带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开的带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，以输入滤波器、精简矩阵变换器前级变换器、变压器、后级可控整流桥以及负载模型为基础，采样网侧输入电压、电流、精简矩阵变换器整流级输入侧电压和输出电流，构建精简矩阵变换器系统数学模型并离散化，以输入无功和输出电流误差为目标函数，寻出最优开关状态，采用正负脉冲交替分配模式解决变压器偏磁问题，实现精简矩阵变换器带偏磁抑制的模型预测控制。本发明专利技术实现RMC模型预测控制，使RMC即使在电源和负载扰动条件下仍能获得控制目标性能提高RMC抗扰性；本发明专利技术仅通过调整脉冲序列，利用算法就能完全消除模型预测控制下RMC变压器偏磁问题。

A simplified matrix converter model predictive control method with partial magnetic control

With magnetic bias reduced matrix converter control model predictive control method disclosed by the invention, the input filter, reduced matrix converter pre converter, transformer and secondary controllable rectifier bridge and load model based on sampling input voltage and current, reduced matrix converter rectifier input voltage and output current build a streamlined system, the mathematical model of matrix transform and discrete reactive power to input and output current error as the objective function, to find out the optimal switching state, the positive and negative pulse alternating distribution model to solve the magnetic biasing of the transformer, realization of simplified matrix converter with magnetic bias suppression model predictive control. RMC model predictive control is realized by the invention, which can still improve RMC immunity control performance of RMC even in the power supply and load disturbance conditions; the invention is only by adjusting the pulse sequence, the algorithm can completely eliminate the model predictive control of RMC transformer magnetic bias.

【技术实现步骤摘要】
带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法。
技术介绍
精简矩阵变换器(ReducedMatrixConverter，RMC)是一种新型功率变换器，RMC拓扑如图1所示，它是由输入滤波器、RMC整流级、高频变压器、可控整流桥构成。RMC整流级完成了电网三相交流电压到正负交变的高频脉冲电压的转换，实现了三相到单相交-交变换，前级正负脉冲电压经高频变压器耦合到后级经整流成直流。与传统AC/DC-DC/AC-AC/DC三级变换器相比，RMC省去了中间DC/AC环节，简化了硬件电路，提高了转换效率。RMC还具有如下性能：1)输入电流正弦，可实现输入单位功率因数；2)具备能量双向流动功能，能够实现四象限运行；3)前后级通过变压器隔离，便于系统集成；4)直流侧无需储能电容，体积小，结构简单紧凑。但是，RMC传统调制策略为近似开环控制，供电电源扰动会传到负载侧，负载扰动会影响输入性能。而模型预测控制以输入和输出性能为约束，能消除输入和输出扰动影响，始终获得优良输入输出性能。但模型预测控制缺陷之一是开关频率不固定，此策略控制下RMC变压器器因随机开关频率而存在偏磁饱和问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，不仅能提高精简矩阵变换器的抗扰性，而且能解决变压器偏磁问题。本专利技术所采用的技术方案是：带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，以输入滤波器、精简矩阵变换器前级变换器、变压器、后级可控整流桥以及负载模型为基础，采样网侧输入电压、电流、精简矩阵变换器整流级输入侧电压和输出电流，构建精简矩阵变换器系统数学模型并离散化，以输入无功和输出电流误差为目标函数，寻出最优开关状态，采用正负脉冲交替分配模式解决变压器偏磁问题，实现精简矩阵变换器带偏磁抑制的模型预测控制本专利技术的特点还在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：建立精简矩阵变换器前后级开关数学模型；步骤2：建立精简矩阵变换器前后级所有开关状态表；步骤3：在步骤1的基础上，离散化精简矩阵变换器数学模型；步骤4：在步骤1至步骤3的基础上，建立以输入无功功率和输出电流误差为目标函数的品质函数；步骤5：在步骤1至步骤4的基础上，考虑变压器偏磁的脉冲序列分配：采用正负脉冲交替分配模式，解决传统模型预测控制随机开关状态导致的变压器偏磁问题。步骤1具体为：精简矩阵变换器前级变换器数学模型描述了精简矩阵变换器输入侧电压电流ue，ie与直流侧电压电流udc，idc的关系，其开关矩阵模型如下：其中，Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn均为精简矩阵变换器整流级开关；后级可控整流桥的开关数学模型如下：u0＝u1(S1-S3)(3)i0＝i1(S1-S3)(4)其中，u0和i0为输出电压和电流，u1和i1为变压器副边电压和电流，S1、S3均为后级可控整流桥的开关状态。步骤2具体为：根据精简矩阵变换器整流级输出侧不能短路，输入侧不能开路的原则，精简矩阵变换器整流级三相桥臂共有九种开关状态组合，为了增大电压传输比，去除三种零矢量，只考虑有效矢量，如表1所示中的六种开关状态：表1：表1中，1表示开通，0表示关断；后级可控整流桥列出了后级全桥整流的两种开关状态，如表2所示：表2：表2中，S1、S2、S3、S4均为后级可控整流桥开关，1表示开通，0表示关断。步骤3具体为：网侧相电流和精简矩阵变换器整流级输入侧相电压的离散化形式为：其中，和分别表示第k时刻和k+1时刻整流级输入侧相电压值，和分别表示第k时刻和k+1时刻网侧相电流值，表示第k时刻整流级输入侧相电流值，表示第k时刻网侧相电压值；Cf、Lf和Rf分别表示输入滤波器的容值、感值和等效电阻阻值，Ts为开关周期；C和D为网侧相电压和RMC整流级输入侧相电压离散形式的系数矩阵；A和B为输入滤波参数组成的因子矩阵；系数矩阵中Cij、Dij用于计算一个采样周期后离散系统对应的变量的预测值(i＝1，2；j＝1，2)；I2*2为两行两列的单位矩阵；负载模型的离散化表达式为：其中，和分别表示第k时刻和k+1时刻系统输出电流值，表示第k时刻系统输出电压值，L1和R1表示负载的感值和阻值。步骤4具体为：输出电流预测参考值的误差表达式如下：其中，上标“*”代表参考值，为k+1时刻预测电流；网侧瞬时无功功率与其参考值的误差表达式如下：其中，0是瞬时无功功率参考值，和分别为采样输入三相电压、电流经输入侧离散化模型预测所得两相静止坐标系下k+1时刻输入电压、电流的实部和虚部；综合式(7)和式(8)，得到品质函数的表达式如下：其中，λ为权重因子。步骤5中考虑变压器偏磁的脉冲序列分配的具体过程是：每个开关周期分成两个相等的半周期，前半个开关周期时，精简矩阵变换器前级变换器为模型预测控制选择的开关状态矢量，后半个开关周期时，控制矢量为前半个周期方向相反的矢量，即前后半个周期状态下同一桥臂导通开关上下桥臂互换，使得每一个开关周期内精简矩阵变换器整流级的输出电压由两部分组成，两部分电压幅值相等方向相反，从而确保高频变压器原边电压始终为正负交变脉冲，解决变压器偏磁问题。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供一种精简矩阵变换器模型预测控制方法，实现RMC模型预测控制，使RMC即使在电源和负载扰动条件下仍能获得控制目标性能(输入单位功率因数，输出电流高精度跟随)，提高RMC抗扰性。2、本专利技术提供了一种模型预测控制下RMC变压器偏磁解决方法，相比于传统解决偏磁的方法，本专利技术不需要检测直流分量，无需增加硬件电路情况下，仅通过调整脉冲序列，利用算法就能完全消除模型预测控制下RMC变压器偏磁问题。附图说明图1是精简矩阵变换器的拓扑结构图；图2是本专利技术带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法的实现框图；图3是本专利技术带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法的流程图；图4是本专利技术建立数学模型时输入滤波电路结构图；图5是本专利技术建立数学模型时RMC整流级电路结构图；图6是本专利技术建立数学模型时高频变压器电路结构图；图7是本专利技术建立数学模型时可控整流桥电路结构图；图8是本专利技术建立数学模型时负载电路结构图；图9是本专利技术偏磁控制时整流级输出电压导通顺序图；图10是本专利技术偏磁控制时前半周期电流流向；图11是本专利技术偏磁控制时后半周期电流流向；图12是本专利技术网侧输入电压电流仿真波形；图13是本专利技术输出电流仿真波形；图14是本专利技术加入偏磁控制变压器原边电流仿真波形；图15是本专利技术加入偏磁控制变压器原边电流局部放大仿真波形；图16是本专利技术未加入偏磁控制变压器原边电流仿真波形；图17是本专利技术未加入偏磁控制变压器原边电流局部放大仿真波形；图18是本专利技术输入电压瞬间跌落波形；图19是本专利技术输入电压瞬间跌落时输入电流波形；图20是本专利技术输入电压瞬间跌落时a相电压电流波形；图21是本专利技术输入电压瞬间跌落时输出电流波形；图22是本专利技术输入电压不平衡波形；图23是本专利技术输入电压不平衡时输入电流波形；图24是本专利技术输入电压不平衡时a相电压电流波形；图25是本专利技术输入电压不平衡时输出电流波形。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种带偏磁控制的精简矩阵变换器模本文档来自技高网...

【技术保护点】
带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，其特征在于，以输入滤波器、精简矩阵变换器前级变换器、变压器、后级可控整流桥以及负载模型为基础，采样网侧输入电压、电流、精简矩阵变换器整流级输入侧电压和输出电流，构建精简矩阵变换器系统数学模型并离散化，以输入无功和输出电流误差为目标函数，寻出最优开关状态，采用正负脉冲交替分配模式解决变压器偏磁问题，实现精简矩阵变换器带偏磁抑制的模型预测控制。

【技术特征摘要】
1.带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，其特征在于，以输入滤波器、精简矩阵变换器前级变换器、变压器、后级可控整流桥以及负载模型为基础，采样网侧输入电压、电流、精简矩阵变换器整流级输入侧电压和输出电流，构建精简矩阵变换器系统数学模型并离散化，以输入无功和输出电流误差为目标函数，寻出最优开关状态，采用正负脉冲交替分配模式解决变压器偏磁问题，实现精简矩阵变换器带偏磁抑制的模型预测控制。2.如权利要求1所述的带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：建立精简矩阵变换器前后级开关数学模型；步骤2：建立精简矩阵变换器前后级所有开关状态表；步骤3：在步骤1的基础上，离散化精简矩阵变换器数学模型；步骤4：在步骤1至步骤3的基础上，建立以输入无功功率和输出电流误差为目标函数的品质函数；步骤5：在步骤1至步骤4的基础上，考虑变压器偏磁的脉冲序列分配：采用正负脉冲交替分配模式，解决传统模型预测控制随机开关状态导致的变压器偏磁问题。3.如权利要求2所述的带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：精简矩阵变换器前级变换器数学模型描述了精简矩阵变换器输入侧电压电流ue，ie与直流侧电压电流udc，idc的关系，其开关矩阵模型如下：其中，Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn均为精简矩阵变换器整流级开关；后级可控整流桥的开关数学模型如下：u0＝u1(S1-S3)(3)i0＝i1(S1-S3)(4)其中，u0和i0为输出电压和电流，u1和i1为变压器副边电压和电流，S1、S3均为后级可控整流桥的开关状态。4.如权利要求3所述的带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：根据精简矩阵变换器整流级输出侧不能短路，输入侧不能开路的原则，精简矩阵变换器整流级三相桥臂共有九种开关状态组合，为了增大电压传输比，去除三种零矢量，只考虑有效矢量，如表1所示中的六种开关状态：表1：表1中，1表示开通，0表示关断；后级可控整流桥列出了后级全桥整流的两种开关状态，如表2所示：表2：表2中，S1、S2、S3、S4均为后级可控整流桥开关，1表示开通，0表示关断。5.如权利要求2所述的带偏磁控制的精简矩阵变换器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：网侧相电流和精简矩阵变换器整流级输入侧相电压的离散化形式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：宋卫章，刘江，杜晓斌，高大庆，吴凤军，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61