一种基于动态权重的新型定频模型预测电流控制方法技术

本发明专利技术属于功率变换器控制领域，涉及一种动态变权重新型定频模型预测电流控制方法，该方法根据三重化变流器等效开关电路以及集成控制理论，对系统进行控制。传统定频模型预测电流控制根据系统离散化数学模型，精确计算下一时刻所需电压矢量，因此在动态过程中具有响应迅速的特点，因受三重化变流器系统中直流母线电压二倍频波动影响，在稳态过程中不具有良好控制性能，而在稳态过程中比例谐振(Proportional Resonant，简称PR)控制算法可以实现交流信号无静差跟踪，但PR控制算法在动态过程中存在控制调节滞后的缺点。因此，本发明专利技术结合两种控制算法的优点，将PR控制算法作为模型预测电流控制的补偿环节，构建动态变权重新型定频模型预测电流控制，以d轴电流误差值作为判断依据，根据钟型曲线中高斯分布函数，设计时变权重函数m。根据m函数的变化规律能够实现两种算法平滑转换，进而削弱了直流侧母线电压中二倍频波动对控制系统性能的影响，保证了控制系统在动、稳态过程中均具有良好的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态权重的新型定频模型预测电流控制方法
本专利技术属于功率变换器控制领域，涉及一种基于动态权重的新型定频模型预测电流控制方法，该方法可应用于电机调速、可再生能源发电等领域。
技术介绍
随着永磁同步电机系统功率等级的提升，传统功率器件组成的拓扑结构已无法满足高电压、大功率应用场合需求。为满足实际工程需求，国内外科研人员采用多重化变流技术，将传统两电平六开关拓扑结构进行组合，构成多重化变流器拓扑结构。由于拓扑结构本身的特点，在系统运行时，多重化变流器结构母线电压存在二倍频波动。因此，在对系统进行控制时，若采用传统定频模型预测电流控制，在系统数学模型准确时，具有快速响应的能力，但不能够削弱母线电压波动在稳态时对控制性能的影响，而比例谐振控制(ProportionalResonant，简称PR)可以实现交流信号无静差跟踪，因此，PR控制算法能够削弱母线电压波动对控制性能的影响，但是，PR控制算法在动态过程中存在调节滞后的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于动态权重的新型定频模型预测电流控制方法，能够实现控制系统在动、稳态过程中均具有良好控制性能，且具有实现简单，可靠性高的优点。本专利技术的一种基于动态变权重的新型定频模型预测电流控制方法，包括以下步骤：步骤，在k时刻，对控制系统所需信号进行采样，具体包括：三组直流母线电压Udc1，Udc2，Udc3、电网侧输入三相电压eA、eB、eC以及三相电流iA、iB、iC；步骤二，令q轴给定电流为零，根据电压外环给定值与反馈值之间的差值，经过比例积分控制器得到d轴电流给定值idref；idref与idref的表达式分别为：式中idref、iqref分别为d-q轴给定电流值，Kp为电压外环PI控制器比例系数，Ki为电压外环PI控制器积分系数，Ueqref为电压给定值，Ueq为两倍的反馈电压均值。步骤三，将k采样得到的电压eA、eB、eC经过锁相环运算，得到位置信息θ，并将交流输入电压信号(采样得到)与电流信号(采样与计算得到)通过坐标变换理论，变换为α-β轴系下电压、电流分量；该步骤表达式如下：式中eα(k)、eβ(k)为k时刻交流侧输入电压在α-β轴系下电压分量，eA(k)、eB(k)、eC(k)为k时刻交流侧输入三相电压；式中iα(k)、iβ(k)为k时刻交流侧输入电流在α-β轴系下电流分量，iA(k)、iB(k)、iC(k)为k时刻交流侧输入三相电流；式中iαref、iβref分别为给定电流在α-β轴系下电流分量，idref、iqref分别为d-q轴给定电流值，θ为位置信息；步骤四，利用k时刻电流、电压采样值，根据系统离散化数学模型，对模型预测控制延时补偿电流值进行计算；其表达式如下：式中iα(k+1)、iβ(k+1)分别为k+1时刻交流侧输入电流在α-β轴系下电流分量，即延时补偿电流值。Ts为系统控制周期，Lgx为等效后的交流侧电感，uα(k-1)、uβ(k-1)分别为k-1时刻输出电压矢量在α-β轴系下电压分量；步骤五，根据步骤四所得到的延时补偿值，将延时补偿值iα，β(k+1)代替k时刻电流值iα，β(k)，代入系统离散化数学模型，求解α-β轴系下，模型预测控制输出电压矢量；其表达式如下：式中uαp(k)、uβp(k)为模型预测控制输出在α-β轴系下电压分量；步骤六，根据系统离散化数学模型，求解α-β轴系下，PR控制器输出电压矢量；其表达式为：式中uαpr(k)、uβpr(k)为PR控制器输出在α-β轴系下电压分量，GPR(s)为PR控制器的传递函数，如下式所示：式中Kp与Kr分别为PR控制器的比例系数与谐振系数，ωc、ω0分别为截止频率与谐振频率；步骤七，将PR控制作为模型预测电流控制的补偿环节，构建动态变权重新型定频模型预测电流控制。以d轴电流误差值作为判断依据，根据钟型曲线中高斯分布函数，设计时变权重函数m，并对m最大值为1进行限幅；其表达式为：式中，uαend(k)、uβend(k)为最终参考电压矢量，m为时变权重函数，其表达式为：式中，Δid为d轴电流误差值，σ为标准差，恒大于0；假设控制系统稳态时d轴电流差值在+0.2A之间进行波动，在对m函数进行参数整定时，需按照以下规则：1)当系统处于稳态过程且无采样误差时，d轴电流差值在±0.2A之间进行波动，此时希望为PR控制，因此将0.2A作为一个转折点，当误差绝对值小于等于0.2A时，m恒为1。2)当系统处于稳态过程且出现采样误差时，电流差值的绝对值将大于0.2A，此时希望m在0到1之间缓慢变化，两种控制算法同时作用，达到快速响应且削弱母线电压波动对控制性能影响的目的。3)当系统处于动态过程且无采样误差时，假设动态过程电流差值变1A，此时希望模型预测电流控制占据主导作用，m应迅速减小到0。步骤八，根据k时刻所获得的位置信息θ、三组母线电压，将最终获得的参考电压矢量uαend(k)、uβend(k)除以2，分别由三个SVPWM计算单元进行占空比计算，在SVPWM计算单元计算时，三个SVPWM计算单元的载波相位不同，其中第二、第三SVPWM计算单元的载波相位同时滞后于计算单元一1/3个控制周期，从而进行PWM占空比计算，并将所得到PWM信号进行重组，在k+1时刻进行占空比更新，同时在k+1时刻重复步骤一至步骤七，以此进行循环。与现有技术相比，本专利技术所具有的效果为：(1)本专利技术在动态过程中采用模型预测电流控制，相比于PR控制具有动态响应迅速的优点。(2)受三重化系统直流母线电压二倍频波动影响，模型预测电流控制无法获得良好稳态性能，本专利技术采用PR控制对模型预测电流控制进行补偿，能够削弱母线电压二倍频波动对系统控制性能的影响，相比于传统模型预测电流控制具有良好的稳态性能。附图说明图1：线电压级联型三重化变流器拓扑图；图2：线电压级联型三重化变流器等效电路；图3：系统控制结构图具体实施方式当三重化变流器作为电网侧整流电路时，其拓扑结构如图1所示。忽略交流侧输入线路电阻其对系统的影响，将图1中单元1与单元2构成的回路进行推广，可以得到以下关系：式中UAB、UBC、UCA为三重化LVC-VSC交流侧线电压，EAB、EBC、ECA为电网输入线电压，Iai、Ibi、Ici分别为组成单元i中各相的相电流，Uaibi、Ubici、Uciai分别为组成单元i中交流侧ab、bc、ca相相间线电压基波分量，其中，i＝1、2、3。Ub1a2、Uc2b3、Ua1c3分别为连接各单元之间限流电感的电压。根据上述分析可知，三重化变流可以等效为一个传统两电平功率变换器，如图2所示。图中，Lgx为等效后的交流侧电感，其表达式为：式中，kL为Lg与Lx之间比值，即：由于等效开关电路的交流侧线电压等于相邻两个级联的VSC单元线电压之和，则等效后的直流母线电压Ueq等于两倍Uav，Uav表示3组直流母线电压的平均值。根据图2可以得到三重化变流器等效开关电路在α-β轴系下的数学模型表达式为：式中eα、eβ、iα、iβ分别为α-β轴系下电网电压与电网电流，其获取方式如步骤三所述，可以分别表示为：式中eα(k)、eβ(k)为k时刻交流侧输入电压在α-β轴系下电压分量，eA(k)、eB(k)、eC(k)为k时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态变权重新型定频模型预测电流控制方法，其特种在于，包括以下步骤：步骤一，在k时刻，由控制系统对所需信号进行采样，具体包括：三组直流母线电压、电网侧输入三相电压eA，B，C以及三相电流iA，B，C；步骤二，令q轴给定电流为零，根据电压外环给定值与反馈值之间的差值，经过比例积分控制器得到d轴电流给定值idref；步骤三，将采样得到的电压eA，B，C经过锁相环运算，得到位置信息θ，并将交流输入电压信号(采样得到)与电流信号(采样与计算得到)通过坐标变换理论，变换为α‑β轴系下电压、电流分量；步骤四，利用k时刻电流、电压采样值，根据系统离散化数学模型，计算模型预测电流控制的延时补偿值，即k+1时刻电流值iα，β(k+1)；步骤五，将延时补偿值iα，β(k+1)代替k时刻电流值iα，β(k)，代入系统离散化数学模型，当采用模型预测电流控制时，求解α‑β轴系下，模型预测电流控制输出给定电压矢量uαp、uβp；步骤六，根据系统离散化数学模型经PR控制器，得到采用PR控制时，输出给定电压矢量为uαpr、uβpr；步骤七，根据钟型曲线中高斯分布函数，构造时变函数m，从而实现模型预测电流控制与PR控制的平滑转换，其中m的值在0到1之间。步骤八，根据k时刻所获得的位置信息θ、三组母线电压，将最终获得的参考电压矢量uαend(k)、uβend(k)除以2，分别由三个SVPWM计算单元进行PWM波占空比计算，在k+1时刻进行占空比更新，同时在k+1时刻重复步骤一至步骤七，以此进行循环。...

【技术特征摘要】
1.一种动态变权重新型定频模型预测电流控制方法，其特种在于，包括以下步骤：步骤一，在k时刻，由控制系统对所需信号进行采样，具体包括：三组直流母线电压、电网侧输入三相电压eA，B，C以及三相电流iA，B，C；步骤二，令q轴给定电流为零，根据电压外环给定值与反馈值之间的差值，经过比例积分控制器得到d轴电流给定值idref；步骤三，将采样得到的电压eA，B，C经过锁相环运算，得到位置信息θ，并将交流输入电压信号(采样得到)与电流信号(采样与计算得到)通过坐标变换理论，变换为α-β轴系下电压、电流分量；步骤四，利用k时刻电流、电压采样值，根据系统离散化数学模型，计算模型预测电流控制的延时补偿值，即k+1时刻电流值iα，β(k+1)；步骤五，将延时补偿值iα，β(k+1)代替k时刻电流值iα，β(k)，代入系统离散化数学模型，当采用模型预测电流控制时，求解α-β轴系下，模型预测电流控制输出给定电压矢量uαp、uβp；步骤六，根据系统离散化数学模型经PR控制器，得到采用PR控制时，输出给定电压矢量为uαpr、uβpr；步骤七，根据钟型曲线中高斯分布函数，构造时变函数m，从而实现模型预测电流控制与PR控制的平滑转换，其中m的值在0到1之间。步骤八，根据k时刻所获得的位置信息θ、三组母线电压，将最终获得的参考电压矢量uαend(k)、uβend(k)除以2，分别由三个SVPWM计算单元进行PWM波占空比计算，在k+1时刻进行占空比更新，同时在k+1时刻重复步骤一至步骤七，以此进行循环。2.根据权利要求1所述的一种动态变权重新型定频模型预测电流控制方法，其特征在于，步骤二计算公式为：式中idref、iqref分别为电网侧d-q轴给定电流值，Kp为电压外环PI控制器比例系数，Ki为电压外环P...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志强，左志文，谷鑫，张国政，李新旻，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12