一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法，按如下步骤进行三相无功补偿器的控制：(1)采样当前直流侧电压U

【技术实现步骤摘要】
一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法。

技术介绍

[0002]随着电网的负荷的种类变得越来越多，接入电网的设备产生的有功和无功功率各不相同。由于电网中存在的无功功率会影响电网中的电能质量，当无功功率较多时，会使得电网的功率因数较低，波形质量较差。因此，电网对接入设备的功率因素有相应的规定。除此之外，当电网中的功率因素下降时，还会采用无功补偿器来对电网中无功功率进行补偿或者吸收，从而保证电网中的无功功率处于一个合理的范围。
[0003]三相无功补偿器从变换器的角度来看，和功率双向流动三相整流器基本一致，只是两者的用途不一样。三相整流器通常从三相电网中取电，经过相应的控制将三相交流电整流为直流电，并提供给直流负载。而无功补偿器则是三相整流器工作在只发出或者吸收无功功率的工作模式下，变换器的直流端只有直流电容，不接负载电阻。从理论上，无功补偿器完全不消耗有功功率，只以纯无功工作状态下运行。但由于变换器系统中存在内阻，因此需要从电网中吸收少量的有功功率来维持直流侧电压的稳定，从而使得无功补偿器能够稳定的运行。
[0004]目前，工业上对于三相无功补偿器运用的最成熟且最广泛的还是电压电流双闭环PI控制。电压电流双闭环控制因其稳定性而受到工业上广泛的运用。然而，双闭环PI控制也存在着许多问题。对于不同的无功补偿系统，其电压电流双闭环参数也不一样，双闭环控制系统的参数整定也是一个比较复杂的过程。此外，电压环和电流环的动态响应速度也受到PI参数的制约，动态响应速度无法达到非常快的速度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法，该方法不仅可以避免双闭环控制的PI参数整定过程，而且能够加快系统的整体动态响应速度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于双预测控制的三相无功补偿器，按如下步骤进行三相无功补偿器的控制：
[0007](1)采样当前直流侧电压U
dc
，通过电压预测公式计算出当前所需要的参考电流I
d_ref
；
[0008](2)设定所需要的无功电流参考值I
q_ref
，并对有功无功参考电流进行坐标变换得到αβ坐标系下的电流参考值；同时采样电网侧的三相电网电流，代入电流模型预测控制计算公式，并带入代价函数，寻找最优开关矢量；
[0009](3)将最优开关矢量作用至逆变器，得到接近参考电流值的真实电流，完成控制过程。
[0010]进一步地，不仅适用于三电平NPC拓扑结构的变换器，还适用于不同的三相拓扑结
构，包括三相全桥、五电平NNPC和七电平CHB拓扑结构。
[0011]进一步地，采用包括电压外环预测控制和电流内环预测控制的双预测控制。
[0012]进一步地，所述三相无功补偿器为三相三电平NPC拓扑结构的无功功率补偿器，主要由三相三电平NPC变换器、直流侧电容、三相L型滤波器、三相电网、电压外环预测控制和电流内环模型预测控制组成；其中三相电网电压为U
a
、U
b
、U
c
，三相电感电流为I
a
、I
b
、I
c
，直流电容电压为U
dc_upper
和U
dc_lower
；为了实现三相三电平NPC拓扑结构的无功功率补偿器的控制，对直流侧电容电压、交流侧无功功率、直流侧电容平衡进行稳定控制，以完成无功补偿器的控制；
[0013]为了对直流侧电容电压进行稳定控制，电容的电压方程如式(1)所示，并对其进行离散化，求解出其差分方程如式(2)所示；
[0014][0015][0016]将电压的参考电压U
ref
代入下一时刻的电压U
dck+1
，和当前电容电压U
dck
做差，通过式(2)进行计算，得到当前时刻所需要的直流电流I
dc
，并通过式(3)进行瞬时功率的计算；
[0017]P
dc
＝U
dc
*I
dc
ꢀꢀꢀ
(3)
[0018]由于功率守恒原则，交流侧的电流由功率守恒转换到交流电网侧来计算；通过式(4)计算出电网所需要的有功电流，由于U
q
在旋转坐标系下为0，故I
d
＝P
active
/U
d
；通过将系统的有功电流稳定控制后，将电压稳定在设定的参考值上；
[0019][0020]完成电压环的预测计算之后得到I
d_ref
，通过设定的参考无功功率Q
ref
以及无功功率计算公式得到I
q_ref
；将dq轴的电流分量转换成αβ坐标系下的电流分量；由式(5)所示，将dq坐标系的电流转换为αβ坐标系下的电流；
[0021][0022]为了实现对电流的闭环控制，对电感建立方程；根据KVL方程，得出如式(6)所示的计算公式，在已知电网电压U
grid
‑
αβ
后，每一个电压矢量V
s
‑
αβ
唯一对应一个输出电流；对其离散化后，得到如式(7)所示的电流预测计算公式；
[0023][0024]IL
αβk+1
＝IL
αβk
+(U
grid
‑
αβ
‑
V
s
‑
αβ
)*Ts/L
ꢀꢀꢀ
(7)
[0025]再根据当前时刻的电感电流以及27个电压状态矢量来进行迭代计算，得到27个矢量的下一时刻的电感电流值，并与参考值进行对比，采用式(8)所示的代价函数来进行计算，选择使代价函数G最小的开关矢量，并作用至变换器；
[0026]G＝|I
αk+1
‑
I
α_refk+1
|+|I
βk+1
‑
I
β_refk+1
|
ꢀꢀꢀ
(8)
[0027]针对三电平变换器的拓扑结构的直流侧电容平衡问题，对上下两个电容的直流电
压建立模型；电容电压如式(9)所示；
[0028][0029]对上下电容电压进行做差，得到式(10)；根据式(10)，变换器下一时刻的电容电压与当前时刻的电容电压差值和当前时刻流过中性点电流有关，而中性点电流I
o
又与开关状态和三相电流I
a
、I
b
、I
c
有关；
[0030][0031]联立式(10)和(11)，求解出27个矢量下一时刻的电容电压偏差，并与式(8)求出的代价函数值进行权重分配，得到式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法，其特征在于，按如下步骤进行三相无功补偿器的控制：(1)采样当前直流侧电压U
dc
，通过电压预测公式计算出当前所需要的参考电流I
d_ref
；(2)设定所需要的无功电流参考值I
q_ref
，并对有功无功参考电流进行坐标变换得到αβ坐标系下的电流参考值；同时采样电网侧的三相电网电流，代入电流模型预测控制计算公式，并带入代价函数，寻找最优开关矢量；(3)将最优开关矢量作用至逆变器，得到接近参考电流值的真实电流，完成控制过程。2.根据权利要求1所述的一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法，其特征在于，不仅适用于三电平NPC拓扑结构的变换器，还适用于不同的三相拓扑结构，包括三相全桥、五电平NNPC和七电平CHB拓扑结构。3.根据权力要求1所述的一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法，其特征在于，采用包括电压外环预测控制和电流内环预测控制的双预测控制。4.根据权力要求1所述的一种基于双预测控制的三相无功补偿器的控制方法，其特征在于，所述三相无功补偿器为三相三电平NPC拓扑结构的无功功率补偿器，主要由三相三电平NPC变换器、直流侧电容、三相L型滤波器、三相电网、电压外环预测控制和电流内环模型预测控制组成；其中三相电网电压为U
a
、U
b
、U
c
，三相电感电流为I
a
、I
b
、I
c
，直流电容电压为U
dc_upper
和U
dc_lower
；为了实现三相三电平NPC拓扑结构的无功功率补偿器的控制，对直流侧电容电压、交流侧无功功率、直流侧电容平衡进行稳定控制，以完成无功补偿器的控制；为了对直流侧电容电压进行稳定控制，电容的电压方程如式(1)所示，并对其进行离散化，求解出其差分方程如式(2)所示；解出其差分方程如式(2)所示；将电压的参考电压U
ref
代入下一时刻的电压U
dck+1
，和当前电容电压U
dck
做差，通过式(2)进行计算，得到当前时刻所需要的直流电流I
dc
，并通过式(3)进行瞬时功率的计算；P
dc
＝U
dc
*I
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)由于功率守恒原则，交流侧的电流由功率守恒转换到交流电网侧来计算；通过式(4)计算出电网所需要的有功电流，由于U
q
在旋转坐标系下为0，故I
d
＝P
active
/U
d
；通过将系统的有功电流稳定控制后，将电压稳定在设定的参考值上；完成电压环的预测计算之后得到I
d_ref
，通过设定的参考无功功率Q
ref
以及无功功率计算公式得到I
q_ref
；将dq...

【专利技术属性】
技术研发人员：金涛，廖皇政，刘惟诚，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：