基于模型預(yù)測和電壓平方控制的pwm整流器的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三相電壓型PWM整流器、柔性交直流變流器等研宄領(lǐng)域，特別涉及三 相橋式全控整流電路的雙閉環(huán)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會進步和工業(yè)發(fā)展，電力電子裝置在電力系統(tǒng)輸電配電和變電方面具有的 優(yōu)越性能，已經(jīng)被工農(nóng)業(yè)等消費產(chǎn)業(yè)大量采用。然而，電力電子裝置作為非線性負載，會向 電網(wǎng)注入大量的無功功率和諧波。首先，無功功率會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，會影響電力系 統(tǒng)公共連接點的其他用戶的用電質(zhì)量。其次，諧波會使得電力系統(tǒng)中的機械旋轉(zhuǎn)設(shè)備如發(fā) 電機、變壓器壽命老化；會使電網(wǎng)中的電感和電容發(fā)生諧振，危害其安全運行；會使電力系 統(tǒng)的繼電保護裝置誤動作；會使電力系統(tǒng)的通訊設(shè)備受到干擾。在電力電子裝置中，由于直 流電在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，整流設(shè)備占到了很大的比重。然而，傳統(tǒng)的整流電路，如二 極管不控整流或者晶閘管相控整流，由于器件自身和控制方法的滯后導(dǎo)致其不可避免的出 現(xiàn)諧波和無功功率問題，產(chǎn)生以上所述的危害，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成了極大的 威脅。
[0003] 基于全控器件的單位功率因數(shù)整流器（PWM整流器）自從提出之后就得到學(xué)者的 廣泛的研宄和工程師的強烈關(guān)注。PWM整流器具有諸多優(yōu)點：交流側(cè)可單位功率因數(shù)運行、 輸出直流電壓可升壓平滑調(diào)節(jié)、極低輸入諧波含量、交流側(cè)和直流側(cè)的能量雙向流動和快 速的動態(tài)響應(yīng)等。這些優(yōu)點給PWM整流器的發(fā)展應(yīng)用帶來了巨大的市場前景?，F(xiàn)在PWM整 流器已被應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)和中低壓電能質(zhì)量控制系統(tǒng)，成為改善輸、配電系統(tǒng)穩(wěn) 定性與可靠性的有效方法。
[0004] 隨著PWM整流器的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)基于電壓定向控制（V0C)的雙閉環(huán)PI控制策 略在工程應(yīng)用中會出現(xiàn)以下問題：其直流側(cè)輸出的抗擾能力不夠強，且動態(tài)響應(yīng)速度不夠 快。尤其是在應(yīng)用于電動汽車充電粧時，由于大量隨機的電動汽車自發(fā)充電的負載擾動，使 得充電粧的直流輸出電壓跌落，影響充電的效率。因此，需要一種新型的控制策略來實現(xiàn)對 PWM整流器的動態(tài)影響和抗擾能力進一步增強。
[0005] 針對PWM整流器動態(tài)響應(yīng)和直流側(cè)抗擾能力不夠強的問題，許多研宄工作與成果 已被提出。有的研宄提出了一種基于模型預(yù)測控制的控制策略，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均是 通過預(yù)測控制來實現(xiàn)，以達到傳統(tǒng)基于PI (比例積分控制器）的滯后控制所不能達到的快 速動態(tài)響應(yīng)，但是該方法未考慮輸出直流電壓作為內(nèi)環(huán)有功電流的給定時，其非線性變化 的關(guān)系會造成控制動作的不精確和低效。并且，求導(dǎo)以解代價函數(shù)的方法會耗費巨大的計 算時間。作為進一步的完善，又有研宄提出了一種定頻有限集開關(guān)狀態(tài)求解模型預(yù)測控制 的代價函數(shù)的控制方法，但是這種方法會增大交流側(cè)電流的諧波含量。還有一類針對負載 擾動響應(yīng)速度慢的問題提出采用負載前饋的方法，但其硬件上增加了測量點，使得成本變 高。為此，還需要對基于PWM整流器直流側(cè)抗擾動能力的控制策略問題進行系統(tǒng)的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于模型預(yù)測和電壓平方控制的 PWM整流器的控制方法，具體地說就是將三相電壓型PWM整流器的電壓外環(huán)控制對象采用 輸出側(cè)直流電壓的平方，電流內(nèi)環(huán)采用模型預(yù)測控制，并采用有限集開關(guān)狀態(tài)來求解模型 預(yù)測控制的代價函數(shù)，配合預(yù)充電的軟啟動策略以實現(xiàn)PWM整流器對于輸出直流側(cè)的強抗 擾能力；相應(yīng)的模型預(yù)測控制中代價函數(shù)的加權(quán)系數(shù)的選擇可以直接決定整個PWM整流器 的THD (總諧波畸變率）含量和抗擾性能。
[0007] 本發(fā)明的重點在確定模型預(yù)測控制的加權(quán)系數(shù)和快速求解代價函數(shù)部分。
[0008] 為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種基于模型預(yù)測和電壓平方控制的雙閉環(huán)控制方法，利用與有功電流成線性關(guān) 系的電壓平方作為外環(huán)，以模型預(yù)測控制為核心，采用預(yù)測控制和最優(yōu)控制對PWM整流器 的輸出抗擾能力進行提高，步驟如下：
[0010] 步驟1，確定三相電壓型PWM整流器的離散數(shù)學(xué)模型
[0011] 步驟1. 1，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，計算出abc坐標(biāo)系下的整流器數(shù)學(xué) 模型，其表達式如下：
【主權(quán)項】
1.基于模型預(yù)測和電壓平方控制的PWM整流器的控制方法，其特征在于：利用與有功 電流成線性關(guān)系的電壓平方作為外環(huán)，以模型預(yù)測控制為核心，采用預(yù)測控制和最優(yōu)控制 對PWM整流器的輸出抗擾能力進行提高，步驟如下： 步驟1，確定三相電壓型PWM整流器的離散數(shù)學(xué)模型 步驟1. 1，根據(jù)基爾霍夫電壓定律和電流定律，計算出abc坐標(biāo)系下的整流器數(shù)學(xué)模 型，其表達式如下：
其中，esx (X = a, b, c)表示交流側(cè)電壓，ix (X = a, b, c)表示交流側(cè)電流，L表示交流 側(cè)濾波電感值，R表示線路電阻、電感的等效電阻和開關(guān)器件的等效阻抗的加和，N點表示 直流側(cè)的參考點位，〇點表示交流側(cè)三相電壓的中性點，V xN (X = a, b, c)分別表示整流器交 流側(cè)三個輸入端到直流側(cè)參考點的電壓，Vto表示直流側(cè)參考點到交流側(cè)中性點的電壓； 步驟1.2,為便于控制，利用鎖相環(huán)PLL獲取電網(wǎng)電壓當(dāng)前的相位Θ = ?t，并將abc 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到基于dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，如下所示：
其中，d軸表示有功功率軸，q軸表示無功功率軸，且d軸滯后q軸90度，式中：ed, eq是 交流側(cè)電網(wǎng)電壓，esa, esb, esc在dq坐標(biāo)系下的分量，同理：id, iq是整流器交流側(cè)線電流 ia, ib, i。在dq坐標(biāo)系下的分量；S d, Sq是開關(guān)狀態(tài)S a, Sb, S。在dq坐標(biāo)系下的分量，ω表示 電網(wǎng)的工頻旋轉(zhuǎn)角速度，vd。表示直流側(cè)電壓值，上述變換所使用的變換矩陣為：
矩陣中。^^表示是由abc坐標(biāo)系向dq坐標(biāo)系的變換，是步驟1. 2中利用鎖相環(huán) PLL獲得的當(dāng)前電網(wǎng)電壓的相位； 步驟1.3,將dq坐標(biāo)系下的微分數(shù)學(xué)模型中的前兩項電流方程通過前向歐拉公式 f + 離散化，其中，T表示采樣周期，k表示采樣時刻，sd，s,為開關(guān)狀態(tài)S k在 dq坐標(biāo)系下的分量，離散化得到的數(shù)學(xué)模型即為三相電壓型PWM整流器的電流離散數(shù)學(xué)模 型，其表達式如下：
i (k+1)