一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法，采用双闭环控制，根据三相电压型PWM整流器系统的实际电信号，得到两相旋转坐标系下及亮相静止坐标系下的电网电流值，将这两个电流值输入预测模型，得到

An Adaptive Continuous Variable Structure Predictive Control Method for Three-phase Voltage Source PWM Rectifier

The invention discloses an adaptive continuous variable structure predictive control method based on three-phase voltage source PWM rectifier, which adopts double closed-loop control and obtains the grid current value in two-phase rotating coordinate system and in open-phase static coordinate system according to the actual electric signal of three-phase voltage source PWM rectifier system, and inputs the two current values into the predictive model to obtain the grid current value.

【技术实现步骤摘要】
一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法
本专利技术涉及电力电子功率变换装置控制领域，具体设计一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法。
技术介绍
三相PWM整流器具有能量双向流动、网测功率因数高、谐波畸变率低以及直流母线电压可调等优点，已成为现代电力电子领域研究的热点之一，并广泛应用在风力发电、光伏发电、有源电力滤波等应用领域。各种控制策略，如PI控制、滞环控制、无差拍控制等控制理论被应用到PWM整流器的控制中，但由于电压型PWM整流器本身具有多变量、非线性、强耦合的特点，使得诸如PI等线性控制易受外部扰动、系统参数变化等的影响，会降低系统的动静态性能。模型预测控制具有控制效果好、鲁棒性强等优点，可有效地克服过程的不确定性、非线性。变结构控制是一类特殊的非线性控制，此种控制策略不同于其他控制之处在于系统的结构不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态有目的不断地变化，迫使系统按照预定滑动模态的状态轨迹运动。由于变结构控制系统算法简单，响应速度快，对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性，变结构控制作为非线性控制的重要方法近年来得到了广泛深入的研究。但变结构控制中存在非连续的开关控制，使得抖振成为了变结构控制中固有的特性，影响了系统的控制性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法，能够有效地加快到达阶段的趋近速度，抑制了变结构控制系统的输出抖振。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法，采用双闭环控制，其中电流内环采用模型预测控制，电压外环采用基于自适应连续函数构造的趋近律变结构控制，依次包括以下步骤：(1)采集三相电压型PWM整流器系统的三相电网电压ua、ub、uc，三相输入电流ia、ib、ic及直流母线实际电压值Udc；(2)将采集到的三相电网电压ua、ub、uc和三相输入电流ia、ib、ic经过3/2坐标变换，得到两相静止坐标系下的电网电压uα、uβ和输入电流iα、iβ，将两相静止坐标系下的电网电压信号经过软件锁相环，得到电网电压位置角θ；(3)将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值Udc作差，经过自适应连续变结构控制，得到同步旋转坐标系下的d轴电流参考值设q轴电流参考值为0，再经由(2)得到的电网电压位置角θ进行Park反变换，得到两相静止坐标系下的α轴电流参考值和β轴电流参考值其中，下标α、β、d、q和dc均为区分作用，并非变量；(4)将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压uα、uβ和输入电流iα、iβ，以及步骤(3)得到的两相静止坐标系下的α轴电流参考值和β轴电流参考值输入预测模型，得到α轴电压参考值和β轴电压参考值(5)根据电压矢量平面各点与8个电压矢量vα、vβ的距离关系，将电压矢量空间分为7个区域，并确定步骤(4)中得到的电压矢量参考值和所在的区域；其中，电压矢量vα、vβ分别为PWM整流器的α轴、β轴输入电压；(6)将步骤(4)得到的α轴电压参考值和β轴电压参考值与步骤(5)中相对应的区域电压矢量参考值点乘，若计算结果大于计算值c(k)，则电压矢量参考值在该区域内，此时选择该电压矢量作为最优输出电压矢量；(7)将步骤(6)得到的各矢量作用时间输入到调制器，将调制器输出的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。优选的，所述步骤(3)中自适应连续变结构控制过程为：首先选取系统的状态变量为式中,为直流母线电压参考值，Udc为直流母线电压实际值，x1为自定义的中间变量；设计自适应连续变结构中的开关面切换函数为s＝x1，以自适应连续函数重新构造变结构控制的趋近律，趋近律构造为：其中，k1>0，k2>k1>0，1<m<3，1<n<3，s为切换函数，s′为切换函数s的导数，为自适应连续函数，sgn(s)为符号函数；对式(1)求导，由于是给定值，故求导结果为：根据三相PWM整流器在d、q坐标系下直流侧的电流关系式根据式(3)和式(4)可得：其中，id和iq分别为同步旋转坐标系下的网侧电流，sd和sq分别为同步旋转坐标系下d、q轴开关函数，iR为负载电流，下标d、q和dc均为区分作用，并非变量；将式(3)代入式(5)，可得假定输入电压为三相对称电压，稳态时，有eq＝0,iq＝0，其中，ed和eq分别为三相PWM整流器在两相旋转坐标系中的电网电压，URMS为电网电压有效值，下标RMS为区分作用，并非变量；由三相PWM整流器在同步旋转坐标系下的数学模型可推导出：其中，R和L分别表示PWM变换器的电阻和电感值；将式(8)其代入式(6)中，可得稳态时，有即那么式(9)可改写为即得同步旋转坐标系下的d轴电流参考值优选的，所述步骤(4)中的预测模型如下：式中，uα、uβ分别为三相PWM整流器在两相静止坐标系中电网电压，vα、vβ、iα、iβ分别为PWM整流器的α轴、β轴输入电压、输入电流，和分别为(k+1)时刻α轴、β轴的参考电流，iα(k)和iβ(k)分别为k时刻α轴、β轴的电流值，L为整流器进线电感，Ts为采样周期。优选的，所述步骤(5)中，电压矢量空间的7个区域分别为：以电压矢量空间的原点为中心，以水平向右为0度，以竖直向上为90度，其中，区域Ⅶ为以原点为中心的六边形，六边形的边长为区域Ⅰ为-30°～30°的范围，区域Ⅱ为90°～150°的范围，区域Ⅲ为30°～90°的范围，区域Ⅳ为-90°～-150°的范围，区域Ⅴ为-30°～-90°的范围，区域Ⅵ为150°～-150°的范围。优选的，确定电压矢量参考值所在区域时，定义变量并定义以下规则：若u1>0，则A＝1，否则A＝0；若u2>0，则B＝1，否则B＝0；若u3>0，则C＝1，否则C＝0，则电压矢量所在区域的计算公式为：N＝A+2B+4C。优选的，在确定电压矢量参考值所在区域N后，进一步判断电压矢量参考值是否在区域VII的范围内，判断方法为：令若则选择vαm(k)和vβm(k)作为输出电压矢量，其中m为I～IV；若则选择vα0,7(k)和vβ0,7(k)作为输出电压矢量。本专利技术能够有效地加快到达阶段的趋近速度，抑制了变结构控制系统的输出抖振，与传统PI控制策略相比，改善了系统的启动响应、动态响应，提高了整流器的运行品质。附图说明图1为本专利技术所述三相电压型PWM整流器主电路拓扑图；图2为本专利技术的结构原理图；图3为本专利技术的电压矢量分区图；图4为传统指数趋近律的趋近过程S与时间的关系图；图5为传统变结构运动的相轨迹图；图6为传统变结构控制x1的收敛过程示意图；图7为传统变结构控制系统的输出示意图；图8为本专利技术趋近律的趋近过程S与时间的关系图；图9为本专利技术变结构运动的相轨迹图；图10为本专利技术变结构控制x1的收敛过程示意图；图11为本专利技术变结构控制系统的输出示意图；图12为传统PI控制和本专利技术控制的直流母线电压启动响应、动态响应波形图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法，采用双闭环控制，其中电流内环采用模型预测控制，电压外环采用基于自适应连续函数构造的趋近律变结构控制，其特征在于，依次包括以下步骤：(1)采集三相电压型PWM整流器系统的三相电网电压ua、ub、uc，三相输入电流ia、ib、ic及直流母线实际电压值Udc；(2)将采集到的三相电网电压ua、ub、uc和三相输入电流ia、ib、ic经过3/2坐标变换，得到两相静止坐标系下的电网电压uα、uβ和输入电流iα、iβ，将两相静止坐标系下的电网电压信号经过软件锁相环，得到电网电压位置角θ；(3)将直流母线电压参考值

【技术特征摘要】
1.一种三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法，采用双闭环控制，其中电流内环采用模型预测控制，电压外环采用基于自适应连续函数构造的趋近律变结构控制，其特征在于，依次包括以下步骤：(1)采集三相电压型PWM整流器系统的三相电网电压ua、ub、uc，三相输入电流ia、ib、ic及直流母线实际电压值Udc；(2)将采集到的三相电网电压ua、ub、uc和三相输入电流ia、ib、ic经过3/2坐标变换，得到两相静止坐标系下的电网电压uα、uβ和输入电流iα、iβ，将两相静止坐标系下的电网电压信号经过软件锁相环，得到电网电压位置角θ；(3)将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值Udc作差，经过自适应连续变结构控制，得到同步旋转坐标系下的d轴电流参考值设q轴电流参考值为0，再经由(2)得到的电网电压位置角θ进行Park反变换，得到两相静止坐标系下的α轴电流参考值和β轴电流参考值其中，下标α、β、d、q和dc均为区分作用，并非变量；(4)将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压uα、uβ和输入电流iα、iβ，以及步骤(3)得到的两相静止坐标系下的α轴电流参考值和β轴电流参考值输入预测模型，得到α轴电压参考值和β轴电压参考值(5)根据电压矢量平面各点与8个电压矢量vα、vβ的距离关系，将电压矢量空间分为7个区域，并确定步骤(4)中得到的电压矢量参考值和所在的区域；其中，电压矢量vα、vβ分别为PWM整流器的α轴、β轴输入电压；(6)将步骤(4)得到的α轴电压参考值和β轴电压参考值与步骤(5)中相对应的区域电压矢量参考值点乘，若计算结果大于计算值c(k)，则电压矢量参考值在该区域内，此时选择该电压矢量作为最优输出电压矢量；(7)将步骤(6)得到的各矢量作用时间输入到调制器，将调制器输出的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。2.根据权利要求1所述的三相电压型PWM整流器自适应连续变结构预测控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中自适应连续变结构控制过程为：首先选取系统的状态变量为式中,为直流母线电压参考值，Udc为直流母线电压实际值，x1为自定义的中间变量；设计自适应连续变结构中的开关面切换函数为s＝x1，以自适应连续函数重新构造变结构控制的趋近律，趋近律构造为：其中，k1>0，k2>k1>0，1<m<3，1<n<3，s为切换函数，s′为切换函数s的导数，为自适应连续函数，sgn(s)为符号函数；对式(1)求导，由于是给定值，故求导结果为...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈明辉，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司新乡供电公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：河南,41