基于模型预测控制的pwm整流器控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模型预测控制的PWM整流器控制方法，包括：计算并预测得到下一时刻的有功功率和无功功率；结合模型预测控制和直接电流控制，在预测模型中以复功率共轭的负值为变量，通过采用快速矢量选择方法从而一次判断所在扇区，得到最优电压矢量；以参考复功率矢量所在的位置为基准，将所判断的扇区分成两个小部分，根据参考复功率矢量所在的位置选择次最优电压矢量；通过计算最优电压矢量与次最优电压矢量在一个控制周期中的作用时间，得到开关管的驱动信号。本发明还公开了一种基于模型预测控制的PWM整流器控制装置。本发明提供的PWM整流器控制方法及装置具有计算量小、容易实现、动态相应快、稳态性能好等特点。
【专利说明】基于模型预测控制的PWM整流器控制方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，特别是指一种基于模型预测控制的PWM整流器控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术的发展，PWM整流控制技术成为获得高功率因数低谐波分量的关键。在理想电网电压下，PWM整流器的经典控制方法包括:电网电压定向控制(voltageoriented control, V0C)和直接功率控制(direct power control,DPC)。VOC 是一种基于同步旋转坐标的矢量控制方式，系统采用电压、电流双闭环结构，用线性的PI控制器实现精确电流控制，实现有功和无功的解耦控制。但是VOC的性能主要依赖于对PI参数的调节，控制较复杂、动态响应较慢。相比于V0C，DPC由于不需要电流环，只通过查开关表选择合适的电压矢量对系统的功率进行直接调节，所以它具有优越的功率控制性能，并且DPC结构简单、控制精度高、动态响应快。但其主要缺点是开关频率不固定，且对系统采样频率要求高，如中国专利 CN201110394207.8 和 CN200510108315.9。
[0003]近年来，模型预测控制(model predictive control, MPC)已经成为了一个新的研究热点，在各种各样的预测方法中，有限控制集模型预测控制(Finite control set modelpredictive control, FCS-MPC)是比较经典的，它直接利用变换器的离散开关状态特性，定义一个目标函数，对每个变换器电压矢量进行滚动优化，最终选取使得目标函数最小的电压矢量。但是该控制算法复杂、计算量大。针对于这种情况，可以利用快速选择矢量法减小计算量，并利用最优电压矢量和零矢量的结合作为交流侧指令电压。但是，在特殊情况下最优电压矢量和零矢量的结合并不能使控制系统的性能达到最佳。
[0004]因此，需要开发出一种简单有效的方法，在利用快速选择矢量法的同时，又能够通过矢量的最优组合，进一步完善提高系统的性能。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于模型预测控制的PWM整流器控制方法及装置，相比于传统的模型预测控制方法(一个最优矢量与一个零矢量的组合)，该方法对于次最优电压矢量的选择更具有针对性，从而可以更进一步的提高系统的动态性能和稳态性能。
[0006]基于上述目的本发明提供的基于模型预测控制的PWM整流器控制方法，包括:
[0007]根据任意当前时刻的采样电网电压、电网电流和整流器交流侧电压计算并预测得到下一时刻的有功功率和无功功率；
[0008]结合模型预测控制和直接电流控制，在预测模型中以复功率共轭的负值为变量，通过采用快速矢量选择方法从而一次判断所在扇区，得到最优电压矢量；
[0009]以参考复功率矢量所在的位置为基准，将所判断的扇区分成两个小部分，根据参考复功率矢量所在的位置选择次最优电压矢量；[0010]通过计算最优电压矢量与次最优电压矢量在一个控制周期中的作用时间，得到开关管的驱动信号。
[0011]在一些实施方式中，所述根据任意时刻的采样电网电压、电网电流和整流器交流侧电压计算并预测得到下一时刻的有功功率和无功功率的步骤包括:
[0012]利用电压LEM传感器和电流LEM传感器采样整流器直流侧电压、电网侧电压和电网电流，并通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电压信号、电流信号；
[0013]给定直流电压与PWM整流器直流侧电压之差经过PI调节器并乘上直流侧电压得到有功功率初始给定值；无功功率的初始给定值设为零；
[0014]由所述在静止两相坐标上的电压信号、电流信号计算并由预测模型预测得到下一时刻有功功率和无功功率。
[0015]在一些实施方式中，所述在静止两相坐标上的电压信号、电流信号的具体计算公式为:
[0016]
【权利要求】
1.一种基于模型预测控制的PWM整流器控制方法，其特征在于，包括: 根据任意当前时刻的采样电网电压、电网电流和整流器交流侧电压计算并预测得到下一时刻的有功功率和无功功率； 结合模型预测控制和直接电流控制，在预测模型中以复功率共轭的负值为变量，通过采用快速矢量选择方法从而一次判断所在扇区，得到最优电压矢量； 以参考复功率矢量所在的位置为基准，将所判断的扇区分成两个小部分，根据参考复功率矢量所在的位置选择次最优电压矢量； 通过计算最优电压矢量与次最优电压矢量在一个控制周期中的作用时间，得到开关管的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据任意时刻的采样电网电压、电网电流和整流器交流侧电压计算并预测得到下一时刻的有功功率和无功功率的步骤包括: 利用电压LEM传感器和电流LEM传感器采样整流器直流侧电压、电网侧电压和电网电流，并通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电压信号、电流信号； 给定直流电压与PWM整流器直流侧电压之差经过PI调节器并乘上直流侧电压得到有功功率初始给定值；无功功率的初始给定值设为零； 由所述在静止两相坐标上的电压信号、电流信号计算并由预测模型预测得到下一时刻有功功率和无功功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在静止两相坐标上的电压信号、电流信号的具体计算公式为:
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有功功率初始给定值通过给定直流电压与PWM整流器直流侧电压之差经过PI调节器并乘上PWM整流器直流侧电压而得到，具体计算公式表示为:
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述由所述在静止两相坐标上的电压信号、电流信号计算并由预测模型预测得到下一时刻有功功率和无功功率的步骤包括: 分解得到不同电压矢量对有功功率和无功功率的变化率，计算任意当前时刻的有功功率和无功功率，在一个控制周期内，由预测模型预测本控制周期结束后，下一时刻的初始有功功率和无功功率，具体计算公式为:
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结合模型预测控制和直接电流控制，在预测模型中以复功率共轭的负值为变量，通过采用快速矢量选择方法从而一次判断所在扇区，得到最优电压矢量的步骤包括: 将初始有功功率和无功功率给定值作为PWM整流器控制的功率给定值输入； 通过预测得到的有功功率和无功功率的实际值； 采用快速矢量选择方法，在两相旋转坐标系下，以复功率共轭的负值为变量，在下一时亥IJ，零矢量或非零矢量作用下，判断复功率共轭的负值与其给定值之间的误差，具体计算公式为:
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以参考复功率矢量所在的位置为基准，将所判断的扇区分成两个小部分，根据参考复功率矢量所在的位置选择次最优电压矢量的步骤包括: 在公式
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过计算最优电压矢量与次最优电压矢量在一个控制周期中的作用时间，得到开关管的驱动信号的步骤包括: 根据所选择的最优电压矢量，得到所对应的复功率共轭的负值误差为:
9.一种采用如权利要求1-8任意一项所述的基于模型预测控制的PWM整流器控制方法的基于模型预测控制的PWM整流器控制装置，其特征在于，包括依次连接的三相电压源、三相滤波电感、整流桥主电路、直流侧电容、负载；以及，分别从三相电压源输出端及三相滤波电感输出端进行电压、电流采样的电压电流采样电路，对电压电流采样电路的电压电流数据进行运算控制的DSP控制器，驱动电路； 其中，所述电压电流采样电路利用电压霍尔传感器采集三相网侧交流电压和整流器直流侧电压，利用电流霍尔传感器采集三相网侧交流电流，经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号；DSP控制器完成如权利要求1-8任意一项所述的基于模型预测控制的PWM整流器控制方法的运算，输出六路PWM脉冲，最后经过驱动电路得到整流器的六个开关管的驱动信号。
【文档编号】H02M7/219GK104022662SQ201410302749
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】张永昌, 彭玉宾 申请人:北方工业大学