本發(fā)明涉及電力變換
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于三次諧波注入矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制方法。
背景技術(shù)：
：交-交電能變換器作為公共電網(wǎng)與交流負(fù)載的接口電路，被廣泛用于各種交-交電能變換場合，例如交流變頻驅(qū)動、新能源發(fā)電和不間斷電源等領(lǐng)域。一般大功率的交-交變換器都采用三相二極管無源前端整流電路作為前級電路，此種前級電路具有轉(zhuǎn)換效率高、EMI干擾小、低成本、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是存在能量單向流動、輸入電流質(zhì)量差等特點(diǎn)。三次諧波注入矩陣變換器作為一種混合有源前端整流的交-交變換器，繼承了無源前端整流電路的優(yōu)點(diǎn)。由于三次諧波電流的注入，保證了三相整流電路輸入電流的正弦對稱性，從而使三次諧波注入矩陣變換器成為交流驅(qū)動器和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。三次諧波注入矩陣變換器的控制方法一般采用載波調(diào)制和PI控制器。其中PI控制器能夠較好的跟蹤三次諧波注入電流參考值和三相橋式逆變電路輸出電流。但是隨著矩陣變換器的調(diào)制系統(tǒng)的改變，導(dǎo)致調(diào)制方式發(fā)生改變，從而使PI控制器的控制方式變得復(fù)雜繁瑣。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種基于三次諧波注入矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)制方式改變時載波調(diào)制與PI控制比較復(fù)雜的問題。本發(fā)明提供了一種基于三次諧波注入矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制方法，所述矩陣變換器包括前級三相整流電路、中間級三次諧波注入電路和后級三相逆變電路；所述控制方法包括：根據(jù)三相輸入電源電流獲取在k時刻時三次諧波注入電流的參考值；根據(jù)負(fù)載需求獲取在k時刻時后級三相逆變電路的輸出電流參考值；利用拉格朗日外推法估計(jì)k+1時刻的三次諧波注入電流參考值iy*(k+1)和三相逆變電路輸出電流參考值io*(k+1)；根據(jù)采樣k時刻的三相輸入電源電壓ui(k)、三相輸入電源電流ii(k)、直流母線電壓udc(k)、三次諧波注入電流iy(k)和三相逆變電路的輸出電流io(k)計(jì)算當(dāng)前時刻的三次諧波注入電流和三相逆變電路輸出電流；將所述三次諧波注入矩陣變換的模型進(jìn)行離散化，根據(jù)離散化模型預(yù)測出三次諧波注入矩陣變換器的每一種開關(guān)狀態(tài)在k+1時刻的三次諧波注入電流iy(k+1)和三相逆變電路輸出電流io(k+1)；計(jì)算每一種開關(guān)狀態(tài)的代價函數(shù)值，選擇代價函數(shù)值最優(yōu)的一組開關(guān)狀態(tài)作為下一時刻三次諧波注入矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)?？蛇x地，所述三次諧波注入矩陣變換器的模型包括前級三相整流電路、中間級三次諧波注入電路和后級三級逆變電路的數(shù)據(jù)模型；所述前級三相整流電路包括濾波電路和三相橋式整流電路，所述濾波電路的空間狀態(tài)方程為：Lfidiidt=usi-Rfi-uiCfiduidt=ii-iri;]]>式中，Rfi表示濾波電感等效串聯(lián)電阻；usi＝[usausbusc]T表示三相輸入電源電壓；ii＝[iaibic]T表示濾波電路輸出電流；ui＝[uaubuc]T表示三相整流電路的輸入電壓；iri＝[irairbirc]T表示三相整流電路的輸入電流；Cfi＝[CfaCfbCfc]T表示濾波電路電容；Lfi＝[LfaLfbLfc]T表示濾波電路電感；Rfi＝[RfaRfbRfc]T表示濾波電感等效電阻；所述三相橋式整流電路的輸入電流的開關(guān)函數(shù)方程為：ira=Sa+ip-Sa-in-Sayiyirb=Sb+ip-Sb-in-Sbyiyirc=Sc+ip-Sc-in-Scyiy,]]>式中，Sa+，Sb+，Sc+為三相橋式整流電路上橋臂三個開關(guān)的開關(guān)函數(shù)；Sa-，Sb-，Sc-為三相橋式整流電路下橋臂三個開關(guān)的開關(guān)函數(shù)；Say，Sby，Scy是三次諧波注入三個開關(guān)的開關(guān)函數(shù)；iy是三次諧波注入電流；ip是直流母線正向電流，in是直流母線負(fù)向電流；直流母線電壓開關(guān)函數(shù)方程為：udc＝Sa+ua+Sb+ub+Sc+uc；式中，udc為直流母線電壓?？蛇x地，所述中間級三次諧波注入電路作為該三次諧波注入矩陣變換器的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)電流方程為：ip=Sy+ip+idcip=iy+in;]]>式中，idc表示后級三相橋式逆變電路的輸入直流電流。可選地，三次諧波注入電流作為前級三相橋式整流電路的被控對象，諧波注入電感Ly的狀態(tài)方程為：diydt=1Ly[Sy+udc-(Sayua+Sbyub+Scyuc)];]]>式中，Sy+表示雙buck半橋電路中開關(guān)管的開關(guān)函數(shù)?？蛇x地，三相橋式逆變電路中開關(guān)管的開關(guān)函數(shù)方程為：ur=Sr+udcus=Ss+udcut=St+udc;]]>式中，Sr+，Ss+，St+表示三相橋式逆變電路中上橋臂三個開關(guān)的開關(guān)函數(shù)，ur，us，ut是三相橋式逆變電路的三相輸出電壓。可選地，三相橋式逆變電路的輸出負(fù)載電流的狀態(tài)方程為：Lldiodt=uo-Rio;]]>式中，uo＝[urusut]T表示三相橋式逆變電路的輸出電壓；io＝[irisit]T表示三相橋式逆變電路的輸出負(fù)載電流；Ll＝[LrLsLt]T表示三相橋式逆變電路的輸出濾波電感；R＝[RrRsRt]T表示三相橋式逆變電路的負(fù)載電阻?？蛇x地，所述三次諧波注入電流的代價函數(shù)為：gy(k+1)=||iy*(k+1)-iy(k+1)||;]]>所述三相逆變電路輸出電流的代價函數(shù)；go(k+1)=||io*(k+1)-io(k+1)||.]]>可選地，對所述三次諧波注入矩陣變換的模型進(jìn)行離散化的步驟中，所述濾波電路的數(shù)學(xué)模型離散化為：ui(k+1)ii(k+1)=Gui(k)ii(k)+Husi(k)iri(k);]]>式中，k+1時刻的三次諧波預(yù)測電流為：iy(k+1)=TsLy[Sy+udc(k+1)-(Sayua(k+1)+Sbyub(k+1)+Scyuc(k+1))]+iy(k);]]>k+1時刻三相橋式逆變電路的輸出預(yù)測電流為：io(k+1)=TsLluo(k+1)-[1+TsLlR]io(k).]]>可選地，獲取所述三次諧波注入電流參考值的步驟包括：將采集到的A相濾波電容電壓uaF通過帶通濾波器得到5次諧波電壓uh5；將uh5再與sin(5θ)相乘后通過低通濾波器得到并將作為PI調(diào)節(jié)器的輸入；PI調(diào)節(jié)器的輸出為三相電源的參考輸入功率值P*；依據(jù)以下公式計(jì)算獲得iy*=-2P*3Uimcos(ωit-2π/3)-Iqmsin(ωit-2π/3);]]>式中，Iqm表示三相輸入電源側(cè)無功電流分量；表示三相輸入電源的功率因數(shù)角；Uim表示三相輸入電源電壓的幅值；ωi表示三相輸入電源的角頻率；i代表a、b、c三相；獲取所述三相橋式逆變電路的輸出電流參考值，三相期望輸出電壓為：ur=Uomcos(ωot+φu)us=Uomcos(ωot+φu-2π/3)ut=Uomcos(ωot+φu+2π/3);]]>式中，Uom表示期望輸出電壓的幅值；ωo表示期望輸出電壓的角頻率；φ表示期望輸出電壓的功率因數(shù)角；Z表示負(fù)載阻抗；三相電流參考值為：ir*=Uomcos(ωot+φu)/Zis*=Uomcos(ωot+φu-2π/3)/Zit*=Uomcos(ωot+φu+2π/3)/Z.]]>可選地，所述三次諧波注入電流k+1時刻的參考值:iy*(k+1)＝4iy*(k)-6iy*(k-1)+4iy*(k-2)-iy*(k-3)；所述三相橋式逆變電路輸出電流k+1時刻的參考值有io*(k+1)＝4io*(k)-6io*(k-1)+4io*(k-2)-io*(k-3)。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過采樣矩陣變換器工作時間的電壓和電流，以及三次諧波注入電流的后級三相逆變電路的輸出電流參考值，計(jì)算每一種開關(guān)狀態(tài)在k+1時刻的三次諧波注入電流iy(k+1)和三相逆變電路輸出電流io(k+1)；最后計(jì)算每一種開關(guān)狀態(tài)的代價函數(shù)值，選擇代價函數(shù)值最優(yōu)的一組開關(guān)狀態(tài)作為下一時刻三次諧波注入矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)。本發(fā)明利用矩陣變換器的開關(guān)管的開關(guān)頻率，改善矩陣變換器的動態(tài)性能。與現(xiàn)有技術(shù)中載波調(diào)制和PI控制復(fù)雜繁瑣的情況相比，本發(fā)明不需要復(fù)雜的調(diào)制以及PI控制算法，簡單易操作；沒有固定的開關(guān)頻率，在預(yù)測周期一定的前提下，可以調(diào)整開關(guān)頻率，可降低不必要的開關(guān)損耗；并且控制方法受電路調(diào)制系數(shù)變化的影響較小。附圖說明通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：圖1為本發(fā)明的三次諧波注入矩陣變換器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中三次諧波注入?yún)⒖贾凳疽鈭D。圖4為三次諧波注入電流參考值提取示意圖；圖5為圖1中前級三相橋式逆變電路開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)示意圖；圖6為圖1中后級三相橋式逆變電路開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)示意圖；圖7為仿真數(shù)據(jù)示意圖；圖8(a)～(b)為靜態(tài)分析仿真波形示意圖；圖9(a)～(b)為動態(tài)分析仿真波形示意圖；圖10為輸入電流諧波畸變率隨調(diào)制系統(tǒng)變化的仿真波形示意圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種三次諧波注入的矩陣變換器，如圖1所示，包括：前級電路101、中間級電路102、后級電路103和控制模塊(圖2所示)。前級電路101與三相輸入電源連接，用于將輸入的交流電進(jìn)行整流得到六脈波直流電。中間級電路102與前級電路101連接，用于根據(jù)上述六脈波直流電進(jìn)行產(chǎn)生三次諧波注入到前級電路101，三次諧波的注入使得輸入電流保證正弦對稱性。后級電路103與前級電路101和中間級電路102連接，用于對上述六脈波直流電進(jìn)行逆變得到預(yù)設(shè)條件的交流電?？刂颇K與前級電路101、中間級電路102、后級電路103連接，用于獲取三者的工作參數(shù)并生成相應(yīng)的控制指令以控制三者的輸出電壓和輸出電流。實(shí)際應(yīng)用中，如圖1所示，該前級電路101包括濾波電路1011和雙向的三相整流電路1012。所述濾波電路1011包括濾波電容CFa、濾波電容CFb、濾波電容CFc和濾波電感LFa、濾波電感LFb、濾波電感LFc；所述濾波電感LFa、濾波電感LFb、濾波電感LFc分別串聯(lián)在三相輸入電源上；所述濾波電容CFa、所述濾波電容CFb和所述濾波電容CFc的第一端依次連接濾波電容CFa、CFb、CFc的輸出端于節(jié)點(diǎn)Pa、Pb、Pc，第二端相連接。三相整流電路1012包括3個開關(guān)管Sa+、Sb+、Sc+構(gòu)成的上橋臂和3個開關(guān)管Sa-、Sb-、Sc-構(gòu)成的下橋臂；其中，所述開關(guān)管Sa+、Sb+、Sc+的第一極與直流母線正極相連接，第二極依次與所述開關(guān)管Sa-、Sb-、Sc-的第一極相連接于所述節(jié)點(diǎn)Pa、Pb、Pc；所述開關(guān)管Sa-、Sb-、Sc-的第二極與直流母線負(fù)極相連接。如圖1所示，上述中間級電路102為三次諧波注入電路包括雙Buck半橋電路和雙向開關(guān)Sa、Sb、Sc。其中，雙Buck半橋電路包括開關(guān)管Sy+、Sy-和電感Ly。開關(guān)管Sy+的第一極連接直流母線正極，第二極連接開關(guān)管Sy-的第一極于節(jié)點(diǎn)P1；電感Ly的第一端連接節(jié)點(diǎn)P1，第二端連接節(jié)點(diǎn)P2。雙向開關(guān)Sa包括開關(guān)管Say和Sya，雙向開關(guān)Sb包括開關(guān)管Sby和Syb，雙向開關(guān)Sc包括開關(guān)管Scy和Syc；開關(guān)管Sya、Syb和Syc的第一極連接節(jié)點(diǎn)P2，第二極依次連接開關(guān)管Say、Sby和Scy的第一極；所述開關(guān)管Say、Sby和Scy的第二極依次連接到節(jié)點(diǎn)Pa、Pb、Pc。如圖1所示，上述后級電路103包括三相電壓型逆變電路1032。該三相電壓型逆變電路包括開關(guān)管Sr+、Ss+、St+構(gòu)成的上橋臂和開關(guān)管Sr-、Ss-、St-構(gòu)成的下橋臂。開關(guān)管Sr+、Ss+、St+的第一極連接直流母線正極，第二極依次連接開關(guān)管Sr-、Ss-、St-的第一極；開關(guān)管Sr-、Ss-、St-的第二極連接直流母線負(fù)極。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)矩陣變換器停止工作后，負(fù)載中的漏電感中會儲存部分能量，這部分能量回流到矩陣變換器會損傷該矩陣變換器中的開關(guān)管，為解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例中后級電路103還包括鉗位電路1031。如圖1所示，該鉗位電路1031包括快恢復(fù)二極管Dc和電容器Cc?？旎謴?fù)二極管Dc的正極與直流母線正極相連，負(fù)極與電容器Cc的第一極相連；電容器Cc的第二極與直流母線負(fù)極相連。這樣，漏電感中儲存的能量可以回流到電容器Cc中，防止對該矩陣變換器造成損傷。需要說明的是，該電容器Cc與現(xiàn)有技術(shù)中的大容量的儲能電容不同，該電容器Cc的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲能電容的容量，并且該電容器Cc針對上述三次諧波注入矩陣變換器，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于三次諧波注入矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制方法，如圖2所示，包括：步驟一：采樣k時刻的三相輸入電源電壓ui(k)、三相輸入電源電流ii(k)、直流母線電壓udc(k)、三相逆變電路輸出電流io(k)、三次諧波注入電流iy(k)；步驟二：根據(jù)步驟一種的采樣值，利用離散化的模型預(yù)測出k+1時刻每一種有效的開關(guān)狀態(tài)下三次諧波注入電流值iy(k+1)和三相逆變電路輸出電流io(k+1)。其中三相橋式整流電路有12中有效開關(guān)狀態(tài)；三相橋式逆變電路有8種有效的開關(guān)狀態(tài)；步驟三：選取三相輸入電源電流中絕對值最小的一相作為k時刻三次諧波注入電流的參考值iy*(k)。根據(jù)負(fù)載要求獲得k時刻三相逆變電路的輸出電流參考值io*(k)。步驟四：根據(jù)步驟三中的參考值，利用拉格朗日外推法，獲得k+1時刻的三次諧波注入電流的參考值為iy*(k+1)和三相逆變電路輸出電流io*(k+1)。步驟五：選取代價函數(shù)。三次諧波注入電流的代價函數(shù)三相逆變電路輸出電流的代價函數(shù)利用上述的兩個代價函數(shù)，計(jì)算出每一種有效的開關(guān)狀態(tài)代價函數(shù)的值，選取其中代價函數(shù)gy，go最小的一組開關(guān)狀態(tài)作為三次諧波注入矩陣變換器k+1時刻的開關(guān)動作狀態(tài)。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例步驟二的數(shù)學(xué)模型離散化方法為：ui(k+1)ii(k+1)=Gui(k)ii(k)+Husi(k)iri(k);]]>式中，k+1時刻的三次諧波預(yù)測電流為：iy(k+1)=TsLy[Sy+udc(k+1)-(Sayua(k+1)+Sbyub(k+1)+Scyuc(k+1))]+iy(k);]]>k+1時刻三相橋式逆變電路的輸出預(yù)測電流為：io(k+1)=TsLluo(k+1)-[1+TsLlR]io(k).]]>如圖3和圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例中正確的三次諧波注入電流的參考值為三相輸入電源電流中絕對值最小值一相的電流值，通過以下步驟獲取：將采集到的A相濾波電容電壓uaF通過帶通濾波器得到5次諧波電壓uh5；將uh5再與sin(5θ)相乘后通過低通濾波器得到并將作為PI調(diào)節(jié)器的輸入；PI調(diào)節(jié)器的輸出為三相電源的參考輸入功率值P*；依據(jù)以下公式計(jì)算獲得iy*=-2P*3Uimcos(ωit-2π/3)-Iqmsin(ωit-2π/3);]]>式中，Iqm表示三相輸入電源側(cè)無功電流分量；表示三相輸入電源的功率因數(shù)角；Uim表示三相輸入電源電壓的幅值；ωi表示三相輸入電源的角頻率；i代表a、b、c三相。圖5示出了前級三相橋式逆變電路的開關(guān)狀態(tài)示意圖。如圖5所示，前級三相橋式逆變電路包括六個開關(guān)Sa+，Sb+，Sc+，Sa-，Sb-，Sc-；三次諧波注入電路中的三個雙向開關(guān)Say-Sya，Sby-Syb，Scy-Syc和雙Buck半橋電路兩個開關(guān)Sy+，Sy-的開關(guān)狀態(tài)，有效開關(guān)狀態(tài)一共有12種。其中，圖5中扇區(qū)是根據(jù)三相輸入電源電壓值確定的，劃分方法包括：ua>ub>uc的區(qū)間設(shè)定為扇區(qū)Ⅰ；ub>ua>uc的區(qū)間設(shè)定為扇區(qū)Ⅱ；ub>uc>ua的區(qū)間設(shè)定為扇區(qū)Ⅲ；uc>ub>ua的區(qū)間設(shè)定為扇區(qū)Ⅳ；uc>ua>ub的區(qū)間設(shè)定為扇區(qū)Ⅴ；ua>uc>ub的區(qū)間設(shè)定為扇區(qū)Ⅵ圖6示出了后級三相橋式逆變電路中開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)示意圖。如圖1與圖6所示，該后級三相橋式逆變電路中包括六個開關(guān)管Sr+，Ss+，St+，Sr-，Ss-，St-。上述六個開關(guān)管的有效開關(guān)狀態(tài)共8種。圖7中列出了基于圖1的三次諧波注入矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制方法的仿真數(shù)據(jù)，包括預(yù)測控制周期、三相輸入電源電壓的幅值和頻率、三相逆變電路輸出參考電壓的幅值、三相輸入濾波器的電感電容值、三相輸入濾波器的電感等效電阻值、三次諧波注入的電感值、三相電壓型逆變電路輸出濾波電感值和負(fù)載電阻值。利用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，從而得到圖8所示的靜態(tài)分析仿真波形和圖9所示的動態(tài)分析仿真波形。如圖8(a)所示，矩陣變換器的調(diào)制系統(tǒng)為0.625，即輸出電流有效值為Ir*＝10A，輸出頻率ω＝40Hz。如圖8(b)所示，矩陣變換器的調(diào)制系統(tǒng)為0.75，即輸出電流有效值為Ir*＝12A，輸出頻率ω＝100Hz。由圖8可以看出，本發(fā)明的模型預(yù)測電流控制方法在不同的調(diào)制系數(shù)下，可以保證輸入輸出電流的正弦對稱性。如圖9(a)所示，在仿真時間0.02s時刻，將輸出電流頻率的參考值從40Hz突變成100Hz。如圖9(b)所示，在仿真時間0.02s時刻，將輸出電流幅值的參考值從10A突變成-10A?？梢钥闯?，本發(fā)明有很好的動態(tài)性能，不論是參考值以哪種方式發(fā)生突變，都能保證在短時間內(nèi)跟蹤上。圖10示出了輸入電流諧波畸變率隨調(diào)制系統(tǒng)變化的仿真波形示意圖，圖中曲線I是采用常用的PI控制和載波調(diào)制方法時，三相輸入電流諧波畸變率隨調(diào)制系數(shù)變化的趨線圖；圖中II曲線是采用本發(fā)明的控制方法時，三相輸入電流諧波畸變率隨調(diào)制系數(shù)變化的趨線圖?？梢钥闯?，采用本發(fā)明的控制方法使得三相輸入電流諧波畸變率保證在5％以下，且不會隨調(diào)制系數(shù)的變化發(fā)生巨大波動。本發(fā)明提供了一種基于三次諧波注入矩陣變換器的模型預(yù)測電流控制方法，針對三次諧波注入矩陣變換器的拓?fù)?，將控制分為前級三相整流電路的模型預(yù)測電流控制和后級三相逆變電路的模型預(yù)測電流控制，前級電路與后級電路的控制方法相互獨(dú)立。本發(fā)明的控制方法不需要復(fù)雜的調(diào)制和PI控制算法，簡單易操作；沒有固定的開關(guān)頻率，在預(yù)測周期一定的前提下，可以根據(jù)矩陣變換器以及負(fù)載的需求調(diào)整開關(guān)頻率，從而可以降低不必要的開關(guān)損耗；受矩陣變換器的調(diào)制系數(shù)變化的影響較小。在本發(fā)明中，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。術(shù)語“多個”指兩個或兩個以上，除非另有明確的限定。雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3