本發(fā)明涉及一種固態(tài)變壓器預(yù)測(cè)控制技術(shù)，尤其是涉及一種固態(tài)變壓器模型預(yù)測(cè)控制方法。

背景技術(shù)：

固態(tài)變壓器作為分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)載與微網(wǎng)的接口設(shè)備，是新型智能微網(wǎng)控制的核心。固態(tài)變壓器可控性強(qiáng)、響應(yīng)快速，使微網(wǎng)能夠以固態(tài)變壓器為基本控制單元，在保證安全性與可靠性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能量管理、模式切換、即插即用。

交-直-交型固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)上包括高壓側(cè)變流器、dc-dc變換器和低壓側(cè)變流器。其中，dc-dc變換器在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱(chēng)，允許電能雙向傳輸。高、低壓側(cè)變流器的控制常采用電壓定向控制策略，利用比例積分控制器分別控制解耦后的d-q軸分量，有良好的控制性能，但pi控制器設(shè)計(jì)依賴于系統(tǒng)參數(shù)，且參數(shù)整定繁瑣。模型預(yù)測(cè)控制將預(yù)測(cè)控制與最優(yōu)控制相結(jié)合，使復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解性能優(yōu)化函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，近年來(lái)已逐漸應(yīng)用于電力電子變流器控制領(lǐng)域。單非零矢量模型預(yù)測(cè)控制用于單相脈沖寬度調(diào)制整流器及三相逆變器，均取得良好控制效果。

目前對(duì)固態(tài)變壓器的模型預(yù)測(cè)控制研究較少，有學(xué)者利用虛擬直流回路，將模型預(yù)測(cè)控制用于交-交型矩陣式固態(tài)變壓器，對(duì)交-直-交型sst的模型預(yù)測(cè)控制有一定參考意義。此外，單非零矢量的模型預(yù)測(cè)控制開(kāi)關(guān)頻率不固定且需較高的采樣頻率。變化的開(kāi)關(guān)頻率不利于濾波器設(shè)計(jì)，較高的采樣頻率會(huì)使系統(tǒng)延遲，影響控制器的運(yùn)行性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種固態(tài)變壓器模型預(yù)測(cè)控制方法，該方法避免了比例積分控制器參數(shù)整定引起的不穩(wěn)定問(wèn)題，可有效降低單矢量模型預(yù)測(cè)控制中過(guò)高的采樣頻率，且開(kāi)關(guān)頻率固定，固態(tài)變壓器各級(jí)電壓、電流具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

利用常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制無(wú)需脈寬調(diào)制控制器的優(yōu)勢(shì)，對(duì)固態(tài)變壓器的高、低壓側(cè)變流器進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，固態(tài)變壓器各級(jí)電壓、電流具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗負(fù)載擾動(dòng)能力，并可避免比例積分控制器參數(shù)整定引起的不穩(wěn)定問(wèn)題。

利用空間矢量調(diào)制原理，選取雙非零矢量和零矢量，并根據(jù)各矢量占空比與優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，確定一個(gè)控制周期內(nèi)各矢量的作用時(shí)間和開(kāi)關(guān)序列，可有效降低單矢量模型預(yù)測(cè)控制中過(guò)高的采樣頻率。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種固態(tài)變壓器模型預(yù)測(cè)控制方法，該方法利用雙非零矢量進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制，提出了適用于固態(tài)變壓器中高、低壓側(cè)變流器的固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制方法，該控制方法包括高壓側(cè)變流器交流側(cè)電流預(yù)測(cè)控制、低壓側(cè)變流器輸出電壓預(yù)測(cè)控制。

所述的高壓側(cè)變流器交流側(cè)電流預(yù)測(cè)控制過(guò)程如下：

101)測(cè)量高壓側(cè)變流器交流側(cè)輸入電壓、網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流；

102)計(jì)算交流側(cè)參考電流；

103)交流側(cè)電流預(yù)測(cè)子過(guò)程；

104)矢量占空比計(jì)算；

105)開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子過(guò)程；

106)輸出最優(yōu)開(kāi)關(guān)信號(hào)。

所述的交流側(cè)參考電流利用功率瞬時(shí)平衡理論求得，忽略變流器自身的功率損耗，根據(jù)交、直流側(cè)功率平衡可得：

式中，udc1為固態(tài)變壓器高壓直流母線電壓，c1為高壓直流側(cè)電容，po為直流側(cè)的有功功率，uind、uinq分別為高壓側(cè)變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量，iind、iinq分別為高壓側(cè)變流器交流側(cè)電流的d、q軸分量；

令電網(wǎng)電壓ug的相電壓幅值為um，且d軸方向與ug相同，由瞬時(shí)無(wú)功功率知，q＝|ug|×iq，當(dāng)整流器工作在單位功率因數(shù)時(shí)，給定i^*gq＝0即可，忽略電流的計(jì)算時(shí)延，認(rèn)為i^*gd＝iind、i^*gq＝iinq，從而得d軸參考電流i^*gq：

所述的交流側(cè)電流預(yù)測(cè)子過(guò)程利用歐拉法預(yù)估，在αβ坐標(biāo)系下建立高壓側(cè)變流器工作于整流狀態(tài)下的狀態(tài)方程：

式中，ugα、ugβ分別表示網(wǎng)側(cè)電壓的α、β分量，igα、igβ分別表示網(wǎng)側(cè)電流的α、β分量，rg、lg分別表示網(wǎng)絡(luò)等效電阻和電感，uinα、uinβ分別為交流側(cè)電壓uin的α、β分量；

定義uin和開(kāi)關(guān)狀態(tài)srec在αβ坐標(biāo)系中為uinαβ和srec_αβ，與直流母線電壓udc1的關(guān)系為uinβ＝udc1srec_αβ，其中，開(kāi)關(guān)狀態(tài)srec＝{sa,sb,sc}，當(dāng)?shù)趚相上橋臂導(dǎo)通時(shí)，sx＝1，其中x＝a,b,c；第x相上橋臂關(guān)斷時(shí)，sx＝0；

利用歐拉法預(yù)估，可得k+1時(shí)刻網(wǎng)側(cè)電流的預(yù)測(cè)值：

式中，ts為控制器采樣周期，考慮到實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)中存在一拍延時(shí)，在得到k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值后，再代入上式進(jìn)行兩步預(yù)測(cè)，為使預(yù)測(cè)電流跟蹤參考電流，建立整流模式下性能優(yōu)化函數(shù)為：

其中，fc_rec為整流模式下的優(yōu)化性能函數(shù)，i^*gα、i^*gβ分別為網(wǎng)側(cè)參考電流的α、β分量，igα(k+2)、igβ(k+2)分別為兩步預(yù)測(cè)電流的α、β分量。

所述的低壓側(cè)變流器輸出電壓預(yù)測(cè)控制過(guò)程為：

201)測(cè)量低壓側(cè)變流器濾波電感電流、輸出電壓和輸出電流；

202)低壓側(cè)變流器輸出電壓預(yù)測(cè)子過(guò)程；

203)矢量占空比計(jì)算；

204)開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子過(guò)程；

205)輸出最優(yōu)開(kāi)關(guān)信號(hào)。

所述的低壓側(cè)變流器輸出電壓預(yù)測(cè)子過(guò)程將低壓側(cè)變流器狀態(tài)方程離散化，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓預(yù)測(cè)控制，建立變流器的狀態(tài)空間模型：

其中,c＝[01]。

式中，rf、lf和cf分別為低壓側(cè)變流器的等效濾波電阻、濾波電感和濾波電容，uf和if分別為濾波電感電壓和電流，uo和io分別為輸出電壓、輸出電流，矩陣a、b、bd和c為變流器狀態(tài)空間方程系數(shù)矩陣。

將狀態(tài)空間模型離散化，可得：

x(k+1)＝apx(k)+bpuf(k)+bdpio(k)

式中，ts為采樣周期，矩陣ap、bp、bdp為變流器狀態(tài)空間方程離散化之后的系數(shù)矩陣。，k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)電壓uopi(k+1)為：

uopi(k+1)＝c·[apx(k)+bpuf(k)+bdpio(k)]

進(jìn)行兩步預(yù)測(cè)后，輸出電壓的性能優(yōu)化函數(shù)為：

其中，fc_inv為逆變模式下的優(yōu)化性能函數(shù)，u^*oα、u^*oβ分別為輸出電壓的α、β分量，uopα(k+2)、uopβ(k+2)分別為兩步預(yù)測(cè)電壓的α、β分量。

所述的矢量占空比計(jì)算根據(jù)各矢量占空比與優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，優(yōu)化一個(gè)控制周期內(nèi)各矢量的作用時(shí)間，以在一個(gè)周期內(nèi)選取兩個(gè)非零電壓矢量和零矢量進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。

所述的矢量占空比計(jì)算具體過(guò)程如下：

由于三相變流器電壓空間矢量分為六個(gè)扇區(qū)，固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法在迭代選優(yōu)的過(guò)程中，依次選擇各扇區(qū)相鄰的兩個(gè)非零矢量vx和vx+1進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中，x為扇區(qū)編號(hào)，當(dāng)x＝6時(shí)，vx+1＝v1；

在變流器兩種工作狀態(tài)下，計(jì)算vx、vx+1和零矢量對(duì)應(yīng)的性能優(yōu)化函數(shù)fcx(k+2)、fcx+1(k+2)和fc0(k+2)，按下式計(jì)算出vx、vx+1和零矢量對(duì)應(yīng)的占空比dx、dx+1和d0：

根據(jù)各電壓矢量占空比與性能優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，即建立基于雙非零矢量的固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法的優(yōu)化函數(shù)fc：

fc＝dxfcx(k+2)+dx+1fcx+1(k+2)

所述的開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子過(guò)程利用空間矢量調(diào)制原理確定開(kāi)關(guān)序列。

所述的開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子過(guò)程具體為：

當(dāng)參考電壓位于扇區(qū)i時(shí)，得到最優(yōu)的相鄰非零電壓矢量為v1和v2，前ts/2，空間電壓矢量v0、v1、v2、v7依次作用時(shí)間為t0/4、t1/2、t2/2、t0/4；其中，t0＝d0ts、t1＝d1ts、t2＝d2ts，t0、t1、t2分別為v0、v1、v2在一個(gè)控制周期內(nèi)的作用時(shí)間，d0、d1、d2分別為v0、v1、v2的占空比；后ts/2內(nèi)，按v7、v2、v1、v0的順序依次作用；當(dāng)參考電壓位于扇區(qū)ii時(shí)，最優(yōu)相鄰非零電壓矢量為v2和v3，為減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，每次僅一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此一個(gè)周期內(nèi)，v0、v3、v2、v7、v7、v2、v3、v0依次作用。其余扇區(qū)的開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子過(guò)程同理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制無(wú)需脈寬調(diào)制控制器的優(yōu)勢(shì)，對(duì)固態(tài)變壓器的高、低壓側(cè)變流器進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)，避免比例積分控制器參數(shù)整定引起的不穩(wěn)定問(wèn)題；

(2)選取雙非零矢量和零矢量，并根據(jù)各矢量占空比與優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，確定一個(gè)控制周期內(nèi)各矢量的作用時(shí)間和開(kāi)關(guān)序列，可有效降低單矢量模型預(yù)測(cè)控制中過(guò)高的采樣頻率；

(3)固態(tài)變壓器各級(jí)電壓、電流具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗負(fù)載擾動(dòng)能力，可足微網(wǎng)對(duì)固態(tài)變壓器的控制要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本申請(qǐng)的固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)與控制框圖；

圖2為三相變流器空間電壓空間矢量和扇區(qū)示意圖；

圖3(a)為本申請(qǐng)參考電壓位于扇區(qū)i時(shí)的開(kāi)關(guān)序列選擇示意圖；

圖3(b)為本申請(qǐng)參考電壓位于扇區(qū)ii時(shí)的開(kāi)關(guān)序列選擇示意圖

圖4為本申請(qǐng)的模型預(yù)測(cè)控制算法流程圖；

圖5為本申請(qǐng)?jiān)谪?fù)載功率因數(shù)變化時(shí)固態(tài)變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)仿真圖；

圖6為本申請(qǐng)?jiān)谪?fù)載功率因數(shù)變化時(shí)固態(tài)變壓器高壓直流電壓仿真圖；

圖7(a)為mpc控制輸出相電壓及開(kāi)關(guān)頻率仿真圖；

圖7(b)為本申請(qǐng)控制輸出相電壓及開(kāi)關(guān)頻率仿真圖；

圖8(a)為關(guān)于網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的負(fù)載突變時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比圖；

圖8(b)為關(guān)于低壓側(cè)輸出相電壓標(biāo)幺值及輸出相電流的負(fù)載突變時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比圖；

圖9(a)為關(guān)于網(wǎng)側(cè)電壓、電流的負(fù)載隨機(jī)波動(dòng)時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比圖；

圖9(b)為關(guān)于低壓側(cè)輸出相電壓標(biāo)幺值電壓和相電流的負(fù)載隨機(jī)波動(dòng)時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比圖；

圖10(a)為關(guān)于網(wǎng)側(cè)電壓、電流、功率因數(shù)的分布式電源出力改變時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比圖；

圖10(b)為關(guān)于低壓側(cè)輸出相電壓標(biāo)幺值和相電流的分布式電源出力改變時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)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)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(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(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明固態(tài)變壓器模型預(yù)測(cè)控制方法，該方法利用雙非零矢量進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制，提出了適用于固態(tài)變壓器中高、低壓側(cè)變流器的固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法。

利用常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制無(wú)需脈寬調(diào)制控制器的優(yōu)勢(shì)，對(duì)固態(tài)變壓器的高、低壓側(cè)變流器進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，固態(tài)變壓器各級(jí)電壓、電流具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗負(fù)載擾動(dòng)能力，并可避免比例積分控制器參數(shù)整定引起的不穩(wěn)定問(wèn)題。

利用空間矢量調(diào)制原理，選取雙非零矢量和零矢量，并根據(jù)各矢量占空比與優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，確定一個(gè)控制周期內(nèi)各矢量的作用時(shí)間和開(kāi)關(guān)序列，可有效降低單矢量模型預(yù)測(cè)控制中過(guò)高的采樣頻率。

所述的固態(tài)變壓器模型預(yù)測(cè)控制方法是一種雙非零矢量預(yù)測(cè)控制方法，適用于交-直-交型固態(tài)變壓器。該方法利用雙非零矢量進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制，提出了適用于固態(tài)變壓器中高、低壓側(cè)變流器的固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法，所述的控制方法包括高壓側(cè)變流器交流側(cè)電流預(yù)測(cè)控制、低壓側(cè)變流器輸出電壓預(yù)測(cè)控制、矢量占空比計(jì)算、開(kāi)關(guān)序列選擇。所述的高、低壓側(cè)變流器的預(yù)測(cè)控制具體步驟分別如下：

(1)高壓側(cè)變流器交流側(cè)電流預(yù)測(cè)控制算法：

1).測(cè)量高壓側(cè)變流器交流側(cè)輸入電壓、網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流；

2).計(jì)算交流側(cè)參考電流；

3).交流側(cè)電流預(yù)測(cè)子程序；

4).矢量占空比計(jì)算；

5).開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子程序；

6).輸出最優(yōu)開(kāi)關(guān)信號(hào)。

(2)低壓側(cè)變流器輸出電壓預(yù)測(cè)控制算法：

1).測(cè)量低壓側(cè)變流器濾波電感電流、輸出電壓和輸出電流；

2).輸出電壓預(yù)測(cè)子程序；

3).矢量占空比計(jì)算；

4).開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子程序；

5).輸出最優(yōu)開(kāi)關(guān)信號(hào)。

所述的交流側(cè)參考電流利用功率瞬時(shí)平衡理論求得。當(dāng)高壓側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)時(shí)，其控制目標(biāo)包括兩個(gè)方面：?jiǎn)挝还β室驍?shù)運(yùn)行、直流側(cè)母線電壓跟蹤給定值并保持穩(wěn)定。

忽略變流器自身的功率損耗，根據(jù)交、直流側(cè)功率平衡可得：

式中，udc1為固態(tài)變壓器高壓直流母線電壓，c1為高壓直流側(cè)電容，po為直流側(cè)的有功功率，uind、uinq分別為高壓側(cè)變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量，iind、iinq分別為高壓側(cè)變流器交流側(cè)電流的d、q軸分量。

令電網(wǎng)電壓ug的相電壓幅值為um，且d軸方向與ug相同。由瞬時(shí)無(wú)功功率知，q＝|ug|*iq。當(dāng)整流器工作在單位功率因數(shù)時(shí)，給定i^*gq＝0即可。忽略電流的計(jì)算時(shí)延，認(rèn)為i^*gd＝iind、i^*gq＝iinq，從而得d軸參考電流：

所述的交流側(cè)電流預(yù)測(cè)子程序利用歐拉法預(yù)估。在αβ坐標(biāo)系下建立高壓側(cè)變流器工作于整流狀態(tài)下的狀態(tài)方程：

式中，ugα、ugβ分別表示網(wǎng)側(cè)電壓的α、β分量，igα、igβ分別表示網(wǎng)側(cè)電流的α、β分量，rg、lg分別表示網(wǎng)絡(luò)等效電阻和電感，uinα、uinβ分別為交流側(cè)電壓uin的α、β分量。定義uin和開(kāi)關(guān)狀態(tài)srec在αβ坐標(biāo)系中為uinαβ和srec_αβ，與直流母線電壓udc的關(guān)系為uinβ＝udc1srec_αβ，其中，開(kāi)關(guān)狀態(tài)srec＝{sa,sb,sc}，取值如式(5)所示。

定義uin和開(kāi)關(guān)狀態(tài)srec在αβ坐標(biāo)系中為uinαβ和srec_αβ，與直流母線電壓udc的關(guān)系為uinβ＝udc1srec_αβ，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1開(kāi)關(guān)狀態(tài)與交流側(cè)電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用歐拉法預(yù)估，可得k+1時(shí)刻網(wǎng)側(cè)電流的預(yù)測(cè)值：

式中，ts為控制器采樣周期?？紤]到實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)中存在一拍延時(shí)，在得到k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值后，再代入上式進(jìn)行兩步預(yù)測(cè)。為使預(yù)測(cè)電流跟蹤參考電流，建立整流模式下性能優(yōu)化函數(shù)為：

其中，fc_rec為整流模式下的優(yōu)化性能函數(shù)，i^*gα、i^*gβ分別為網(wǎng)側(cè)參考電流的α、β分量，igα(k+2)、igβ(k+2)分別為兩步預(yù)測(cè)電流的α、β分量。

所述的低壓側(cè)輸出電壓預(yù)測(cè)子程序?qū)⒌蛪簜?cè)變流器狀態(tài)方程離散化，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓預(yù)測(cè)控制。低壓側(cè)變流器由三相全橋逆變器和rlc濾波電路組成。為實(shí)現(xiàn)固態(tài)變壓器輸出電壓的穩(wěn)定，對(duì)輸出電壓進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。建立變流器的狀態(tài)空間模型：

其中,c＝[01]。

式中，rf、lf和cf分別為低壓側(cè)變流器的等效濾波電阻、濾波電感和濾波電容，uf和if分別為濾波電感電壓和電流，uo和io分別為輸出電壓、輸出電流，矩陣a、b、bd和c為變流器狀態(tài)空間方程系數(shù)矩陣。

對(duì)式(8)進(jìn)行離散化，可得：

x(k+1)＝apx(k)+bpuf(k)+bdpio(k)(9)

式中，k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)電壓為：

uopi(k+1)＝c·[apx(k)+bpuf(k)+bdpio(k)](10)

進(jìn)行兩步預(yù)測(cè)后，輸出電壓的性能優(yōu)化函數(shù)為：

其中，fc_inv為逆變模式下的優(yōu)化性能函數(shù)，u^*oα、u^*oβ分別為輸出電壓的α、β分量，uopα(k+2)、uopβ(k+2)分別為兩步預(yù)測(cè)電壓的α、β分量。

采用單非零矢量預(yù)測(cè)的模型預(yù)測(cè)控制采樣頻率較高，不利于濾波器的設(shè)計(jì)。本申請(qǐng)所述的矢量占空比計(jì)算根據(jù)各矢量占空比與優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，優(yōu)化一個(gè)控制周期內(nèi)各矢量的作用時(shí)間，以在一個(gè)周期內(nèi)選取兩個(gè)非零電壓矢量和零矢量進(jìn)行預(yù)測(cè)控制。以使變流器開(kāi)關(guān)頻率固定，并減小預(yù)測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)間的跟蹤誤差。

圖2給出了三相變流器電壓空間矢量和扇區(qū)。固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法在迭代選優(yōu)的過(guò)程中，依次選擇各扇區(qū)相鄰的兩個(gè)非零矢量vx和vx+1進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中，x為扇區(qū)編號(hào)。特別地，當(dāng)x＝6時(shí)，vx+1＝v1。在變流器兩種工作狀態(tài)下，計(jì)算vx、vx+1和零矢量對(duì)應(yīng)的性能優(yōu)化函數(shù)fcx(k+2)、fcx+1(k+2)和fc0(k+2)，根據(jù)各電壓矢量占空比與性能優(yōu)化函數(shù)的關(guān)系，即可建立基于雙非零矢量的固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法的優(yōu)化函數(shù)：

fc＝dxfcx(k+2)+dx+1fcx+1(k+2)(12)

式中，dx和dx+1分別是vx和vx+1的占空比，計(jì)算過(guò)程如式(13)：

其中，λ定義為電壓矢量占空比系數(shù)，d0為零矢量的占空比，零矢量對(duì)應(yīng)的fc0只需計(jì)算一次，且dx+dx+1+d0＝1?？傻忙说谋磉_(dá)式：

式(12)可改寫(xiě)為：

所述的開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子程序利用空間矢量調(diào)制原理確定開(kāi)關(guān)序列。合理的開(kāi)關(guān)序列可在保證系統(tǒng)控制性能的同時(shí)有效地減少開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作。由式(12)得到最優(yōu)的相鄰非零電壓矢量后，固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法按照空間矢量調(diào)制原理確定開(kāi)關(guān)序列。以扇區(qū)i和扇區(qū)ii為例，圖3(a)和(b)給出了開(kāi)關(guān)序列選擇示意圖。當(dāng)參考電壓位于扇區(qū)i時(shí)，得到最優(yōu)的相鄰非零電壓矢量為v1和v2，前ts/2，空間電壓矢量v0、v1、v2、v7依次作用時(shí)間為t0/4、t1/2、t2/2、t0/4；其中，t0＝d0ts、t1＝d1ts、t2＝d2ts，t0、t1、t2分別為v0、v1、v2在一個(gè)控制周期內(nèi)的作用時(shí)間，d0、d1、d2分別為v0、v1、v2的占空比；后ts/2內(nèi)，按v7、v2、v1、v0的順序依次作用；當(dāng)參考電壓位于扇區(qū)ii時(shí)，最優(yōu)相鄰非零電壓矢量為v2和v3，為減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，每次僅一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此一個(gè)周期內(nèi)，v0、v3、v2、v7、v7、v2、v3、v0依次作用。其余扇區(qū)的開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化子過(guò)程同理。

以變流器工作于逆變狀態(tài)為例，圖4給出了本申請(qǐng)的固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制算法流程圖。

本申請(qǐng)的固態(tài)變壓器控制性能驗(yàn)證的模型如圖1所示。在matlab/simulink環(huán)境下搭建如圖1所示的仿真模型。在負(fù)載功率因數(shù)變化、容量突變、負(fù)載波動(dòng)以及分布式電源功率切換四種工況下，驗(yàn)證固態(tài)變壓器在比例積分控制(proportionalintegral,pi)控制、常規(guī)模型預(yù)測(cè)控制(modelpredictivecontrol,mpc)和本申請(qǐng)固定開(kāi)關(guān)頻率模型預(yù)測(cè)控制(fixedswitchingfrequency-mpc,fsf-mpc)下的工作特性，采樣頻率為5khz。

圖5和圖6分別為負(fù)載功率因數(shù)變化時(shí)固態(tài)變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、高壓直流電壓。初始工況：固態(tài)變壓器接入720kw三相純阻性負(fù)載；t＝1.2s時(shí)，負(fù)載有功功率降為576kw，同時(shí)增加無(wú)功功率432kvar，即負(fù)載視在功率不變，功率因數(shù)從1降低為0.8。由仿真結(jié)果可知，fsf-mpc和mpc控制下，sst的工作特性均能達(dá)到pi控制的效果。三種控制策略下，負(fù)載功率因數(shù)變化對(duì)高壓側(cè)沖擊很小，pi控制和mpc控制下，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)經(jīng)短暫的下降后迅速恢復(fù)為1，fsf-mpc控制時(shí)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)基本不變，滿足sst的功率因數(shù)控制要求。負(fù)載功率因數(shù)變化時(shí)，sst高壓直流電壓經(jīng)較小波動(dòng)后很快恢復(fù)穩(wěn)定。由圖7(a)和(b)可看出，相同采樣頻率時(shí)，相較于mpc策略，fsf-mpc開(kāi)關(guān)頻率固定，開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)明顯減少。

圖8(a)和(b)為負(fù)載突變時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比。初始工況固態(tài)變壓器空載運(yùn)行；t＝1.1s時(shí)，接入50％負(fù)載(360kw)；t＝1.2s時(shí)，滿載(720kw)運(yùn)行；t＝1.3s時(shí)，120％負(fù)載(864kw)運(yùn)行。從空載到滿載再到過(guò)載20％，fsf-mpc控制的固態(tài)變壓器在負(fù)載突變時(shí)輸出電壓始終幅值恒定且波形正弦，網(wǎng)側(cè)變流器保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)電壓、電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，輸出電壓、電流在負(fù)荷突變瞬間有一定波動(dòng)，但很快恢復(fù)穩(wěn)定。

圖9(a)和(b)為負(fù)載隨機(jī)波動(dòng)時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比。系統(tǒng)配置兩個(gè)功率在390～410kw間波動(dòng)的負(fù)載。仿真結(jié)果表明，負(fù)載隨機(jī)波動(dòng)時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定、電流動(dòng)態(tài)跟隨性能好。

圖10(a)和(b)為分布式電源出力改變時(shí)本申請(qǐng)與pi控制效果對(duì)比，以驗(yàn)證fsf-mpc控制下固態(tài)變壓器對(duì)分布式電源出力的適應(yīng)性。t＝0時(shí)，固態(tài)變壓器直流低壓母線接入容量為200kw的分布式電源，負(fù)載側(cè)接入400kw的三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載；t＝1s時(shí)，分布式電源出力增加至720kw。由圖10(a)和(b)知，分布式電源出力改變時(shí)，相比于pi控制策略，fsf-mpc控制的固態(tài)變壓器功率因數(shù)能夠更快跟隨分布式電源的變化從1變?yōu)?1，并穩(wěn)定工作于單位功率因數(shù)，且直流電壓和交流輸出電壓、電流穩(wěn)定。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。