一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，通过将零序环流分区间计算引入模型预测控制中，可有效降低零序环流分量和减小处理器计算时间，提高系统的可靠性和效率。首先直接分析控制系统中不同电压矢量组合对零序环流的影响，然后根据零序环流分量值将64个电压矢量组合分成4个区间，进而将选定区间内的开关状态量进行循环寻优计算，无需额外增加硬件装置，即可实现零序环流分量降低和处理器计算时间减小，满足电动汽车、风力发电等电力电子应用领域对系统可靠性和效率的要求。

A model predictive control method for parallel PWM rectifier with recirculation suppression

The invention discloses a model predictive control method for parallel PWM rectifier, which takes into account the circulation suppression. By introducing the zero sequence circulations into the model predictive control, the zero sequence circulation component can be effectively reduced and the computing time of the processor is reduced, and the reliability and efficiency of the system can be improved. Firstly, the influence of the combination of different voltage vectors on the zero sequence circulation in the control system is analyzed. Then the 64 voltage vectors are divided into 4 intervals according to the zero sequence circulation component value. Then the switching state quantity in the selected interval is calculated by cycle optimization, and the zero sequence circulation component can be realized without additional hardware devices. Low and processor computing time decreases to meet the requirements of system reliability and efficiency in power electronics applications such as electric vehicles and wind power generation.

【技术实现步骤摘要】
一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法
本专利技术属于电力电子应用领域，具体涉及一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制系统。
技术介绍
在电力电子应用领域中，并联电压型整流器(voltagesourcerectifier，VSR)具有功率等级高、效率高和谐波小等诸多优点，但由于控制效果和硬件参数的差异，控制系统将会产生零序环流(zero-sequencecirculatingcurrent,ZSCC)，零序环流在并联变换器之间流通，使某个整流器功率器件的电流增加工作于过载状态或减小工作于轻载状态，造成并联整流器不能均分负载电流。这将会增加功率器件的损耗，影响系统的整体性能，降低系统效率，严重时会使系统崩溃。因此，环流抑制技术已经成为并联整流器控制系统的一个研究热点。模型预测控制(modelpredictivecontrol，MPC)能够根据被控对象的约束和离散特性在线解决优化问题，其结构简单且容易实现，在处理非线性系统复杂约束型优化问题时展现出极大的优势，近年来在电力电子和电机驱动领域被广泛应用。有限控制集模型预测控制(finite-control-setmodelpredictivecontrol，FCS-MPC)是一种基于系统动态模型的计算，可根据不同设计要求设计价值函数，通过最小化价值函数将最优矢量应用于并联整流器中以获得所需性能的控制策略。FCS-MPC因其实现简单、动态响应快、电流跟踪精度高和开关频率低等特点越来越受到研究人员的青睐。然而，并联整流器基于零序环流抑制的模型预测控制系统很少有人进行研究。因此，研究一种即能够保留预测控制的优点又能够抑制并联整流器环流的新型FCS-MPC方法有着重要意义。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，适用于并联整流器的环流抑制和处理器计算时间降低。技术方案：一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，包括如下步骤：步骤1：在每一个控制周期中，利用电压PI控制器实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*；步骤2：通过锁相环模块得到相位角θ，结合相位角θ和三相电网电压实时获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq；步骤3：通过坐标变换器实时计算整流器I的网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1和整流器II的网侧d/q轴电流id2/iq2；步骤4：将获得的整流器网侧d/q轴电压、网侧d/q轴电流和网侧d/q轴电流参考值输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块，计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)；步骤5：所述整流器I的网侧z轴电流iz1即为并联PWM整流器的零序环流，将所述零序环流输入电压矢量区间选择模块判断电压矢量区间，然后将选定电压矢量区间内的基本电压矢量通过整流器网侧桥臂中点电压预测值计算模块计算获得(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)；步骤6：将(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)，以及(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)输入最优电压矢量选择模块，建立价值函数gu：步骤7：优化所述价值函数获得最优开关状态分别送给整流器I和整流器II。进一步的，所述步骤1包括如下具体步骤：将直流侧参考电压Udc*与直流侧实际电压Udc的差值eU输入电压PI控制器，根据公式(1.1)获得整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*：其中，KP和KI分别为电压PI控制器的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项，idx*为整流器网侧d轴电流参考值，x＝1，2。进一步的，所述步骤2包括如下具体步骤：采集三相电网电压输入锁相环模块，然后根据公式(2.1)获得相位角θ锁定相位；然后将获得的相位角θ反馈到公式(2.2)的PARK变换中获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq：其中，KPe和KIe分别为锁相环PI控制器的比例增益和积分增益，ω为电网标准角频率，ea、eb和ec为三相电网电压。进一步的，所述步骤3中，所述整流器I网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1获取方法为：将采集得到的整流器I的网侧三相电流和所述相位角θ输入PARK变换器，根据公式(3.1)进行PARK变换获得所述id1/iq1/iz1：其中，ia1、ib1和ic1为整流器I网侧三相电流；所述整流器II的网侧d/q轴电流id2/iq2获取方法为：将采集得到的整流器II网侧三相电流和所述相位角θ输入PARK变换器，根据公式(4.1)进行PARK变换获得所述id2/iq2：其中，ia2、ib2和ic2为整流器II网侧三相电流。进一步的，所述步骤4中，计算(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值的方法包括如下步骤：1)结合并联PWM整流器拓扑结构和基尔霍夫电压定律和电流定律，根据公式(5.1)获得自然坐标系abc下的整流器数学模型；其中，ea、eb和ec为三相电网电压，uNo为电网中性点N与直流侧负极o间的电压，vax、vbx和vcx为整流器网侧桥臂中点电压，iax、ibx和icx为整流器网侧三相电流，Lx为网侧滤波电感，Rx为网侧电阻，x＝1，2；2)根据CLARK变换将自然坐标系abc变换到旋转坐标系d/q，公式(5.2)为旋转坐标系下的整流器数学模型；其中，idx/iqx为整流器网侧d/q轴电流，ω为电网标准角频率，vdx/vqx为整流器网侧桥臂中点d/q轴电压，x＝1，2；ed/eq为整流器网侧d/q轴电压；3)将整流器网侧d/q轴参考电流idx*/iqx*、整流器网侧d/q轴电流idx/iqx、整流器网侧d/q轴电压ed/eq输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块，根据公式(5.2)和欧拉离散公式(5.3)计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vdx*(k+1)和vqx*(k+1)，如公式(5.4)所示；其中，i(k)为k时刻电流采样值，i(k+1)为(k+1)时刻电流预测值，Ts为采样周期，iqx*为整流器网侧q轴电流参考值，x＝1，2。进一步的，所述步骤5中：将矢量重新排列后建立新的基本电压矢量表，定义基本电压矢量为(u0,u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7)＝(000,100,010,001,110,011,101,111)；将环流方向由VSR1流向VSR2定义为零序环流的正方向，公式(6.1)为整流器I三相支路回路电压计算公式，根据单相脚桥臂四种通断情况(1,0)、(0,0)、(1,1)和(0,1)，va1-va2、vb1-vb2、vc1-vc2分别具有三种可能值udc、0、-udc；公式(6.2)为整流器零序环流iz1，此公式下零序环流iz1具有七种可能值-3udc、-2udc、-udc、0、udc、2udc和3udc；iz1＝ia1+ib1+ic1＝-iz2(6.2)通过分析不同相脚桥臂的通断状态，将不同矢量组合对环流iz1的影响在下表中定义：表中，“+”表示环流方向与正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在每一个控制周期中，利用电压PI控制器(1)实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*；步骤2：通过锁相环模块(2)得到相位角θ，结合相位角θ和三相电网电压(9)实时获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq；步骤3：通过坐标变换器(3,4)实时计算整流器I(10)的网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1和整流器II(11)的网侧d/q轴电流id2/iq2；步骤4：将获得的整流器网侧d/q轴电压、网侧d/q轴电流和网侧d/q轴电流参考值输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块(5)，计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)；步骤5：所述整流器I(10)的网侧z轴电流iz1即为并联PWM整流器的零序环流，将所述零序环流输入电压矢量区间选择模块(6)判断电压矢量区间，然后将选定电压矢量区间内的基本电压矢量通过整流器网侧桥臂中点电压预测值计算模块(7)计算获得(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)；步骤6：将(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)，以及(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)输入最优电压矢量选择模块(8)，建立价值函数gu：...

【技术特征摘要】
1.一种计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在每一个控制周期中，利用电压PI控制器(1)实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*；步骤2：通过锁相环模块(2)得到相位角θ，结合相位角θ和三相电网电压(9)实时获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq；步骤3：通过坐标变换器(3,4)实时计算整流器I(10)的网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1和整流器II(11)的网侧d/q轴电流id2/iq2；步骤4：将获得的整流器网侧d/q轴电压、网侧d/q轴电流和网侧d/q轴电流参考值输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块(5)，计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)；步骤5：所述整流器I(10)的网侧z轴电流iz1即为并联PWM整流器的零序环流，将所述零序环流输入电压矢量区间选择模块(6)判断电压矢量区间，然后将选定电压矢量区间内的基本电压矢量通过整流器网侧桥臂中点电压预测值计算模块(7)计算获得(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)；步骤6：将(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)，以及(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)输入最优电压矢量选择模块(8)，建立价值函数gu：步骤7：优化所述价值函数获得最优开关状态分别送给整流器I和整流器II。2.根据权利要求1所述的计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：将直流侧参考电压Udc*与直流侧实际电压Udc的差值eU输入电压PI控制器(1)，根据公式(1.1)获得整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*：其中，KP和KI分别为电压PI控制器(1)的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项，idx*为整流器网侧d轴电流参考值，x＝1，2。3.根据权利要求1所述的计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：采集三相电网电压输入锁相环模块(2)，然后根据公式(2.1)获得相位角θ锁定相位；然后将获得的相位角θ反馈到公式(2.2)的PARK变换中获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq：其中，KPe和KIe分别为锁相环PI控制器的比例增益和积分增益，ω为电网标准角频率，ea、eb和ec为三相电网电压。4.根据权利要求1所述的计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述整流器I(10)网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1获取方法为：将采集得到的整流器I(10)的网侧三相电流和所述相位角θ输入PARK变换器(3)，根据公式(3.1)进行PARK变换获得所述id1/iq1/iz1：其中，ia1、ib1和ic1为整流器I网侧三相电流；所述整流器II(11)的网侧d/q轴电流id2/iq2获取方法为：将采集得到的整流器II网侧三相电流和所述相位角θ输入PARK变换器(4)，根据公式(4.1)进行PARK变换获得所述id2/iq2：其中，ia2、ib2和ic2为整流器II网侧三相电流。5.根据权利要求1所述的计及环流抑制的并联PWM整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤4中，计算(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值的方法包括如下步骤：1)结合并联PWM整流器拓扑结构和基尔霍夫电压定律和电流定律，根据公式(5.1)获得自然坐标系a...

【专利技术属性】
技术研发人员：於锋，袁晓强，张蔚，刘兴，梁义文，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32