一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法，在低开关频率下，通过模型预测功率算法计算出有功功率和无功功率的功率预测值，进而计算使得评价函数最小的最优控制量在旋转坐标系下的分量，再通过伏秒平衡补偿算法求得经过伏秒补偿后的调制波，最后结合脉宽调制策略生成开关控制信号，完成单相脉冲整流器的控制。本发明专利技术提高了单相脉冲整流器模型预测功率控制算法的控制精度，无须反复计算评价函数，降低了算法的复杂度，提高了控制和采样频率，具有良好的动态和稳态性能；算法灵活度高，可采用不同的调制策略与控制算法配合，满足不同应用场合的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法
本专利技术涉及电力电子与电力传动领域中单相PWM变流器控制系统
，具体为一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法。
技术介绍
单相脉冲整流器具有能量可双向流动，网侧电压、电流保持单位功率因数，直流侧电压恒定等优点，故而被广泛应用于大功率铁路牵引传动系统、UPS电源等。目前，单相整流器控制算法主要包括间接电流控制，滞环电流控制，瞬态电流控制及dq轴电流解耦控制。为了提高整流器的控制精度及动态性能，适用于三相整流器的直接功率控制算法以瞬时功率理论为基础，直接控制有功功率和无功功率，使脉冲整流器达到网侧单位功率因数、直流侧电压恒定等性能指标。传统的直接功率控制算法采用滞环开关表控制有功和无功功率，响应速度快，但其开关频率不固定、谐波分布广泛、不利于网侧滤波器设计，故而实际系统中很少采用该算法；对此，提出了基于模型预测的功率控制算法，传统模型预测功率控制算法通过反复计算和比较每一种开关状态对应的评价函数，选择合适的开关状态，进而生成整流器的门极控制信号；然而传统模型预测控制的开关频率不确定，谐波分布广泛，制约了其在实际工程中的应用。为解决模型预测直接功率控制开关频率不固定的问题，有学者提出两矢量模型预测直接功率控制，通过最优化占空比方法实现定频控制，然而该算法仍然需要反复计算和比较不同开关状态下的评价函数大小，因此增加了算法的计算量，为克服模型预测控制计算量大的缺点，相关学者提出基于最优调制波的模型预测功率控制策略，结合脉冲宽度调制(PWM)，实现定频模型预测控制。虽然该算法能够实现固定开关频率的模型预测控制，然而在低开关频率下的模型预测控制仍然无法实现，控制精度将随着开关频率的降低迅速恶化。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种低开关频率模型预测功率控制算法，该算法无须反复计算评价函数，利用模型预测思想，直接计算最优调制函数，通过伏秒平衡补偿算法对低开关频率引起的伏秒不平衡现象进行补偿，进而实现高精度的模型预测直接功率控制，同时降低了控制算法的复杂度。技术方案如下：一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法，包含以下步骤：步骤1：通过式(1)估算有功功率和无功功率在下一占空比更新周期的瞬时值：其中，Ts为开关周期，n表示半开关周期(Ts/2)的个数，ω为电网电压角频率，uabd和uabq分别表示整流器输入电压在d-q同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；um表示网侧电压幅值，L为网侧电感值；A1和A2为初始参数，由第n个半开关周期起始时刻有功功率P和无功功率Q的瞬时值决定，其表示为其中，Tc表示控制周期，k表示最接近第n个半开关周期的控制周期数；步骤2：定义评价函数J为：J＝{Pref[(n+1)Ts/2]-P[(n+1)Ts/2]}2+{Qref[(n+1)Ts/2]-Q[(n+1)Ts/2]}2(3)其中，Pref[(n+1)Ts/2]和Qref[(n+1)Ts/2]分别为在第n+1个半开关周期内的参考有功和无功功率的给定值；P[(n+1)Ts/2]和Q[(n+1)Ts/2]为在第n+1个半开关周期内的有功功率和无功功率的预测值，这些功率预测值由式(1)求解得到；步骤3：为使得评价函数J最小，则uabd和ubaq满足式(4)：将式(1)和式(3)代入式(4)，得到使得评价函数最小的最优控制量uabα在旋转坐标系下的分量uabd与uabq的计算式为：其中：uabd(nTs/2)和uabq(nTs/2)表示下半个开关周期内调制波在同步旋转坐标系(d-q)下所采用的最优控制分量；Tc代表控制周期，其靠近于第n个半开关周期；步骤4：通过旋转坐标变换，将最优的控制量uabd及uabq转换为静止坐标系(α-β)下的α轴分量，经过如式(6)实现低开关频率下的伏秒平衡补偿：其中，uabα*为经过伏秒平衡补偿后的调制波；步骤5：对调制波进行调制，将uabα*转换为最优控制脉冲对整流器进行控制。本专利技术的有益效果是：本专利技术的算法可运行在低开关频率场合，采用模型预测思想，实现了牵引整流器的直接功率控制，提高了单相脉冲整流器模型预测功率控制算法的控制精度；无须反复计算评价函数，降低了算法的复杂度，提高了控制和采样频率，具有良好的动态和稳态性能；算法灵活度高，可采用不同的调制策略与控制算法配合，满足不同应用场合的需求。附图说明图1为单相模型预测直接功率控制系统功能划分框图。图2为单相锁相环系统。图3为单相瞬时功率估算框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案和技术效果做进一步详细说。图1示出了单相无锁相环直接功率控制系统功能划分框图，整个系统可分为最优控制量计算，伏秒补偿及旋转坐标变换、脉宽调制策略、网侧电压电流采集、单相锁相环、瞬时功率计算、电压PI外环控制七个部分。其中主要部分的具体内容为：(1)最优控制量计算：通过模型预测控制思想，对功率评价函数求取最优解，通过令评价函数对控制量的偏导为零，计算出最优控制量。(2)伏秒平衡补偿及旋转坐标变换：通过伏秒平衡计算公式，对传统旋转坐标变换进行补偿，实现低开关频率下的伏秒补偿，提高控制精度。(3)脉冲宽度调制：对调制波进行调制，基于伏秒平衡原理生成不同的脉冲序列，驱动开关管，使之按照指定规则开通或关断。(4)单相锁相环：通过二阶广义积分算法，生成网压正交坐标分量，进而实现单相系统锁相环算法，获取网侧电压相位和幅值信息，同时网压正交分量将被用于单相瞬时功率估计算法中计算瞬时功率。(5)瞬时功率计算：通过单相锁相环模块得到的网侧电压正交向量以及旋转坐标变换模块得到的正交调制波向量，计算网侧电流正交分量，并根据瞬时功率理论计算单相系统的瞬时功率。在低开关频率下，通过模型预测功率算法及伏秒平衡补偿算法，结合脉宽调制策略生成开关控制信号，完成单相脉冲整流器的控制，具体包含以下步骤：步骤1：通过式(1)所示高精度功率预测算法估算有功功率和无功功率在下一占空比更新周期的瞬时值。其中：Ts为开关周期，n表示半开关周期(Ts/2)的个数，ω为电网电压角频率，uabd和uabq分别表示整流器输入电压在旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量。um表示网侧电压幅值，L为网侧电感值。A1和A2为初始参数，由第n个半开关周期起始时刻有功功率P和无功功率Q的瞬时值决定，其可表示为其中，Tc表示控制周期，k表示最接近第n个半开关周期的控制周期个数。步骤2：为衡量控制算法的综合性能，定义评价函数J为J＝{Pref[(n+1)Ts/2]-P[(n+1)Ts/2]}2+{Qref[(n+1)Ts/2]-Q[(n+1)Ts/2]}2(3)其中Pref[(n+1)Ts/2]和Qref[(n+1)Ts/2]分别为在第n+1个半开关周期内的参考有功和无功功率的给定值，该值与当前值近似相等。P[(n+1)Ts/2]和Q[(n+1)Ts/2]为在第n+1个半开关周期内的有功功率和无功功率的预测值，可通过式(1)所示高精度功率预测算法可以求得。步骤3：为使得评价函数最小，所采用的uabd和ubaq应满足：进而，将式(1)和式(3)代入式(4)，得到使得评价函数最小的最优控制量uabα在旋转坐标系下的分量uabd与uabq的计算式为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：通过式(1)估算有功功率和无功功率在下一占空比更新周期的瞬时值：

【技术特征摘要】
1.一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：通过式(1)估算有功功率和无功功率在下一占空比更新周期的瞬时值：其中，Ts为开关周期，n表示半开关周期(Ts/2)的个数，ω为电网电压角频率，uabd和uabq分别表示整流器输入电压在d-q同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；um表示网侧电压幅值，L为网侧电感值；A1和A2为初始参数，由第n个半开关周期起始时刻有功功率P和无功功率Q的瞬时值决定，其表示为其中，Tc表示控制周期，k表示最接近第n个半开关周期的控制周期数；步骤2：定义评价函数J为：J＝{Pref[(n+1)Ts/2]-P[(n+1)Ts/2]}2+{Qref[(n+1)Ts/2]-Q[(n+1)Ts/2]}2(3)其中，Pref[(n+1)Ts/2]和Qref[(n+1)Ts/2]分别为在第n+1个半开关周期内的参考有功和无功功率的给定值；P[(n+1)Ts/2]和Q[(n+1)Ts/2]为在第n+1个半开关周期内的有功功率和无功功率的预测值，这些功率预测值由式(1)求解得到；步骤3：为使得评价函数J最小，则uabd和...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋文胜，马俊鹏，冯晓云，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51