如(10a)和(10b)所示
式(10a)和(10b)中，再根据式(6)，可以得到假设该电压矢量组合在k+1时刻作用时，目标函数的值cf1；
S6.5：采用S6.1-S6.4同样的做法得到在其他的电压矢量组合下作用下目标函数的值，分别为cf2,...,cf6。
如图1所示为三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构图，包括三相电网电压ua/b/c、交流侧的滤波电感L、滤波电容C、电阻负载RL和六个IGBT开关管组成的整流桥；图1中：R为交流侧的滤波电感L上的寄生电阻，ia/b/c为对称三相电流，Sa/b/c为六个IGBT开关管状态，idc为直流侧电流，ic为滤波电容电流，Udc为直流母线电压，iL为负载电流。
本案的控制***如图2所示，包括控制电路和功率主电路：控制电路包括霍尔传感器和主控芯片，本案采用的主控芯片为DSP28335；功率主电路主要包括电压外环和功率内环。

Claims (5)

1.一种基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采集三相电压型PWM整流器的对称三相电流ia、ib、ic，直流母线电压Udc和负载电流iL；
S2：直流母线电压Udc与给定直流母线电压Uref的差值经PI调节器输出，输出值与直流母线电压Udc的乘积为给定有功功率pref；给定无功功率qref＝0；
S3：根据对称三相电流ia、ib、ic和三相电压型PWM整流器的六个开关管状态得到虚拟磁链ψ、有功功率p、无功功率q以及电网电压在αβ坐标系下的分量eα和eβ；
S4：对k时刻的有功功率p以及k时刻的无功功率q进行补偿，得到k时刻的有功功率补偿值以及k时刻的无功功率补偿值
S5：根据***的离散化模型，得到七个电压矢量V0,V1,…,V6所对应k+1时刻的瞬时有功功率变化率以及k+1时刻的无功功率变化率0≤n≤6；
S6：根据目标函数cf最优的原则分别计算六个电压矢量组合(V1,V2,V0),(V2,V3,V0),…,(V6,V1,V0)中各个电压矢量的作用时间，并预测六个电压矢量组合所对应的k+1时刻的有功功率以及k+1时刻的无功功率并得到其相对应的目标函数值cfn；
S7：根据目标函数最小的原则，找出目标函数值最小所对应的电压矢量组合，并由已知的作用时间，结合脉宽调制技术得到三相电压型PWM整流器的六个开关管的控制信息，驱动开关管动作，使得有功功率p和无功功率q跟随其给定值。
2.根据权利要求1所述的基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：三相电压型PWM整流器的六个开关管为IGBT开关管，这六个IGBT开关管的状态Sa/b/c采用式(1)的方式表示：
S3.2：利用克拉克变换得到直流母线电压Udc在αβ坐标系下的分量uconvα和uconvβ，如式(2)所示：
式(2)中，Sa为a相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态，Sb为b相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态，Sc为c相电压型PWM整流器的六个IGBT开关管状态；
S3.3：利用克拉克变换得到对称三相电流ia、ib、ic在αβ坐标系下的分量iα和iβ，如式(3)所示：
S3.4：利用公式得到虚拟磁链ψ在αβ坐标系下的分量ψα和ψβ，其中：L为三相电压型PWM整流器交流侧的滤波电感；
S3.5：利用公式得到有功功率p和无功功率q，其中：ω为电网电压角速度；
S3.6：利用公式得到估算的电网电压在αβ坐标系下的分量eα和eβ。
3.根据权利要求1所述的基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，k时刻的有功功率补偿值以及k时刻的无功功率补偿值的表达式为：
式(4a)和(4b)中，和为k时刻所采用的非零电压矢量，是非零电压矢量的作用时间，是非零电压矢量的作用时间，是零电压矢量V0的作用时间，是非零电压矢量对应的有功功率变化率，是非零电压矢量对应的有功功率变化率，是零电压矢量V0对应的有功功率变化率，是非零电压矢量对应的无功功率变化率，是非零电压矢量对应的无功功率变化率，是零电压矢量V0对应的无功功率变化率，pk为k时刻瞬时有功功率，qk为k时刻瞬时无功功率。
4.根据权利要求1所述的基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S5中，各个电压矢量所对应k+1时刻的瞬时有功功率变化率以及k+1时刻的无功功率变化率如(5a)和(5b)所示：
式(5a)和(5b)中，是在不同的电压矢量作用下，三相电压型PWM整流器离散电压在α-β坐标系下的α分量；是在不同的电压矢量作用下，三相电压型PWM整流器离散电压在α-β坐标系下的β分量；R为三相电压型PWM整流器交流侧的电阻，ω为电网电压角频率，L为三相电压型PWM整流器交流侧的滤波电感。
5.根据权利要求1所述的基于三矢量的模型预测直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S6中具体包括以下步骤：
S6.1：确定目标函数cf的表达式，如(6)所示：
cf＝(pref-pk+1)2+(qref-qk+1)2 (6)
式(6)中，pk+1为(Va,Vb,V0)这一电压矢量组合作用下的k+1时刻的有功功率，qk+1为(Va,Vb,V0)这一电压矢量组合作用下的k+1时刻的无功功率；
S6.2：在一个周期内采用三个电压矢量，其中包括两个非零电压矢量以及一个零电压矢量；根据两个非零电压矢量为连续的矢量以及V0作为零电压矢量的原则，总共有六个不同的电压矢量组合，如(V1,V2,V0),(V2,V3,V0),…,(V6,V1,V0)；
S6.3：当六个不同的电压矢量组合分别作用时，根据目标函数最优的原则可以选则最优的电压矢量组合；假设电压矢量组合(V1,V2,V0)作用时，其非零电压矢量的作用时间如(7a)和(7b)所示：
式(7)中，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V0对应的k+1时刻的瞬时有功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率，是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率，是是电压矢量组合(V1,V2,V0)中V0对应的k+1时刻的瞬时无功功率的变化率；
如果其中Ts为一个开关周期的时间，为电压矢量组合(V1,V2,V0)中V1对应的k+1时刻的作用时间，为电压矢量组合(V1,V2,V0)中V2对应的k+1时刻的作用时间，则其非零矢量作用时间调整为：
根据两个非零电压矢量的作用时间以及一个开关周期的时间为Ts，得到零电压矢量的作用时间为：
S6.4：根据所得到的各个电压矢量作用时间，可以预测在电压矢量组合(V1,V2,V0)作用下的k+1时刻的有功功率以及电压矢量组合(V1,V2,V0)作用下的k+1时刻的无功功率如(10a)和(10b)所示
式(10a)和(10b)中，再根据式(6)，可以得到假设该电压矢量组合在k+1时刻作用时，目标函数的值cf1；
S6.5：采用S6.1-S6.4同样的做法得到在其他的电压矢量组合下作用下目标函数的值，分别为cf2,...,cf6。
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