本發(fā)明涉及電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域中單相PWM變流器控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種單相脈沖整流器低開關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)功率控制算法。

背景技術(shù)：

單相脈沖整流器具有能量可雙向流動(dòng)，網(wǎng)側(cè)電壓、電流保持單位功率因數(shù)，直流側(cè)電壓恒定等優(yōu)點(diǎn)，故而被廣泛應(yīng)用于大功率鐵路牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、UPS電源等。目前，單相整流器控制算法主要包括間接電流控制，滯環(huán)電流控制，瞬態(tài)電流控制及dq軸電流解耦控制。

為了提高整流器的控制精度及動(dòng)態(tài)性能，適用于三相整流器的直接功率控制算法以瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)，直接控制有功功率和無功功率，使脈沖整流器達(dá)到網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)、直流側(cè)電壓恒定等性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的直接功率控制算法采用滯環(huán)開關(guān)表控制有功和無功功率，響應(yīng)速度快，但其開關(guān)頻率不固定、諧波分布廣泛、不利于網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計(jì)，故而實(shí)際系統(tǒng)中很少采用該算法；對(duì)此，提出了基于模型預(yù)測(cè)的功率控制算法，傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)功率控制算法通過反復(fù)計(jì)算和比較每一種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)，選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而生成整流器的門極控制信號(hào)；然而傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的開關(guān)頻率不確定，諧波分布廣泛，制約了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

為解決模型預(yù)測(cè)直接功率控制開關(guān)頻率不固定的問題，有學(xué)者提出兩矢量模型預(yù)測(cè)直接功率控制，通過最優(yōu)化占空比方法實(shí)現(xiàn)定頻控制，然而該算法仍然需要反復(fù)計(jì)算和比較不同開關(guān)狀態(tài)下的評(píng)價(jià)函數(shù)大小，因此增加了算法的計(jì)算量，為克服模型預(yù)測(cè)控制計(jì)算量大的缺點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者提出基于最優(yōu)調(diào)制波的模型預(yù)測(cè)功率控制策略，結(jié)合脈沖寬度調(diào)制(PWM)，實(shí)現(xiàn)定頻模型預(yù)測(cè)控制。雖然該算法能夠?qū)崿F(xiàn)固定開關(guān)頻率的模型預(yù)測(cè)控制，然而在低開關(guān)頻率下的模型預(yù)測(cè)控制仍然無法實(shí)現(xiàn)，控制精度將隨著開關(guān)頻率的降低迅速惡化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種低開關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)功率控制算法，該算法無須反復(fù)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，利用模型預(yù)測(cè)思想，直接計(jì)算最優(yōu)調(diào)制函數(shù)，通過伏秒平衡補(bǔ)償算法對(duì)低開關(guān)頻率引起的伏秒不平衡現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的模型預(yù)測(cè)直接功率控制，同時(shí)降低了控制算法的復(fù)雜度。技術(shù)方案如下：

一種單相脈沖整流器低開關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)功率控制算法，包含以下步驟：

步驟1：通過式(1)估算有功功率和無功功率在下一占空比更新周期的瞬時(shí)值：

其中，T_s為開關(guān)周期，n表示半開關(guān)周期(T_s/2)的個(gè)數(shù)，ω為電網(wǎng)電壓角頻率，u_abd和u_abq分別表示整流器輸入電壓在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量；u_m表示網(wǎng)側(cè)電壓幅值，L為網(wǎng)側(cè)電感值；A₁和A₂為初始參數(shù)，由第n個(gè)半開關(guān)周期起始時(shí)刻有功功率P和無功功率Q的瞬時(shí)值決定，其表示為

其中，T_c表示控制周期，k表示最接近第n個(gè)半開關(guān)周期的控制周期數(shù)；

步驟2：定義評(píng)價(jià)函數(shù)J為：

J＝{P_ref[(n+1)T_s/2]-P[(n+1)T_s/2]}²+{Q_ref[(n+1)T_s/2]-Q[(n+1)T_s/2]}² (3)

其中，P_ref[(n+1)T_s/2]和Q_ref[(n+1)T_s/2]分別為在第n+1個(gè)半開關(guān)周期內(nèi)的參考有功和無功功率的給定值；P[(n+1)T_s/2]和Q[(n+1)T_s/2]為在第n+1個(gè)半開關(guān)周期內(nèi)的有功功率和無功功率的預(yù)測(cè)值，這些功率預(yù)測(cè)值由式(1)求解得到；

步驟3：為使得評(píng)價(jià)函數(shù)J最小，則u_abd和u_baq滿足式(4)：

將式(1)和式(3)代入式(4)，得到使得評(píng)價(jià)函數(shù)最小的最優(yōu)控制量u_abα在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量u_abd與u_abq的計(jì)算式為：

其中：u_abd(nT_s/2)和u_abq(nT_s/2)表示下半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)調(diào)制波在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下所采用的最優(yōu)控制分量；T_c代表控制周期，其靠近于第n個(gè)半開關(guān)周期；

步驟4：通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將最優(yōu)的控制量u_abd及u_abq轉(zhuǎn)換為靜止坐標(biāo)系(α-β)下的α軸分量，經(jīng)過如式(6)實(shí)現(xiàn)低開關(guān)頻率下的伏秒平衡補(bǔ)償：

其中，u_abα^*為經(jīng)過伏秒平衡補(bǔ)償后的調(diào)制波；

步驟5：對(duì)調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制，將u_abα^*轉(zhuǎn)換為最優(yōu)控制脈沖對(duì)整流器進(jìn)行控制。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的算法可運(yùn)行在低開關(guān)頻率場(chǎng)合，采用模型預(yù)測(cè)思想，實(shí)現(xiàn)了牽引整流器的直接功率控制，提高了單相脈沖整流器模型預(yù)測(cè)功率控制算法的控制精度；無須反復(fù)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，降低了算法的復(fù)雜度，提高了控制和采樣頻率，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；算法靈活度高，可采用不同的調(diào)制策略與控制算法配合，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

附圖說明

圖1為單相模型預(yù)測(cè)直接功率控制系統(tǒng)功能劃分框圖。

圖2為單相鎖相環(huán)系統(tǒng)。

圖3為單相瞬時(shí)功率估算框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)效果做進(jìn)一步詳細(xì)說。

圖1示出了單相無鎖相環(huán)直接功率控制系統(tǒng)功能劃分框圖，整個(gè)系統(tǒng)可分為最優(yōu)控制量計(jì)算，伏秒補(bǔ)償及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換、脈寬調(diào)制策略、網(wǎng)側(cè)電壓電流采集、單相鎖相環(huán)、瞬時(shí)功率計(jì)算、電壓PI外環(huán)控制七個(gè)部分。其中主要部分的具體內(nèi)容為：

(1)最優(yōu)控制量計(jì)算：通過模型預(yù)測(cè)控制思想，對(duì)功率評(píng)價(jià)函數(shù)求取最優(yōu)解，通過令評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)控制量的偏導(dǎo)為零，計(jì)算出最優(yōu)控制量。

(2)伏秒平衡補(bǔ)償及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換：通過伏秒平衡計(jì)算公式，對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)低開關(guān)頻率下的伏秒補(bǔ)償，提高控制精度。

(3)脈沖寬度調(diào)制：對(duì)調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制，基于伏秒平衡原理生成不同的脈沖序列，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，使之按照指定規(guī)則開通或關(guān)斷。

(4)單相鎖相環(huán)：通過二階廣義積分算法，生成網(wǎng)壓正交坐標(biāo)分量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單相系統(tǒng)鎖相環(huán)算法，獲取網(wǎng)側(cè)電壓相位和幅值信息，同時(shí)網(wǎng)壓正交分量將被用于單相瞬時(shí)功率估計(jì)算法中計(jì)算瞬時(shí)功率。

(5)瞬時(shí)功率計(jì)算：通過單相鎖相環(huán)模塊得到的網(wǎng)側(cè)電壓正交向量以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換模塊得到的正交調(diào)制波向量，計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流正交分量，并根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算單相系統(tǒng)的瞬時(shí)功率。

在低開關(guān)頻率下，通過模型預(yù)測(cè)功率算法及伏秒平衡補(bǔ)償算法，結(jié)合脈寬調(diào)制策略生成開關(guān)控制信號(hào)，完成單相脈沖整流器的控制，具體包含以下步驟：

步驟1：通過式(1)所示高精度功率預(yù)測(cè)算法估算有功功率和無功功率在下一占空比更新周期的瞬時(shí)值。

其中：T_s為開關(guān)周期，n表示半開關(guān)周期(T_s/2)的個(gè)數(shù)，ω為電網(wǎng)電壓角頻率，u_abd和u_abq分別表示整流器輸入電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量。u_m表示網(wǎng)側(cè)電壓幅值，L為網(wǎng)側(cè)電感值。A₁和A₂為初始參數(shù)，由第n個(gè)半開關(guān)周期起始時(shí)刻有功功率P和無功功率Q的瞬時(shí)值決定，其可表示為

其中，T_c表示控制周期，k表示最接近第n個(gè)半開關(guān)周期的控制周期個(gè)數(shù)。

步驟2：為衡量控制算法的綜合性能，定義評(píng)價(jià)函數(shù)J為

J＝{P_ref[(n+1)T_s/2]-P[(n+1)T_s/2]}²+{Q_ref[(n+1)T_s/2]-Q[(n+1)T_s/2]}² (3)

其中P_ref[(n+1)T_s/2]和Q_ref[(n+1)T_s/2]分別為在第n+1個(gè)半開關(guān)周期內(nèi)的參考有功和無功功率的給定值，該值與當(dāng)前值近似相等。P[(n+1)T_s/2]和Q[(n+1)T_s/2]為在第n+1個(gè)半開關(guān)周期內(nèi)的有功功率和無功功率的預(yù)測(cè)值，可通過式(1)所示高精度功率預(yù)測(cè)算法可以求得。

步驟3：為使得評(píng)價(jià)函數(shù)最小，所采用的u_abd和u_baq應(yīng)滿足：

進(jìn)而，將式(1)和式(3)代入式(4)，得到使得評(píng)價(jià)函數(shù)最小的最優(yōu)控制量u_abα在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量u_abd與u_abq的計(jì)算式為：

其中：u_abd(nT_s/2)和u_abq(nT_s/2)表示下半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)調(diào)制波在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下所采用的最優(yōu)控制分量；T_c代表控制周期，k表示第k次控制周期，其靠近于第n個(gè)半開關(guān)周期；網(wǎng)壓角頻率ω通過軟件鎖相環(huán)估計(jì)得到。

步驟4：通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將最優(yōu)的控制量u_abd及u_abq轉(zhuǎn)換為靜止坐標(biāo)系(α-β)下的α軸分量，經(jīng)過如式(6)所示伏秒補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)低開關(guān)頻率下脈寬調(diào)制的伏秒平衡。

其中，u_abα^*為經(jīng)過伏秒補(bǔ)償后的調(diào)制波。

步驟5：通過脈寬調(diào)制策略，基于伏秒平衡原理生成不同的脈沖序列，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，使之按照指定規(guī)則開通或關(guān)斷，將u_abα^*轉(zhuǎn)換為最優(yōu)控制脈沖對(duì)整流器進(jìn)行控制。

應(yīng)用實(shí)例：

圖2給出了單相鎖相環(huán)系統(tǒng)示意圖。將網(wǎng)側(cè)電壓矢量經(jīng)過二階廣義積分(SOGI)計(jì)算正交電壓分量，然后將正交靜止坐標(biāo)系下網(wǎng)壓向量對(duì)通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換計(jì)算出網(wǎng)壓分量在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下的q軸分量，通過比例積分控制器將其控制為零，完成網(wǎng)壓鎖相功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓虛擬正交分量的求取。

圖3示出，瞬時(shí)功率計(jì)算框圖。將網(wǎng)側(cè)電壓正交分量，以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后的調(diào)制波正交分量作為虛擬軸反饋瞬時(shí)功率計(jì)算的輸入量，經(jīng)過瞬時(shí)功率估計(jì)算法，完成瞬時(shí)功率估計(jì)。