CN111211701A - 一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，包括如下步骤：1)获得三相电网电压的A相电压、三相电流，三相相位信息；2)建立B相电路的数学模型，将B相电压展开为傅里叶级数，取B相电流和B相电压展开的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合相位信息设计状态观测器，计算得到B相电压的估计值；3)仿照步骤2，计算得到C相电压的估计值；4)结合得到的三相电压和三相电流，根据三相电压源型PWM整流器的拓扑建立其数学模型，利用一阶前向欧拉近似将该数学模型离散化得到电流的预测方程；5)设计价值函数，通过比较价值函数在不同开关状态下的值，选出最优的开关状态实现电流的控制。本发明降低应用成本，增强适应环境的能力。

Description

一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流器控制领域，特别是指一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法。

背景技术

近些年来，电力电子技术高速发展，整流器作为重要的变流器件得到了广泛关注，它能够将交流电变换为直流电，整流器在并网电力***转换中应用广泛，尤其是在风力发电、微电网和分布式发电***等方面。在整流器的诸多类型中，三相电压源型PWM整流器以其结构简单、高效可靠、控制方便、储能效率高等诸多优点成为整流器的研究重点。通常来说，若要实现整流器的控制，需要获得电网电压和电流的信息，这就需要使用传感器进行采集，而传感器的使用增加了硬件成本且适应环境能力不强。而且在电网较为薄弱的地区，还普遍存在着电网电压畸变这一情况。

发明内容

本发明的主要目的在于电网电压畸变的情况下实现少电压传感器的整流器的电流控制，以获得低畸变输入电流、低纹波直流侧电压和单位/可调功率因数，提出一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)使用传感器获得三相电网电压的A相电压及三相电流，使用锁相环检测出A相电压的相位信息，B、C两相电压的相位信息与A相相同；

2)建立B相电路的数学模型，将B相电压展开为傅里叶级数，取B相电流和B相电压展开的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合步骤1)所得的相位信息设计状态观测器，利用观测器得到的信息，计算得到B相电压的估计值；

3)建立C相电路的数学模型，将C相电压展开为傅里叶级数，取C相电流和C相电压展开后的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合步骤1)所得的相位信息设计状态观测器，利用观测器得到的信息，计算得到C相电压的估计值；

4)结合以上步骤得到的三相电压和三相电流，根据三相电压源型PWM整流器的拓扑建立其数学模型，利用一阶前向欧拉近似将整流器的数学模型离散化得到电流的预测方程；

5)设计价值函数，通过比较价值函数在不同开关状态下的值，选出最优的开关状态实现电流的控制。

优选的，所述将B相电压展开为傅里叶级数，具体如下：

其中e_b为B相电压，θ为相位,a₀代表e_b的直流分量，a_i和b_i代表e_b的第i阶谐波分量的系数,n代表e_b所含有的谐波阶数的最高次。

优选的，所述根据三相电压源型PWM整流器的拓扑建立其数学模型，该数学模型如下：

其中e_a为A相电压，

为C相电压的估计值，

为B相电压的估计值，i_a，i_b、i_c分别为A相电流、B相电流、C相电流，R和L分别是整流器接口电路的滤波电感和等效阻抗，U_ao＝S_aU_dc+U_no，U_bo＝S_bU_dc+U_no，U_co＝S_cU_dc+U_no,U_dc代表整流器直流侧母线电压，U_no代表直流侧电容负极与三相电源中点之间的电压，S_a、S_b、S_c为整流器的开关。

优选的，所述电流的预测方程为：

其中T_s＝5e^-5是采样周期。

优选的，所述价值函数如下：

其中

分别为A、B、C三相电流的参考值，所述最优的开关状态是使J达到最小值的开关组合。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明减少了电压传感器的使用，与传统的整流器控制方法相比，本发明降低了整流器在实际应用中的成本，增强了其适应环境的能力。

2、本发明还能够应对电网电压出现畸变的情形，即在电网电压出现不平衡、含谐波或基频波动时，使用本发明所提出的观测器依然能够检测出电网电压，进而实现电流控制，获得正弦化输入电流，低纹波直流侧电压，单位或可调功率因数的效果。

附图说明

图1为三相电压源型PWM整流器的拓扑结构。

图2是本发明所提出的少传感器方法的控制框图。

图3是本发明控制方法所用程序的流程图。

图4是利用B相观测器重构的B相电压与B相真实电压的对比。

图5是利用C相观测器重构的C相电压与C相真实电压的对比。

图6、图7、图8分别是A、B、C三相的电流。

图9是三相电流的谐波失真(THD)。

图10是整流器的输出电压，即负载两端的电压。

其中：e_a、e_b、e_c为输入的三相交流电压，R和L分别为电阻和滤波电感，S_a、S_b、S_c、

是整流器的开关，S_i与

的开关状态相反。C是直流侧滤波电容，R_L为负载阻抗。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图2和图3，一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，

1)使用传感器获得三相电网电压的A相电压及三相电流，三相电流包括A相电流、B相电流和C相电流，使用锁相环(PLL)获得A相电压的相位信息θ，B、C两相的相位与A相相同。

2)建立B相电路的数学模型，将B相电压展开为傅里叶级数，取B相电流和B相电压展开的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合步骤1)所得的相位信息设计状态观测器，利用观测器得到的信息，计算得到B相电压的估计值。具体如下：

对B相电压进行傅里叶级数分解：

a₀代表e_b的直流分量，a_i和b_i代表e_b的第i阶谐波分量的系数,n代表e_b所含有的谐波阶数的最高次。

根据整流器的拓扑结构(参见图1)构建B相电路的数学模型如下：

R和L分别是整流器接口电路的电阻和滤波电感。

取状态变量为X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,...,x_2n+1,x_2n+2]^T＝[i_b,a₀,a₁,b₁,...,a_n,b_n]^T，结合公式(2)设计如下状态观测器，用来估计B相电压傅里叶分解后的每一项的系数

其中L₀,L_a0,L_a1,L_b1,…,L_an,L_bn均为大于零的常数。“^”表示变量的估计值，使用观测器重构的B相电压的估计值为：

3)对C相电压进行傅里叶级数分解，建立C相电路的数学模型，取C相电流和C相电压展开后的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合步骤1)所得的相位信息设计状态观测器，利用观测器得到的信息，计算得到C相电压的估计值

4)结合以上步骤得到的三相电压和三相电流，根据三相电压源型PWM整流器的拓扑建立其数学模型，利用一阶前向欧拉近似将整流器的数学模型离散化得到电流的预测方程。具体如下：

结合观测器得到的

和

根据三相电压源型整流器的拓扑结构(图1)得到：

其中，U_ao＝S_aU_dc+U_no，U_bo＝S_bU_dc+U_no，U_co＝S_cU_dc+U_no，U_dc代表整流器直流侧母线电压，U_no代表直流侧电容负极与三相电源中点之间的电压，S_a、S_b和S_c的取值组合如表1。

表1

由公式(5)得到U_no的计算公式如下：

利用一阶前向欧拉近似将公式(5)离散化，得到三相电流的预测公式为：

其中T_s＝5e^-5是采样周期，在不同的开关状态下，根据公式(7)计算出每种开关组合下的电流预测值，

5)设计价值函数，通过比较价值函数在不同开关状态下的值，选出最优的开关状态实现电流的控制。

设计价值函数如下：

分别为A、B、C三相电流的参考值，比较选出使J达到最小值的开关组合，并输出到整流器的开关。图3给出了本发明所提供的少电压传感器的三相电压源型整流器的控制方法的控制流程图。

为了验证本发明所提出方法的的可行性，下面给出通过仿真软件MATLAB/SIMULINK对算法进行仿真的结果，仿真参数如表2所示，T_s表示采样周期。

表2

仿真所用三相电压在2.5s以前是平衡且不含谐波的，在2.5s以后三相电压含谐波且不平衡，图4和图5分别是利用观测器观测出的B、C两相电压和其真实值的对比以及真实值与观测值之间的误差曲线，从图中可看出，本发明所提出的观测器能够很好地检测出B、C两相的电压。图6是A相电流与其参考电流的对比以及它们之间的误差曲线，图7和图8分别是B、C两相的电流与其参考电流之间的对比。从中可以看出每一相的电流都能够很好地跟踪上其参考电流且动态响应快、精确度高，图9给出了三相电流的谐波失真率(THD)，由图可知，在2.5s以后，即即使在电网电压畸变的情况下，使用本方法，三相电流的THD也能够低于4％，这也验证了本发明所提出的控制方法的可行性。图10是整流器输出的直流电压U_dc，由图可知，U_dc能够在电网电压畸变的情况下稳定在一定的值，其过渡时间的长短受直流侧滤波电容C的影响。

以上仿真结果验证了本发明所提出的三相电压源型PWM整流器的少传感器控制方法的可行性。本发明所提供的观测器能够根据三相电网电压中某一相的电压信息检测出其他两相的电压，从而减少了电压传感器的使用，即使在三相电压含谐波或不平衡时，依然能够正常工作，具有很好的鲁棒性。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)使用传感器获得三相电网电压的A相电压及三相电流，使用锁相环检测出A相电压的相位信息，B、C两相电压的相位信息与A相相同；

2)建立B相电路的数学模型，将B相电压展开为傅里叶级数，取B相电流和B相电压展开的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合步骤1)所得的相位信息设计状态观测器，利用观测器得到的信息，计算得到B相电压的估计值；

3)建立C相电路的数学模型，将C相电压展开为傅里叶级数，取C相电流和C相电压展开后的傅里叶级数的每一项系数作为状态变量，并结合步骤1)所得的相位信息设计状态观测器，利用观测器得到的信息，计算得到C相电压的估计值；

4)结合以上步骤得到的三相电压和三相电流，根据三相电压源型PWM整流器的拓扑建立其数学模型，利用一阶前向欧拉近似将整流器的数学模型离散化得到电流的预测方程；

5)设计价值函数，通过比较价值函数在不同开关状态下的值，选出最优的开关状态实现电流的控制。

2.如权利要求1所述的一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述将B相电压展开为傅里叶级数，具体如下：

其中e_b为B相电压，θ为相位,a₀代表e_b的直流分量，a_i和b_i代表e_b的第i阶谐波分量的系数,n代表e_b所含有的谐波阶数的最高次。

3.如权利要求1所述的一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述根据三相电压源型PWM整流器的拓扑建立其数学模型，该数学模型如下：

其中e_a为A相电压，

为C相电压的估计值，

为B相电压的估计值，i_a，i_b、i_c分别为A相电流、B相电流、C相电流，R和L分别是整流器接口电路的滤波电感和等效阻抗，U_ao＝S_aU_dc+U_no，U_bo＝S_bU_dc+U_no，U_co＝S_cU_dc+U_no,U_dc代表整流器直流侧母线电压，U_no代表直流侧电容负极与三相电源中点之间的电压，S_a、S_b、S_c为整流器的开关。

4.如权利要求1所述的一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述电流的预测方程为：

其中T_s＝5e^-5是采样周期。

5.如权利要求1所述的一种三相电压源型整流器的少传感器模型预测控制方法，其特征在于，所述价值函数如下：

其中

分别为A、B、C三相电流的参考值，所述最优的开关状态是使J达到最小值的开关组合。

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