本发明涉及基于虚拟磁链的模型预测功率控制方法。
背景技术：
：传感器是一切高性能控制算法的基础。在实际应用中，pwm整流器需要三类传感器：一个直流母线传感器、两个相电流传感器和两个线电压传感器。通常直流母线电压传感器用于测量母线电压大小并用于过压和欠压保护，相电流传感器用于控制和过流保护，线电压用于获得电网幅值和角度信息。但是传感器比较昂贵，为了实现低成本高性能控制，许多学者研究了无传感器控制。无传感器除了能够降低硬件成本，还能减小空间，提高系统可靠性，更好抗干扰能力等。在pwm整流器上，无传感器控制分为无电网电压传感器控制和无电流传感器控制。由于电流传感器用于过流保护，电网电压在稳态可以很好的估计，所以无电网电压传感器控制更加实用。目前的一些低通滤波器与纯积分环节并不等效，需要进行幅值和相角补偿，但是这些文献补偿没有考虑补偿负序基频电压。目前还提出了基于二阶广义积分器的虚拟磁链，巧妙地利用二阶广义积分器的功能得到磁链，不需要幅值和相角补偿，考虑了负序基频电压，在不平衡电网下可以完美运行性。由于二阶广义积分器对谐波有一定的抑制，不能消除，这种方法不能在不平衡且谐波下使用。技术实现要素：本申请提出了一种改进的虚拟磁链方法，能够在电网不平衡且含谐波下运行。本发明提供了一种基于虚拟磁链的模型预测功率控制方法，包括：用cdsc滤除掉变换器侧电压矢量v中的谐波；进入sogi-qsg模块；进行磁链计算；以及进行延时补偿和功率预测。在上述基于虚拟磁链的模型预测功率控制方法，其中，电网电压和交流侧阻抗被认为虚拟交流电机的相关物理量，r和l分别代表虚拟交流电机的定子电阻和漏感，电网电压由虚拟磁通感应产生，忽略掉等效电阻，pwm整流器的在两相静止坐标系的数学模型为对(1-1)进行积分得到定义ψe＝∫edt和ψv＝∫vdt，则(1-2)可以表示为ψe＝li+ψv(1-3)积分传递函数为纯积分有直流偏置问题，这将导致估计的磁链圆偏离中心，用低通滤波器代替纯积分环节，消除直流偏置，低通滤波器传递函数为其中ωc为截止频率。低通滤波器并不能等效纯积分，它导致输入信号的延迟和幅值衰减，因此需要进行幅值和相角补偿。令补偿环节为glc(s)，根据等效原理得到g(s)＝glc(s)glpf(s)(1-6)则求得补偿环节glc(s)为将s＝-jωg代入(1-7)可以求出负序基波电压的补偿表达式为将平衡和不平衡下的补偿值整理其中|en|为负序电压的幅值；级联型二阶低通滤波器即四个低通滤波器串联，其表达式为级联型二阶低通滤波器跟纯积分环节并不等效，也需要进行幅值和相角补偿，其补偿表达式为将s＝jωg代入(1-13)求得将s＝-jωg代入(1-14)可以求出负序基波电压的补偿表达式为整理(1-14)和(1-15)得到级联型二阶低通滤波器的补偿值在上述基于虚拟磁链的模型预测功率控制方法，还包括：提出基于二阶广义积分器的虚拟磁链，其传递函数如下其中阻尼比k等于其中qv'为v'的积分ω倍，即qv′＝ω∫v′dt＝ωψv(1-20)qv'为v'的磁链与ω的乘积，而v经过滤波得到的v'，v和v'在基波上是完全相等的；同理，v'也看成磁链；变换器侧电压矢量经过二阶广义积分器正交信号发生器得到其磁链ψv和-ψ′v，在不平衡电网下，磁链有正负序之分，变换器侧电压的磁链及其延时信号表示为ψv＝ψpv+ψnv(1-21)ψ′v＝-jψpv+jψnv(1-22)同理得到电压及其延时电压表达式e＝ep+en(1-23)e′＝-jep+jen(1-24)对(1-23)和(1-24)求导得到对电网电压积分得到其磁链，进行逆运算，对磁链求导得到电网电压，因此得到电压和电压延时信号的磁链表达式将(1-27)和(1-28)代入瞬时功率理论表达式得到功率和磁链的关系表达式将(1-27)代入得到电流微分和磁链的关系将(1-31)写成分量表达式对(1-29)和(1-30)求导将(1-28)和(1-32)代入(1-33)和(1-34)整理得到将(1-35)和(1-36)分别离散化得到将(1-28)代入新型瞬时无功理论得到对(1-39)求导得到将(1-32)和(1-27)代入(1-40)整理得到将1-41离散化得到当采用新型功率定义时，(1-37)可整理为定义目标函数为g＝|pref-pk+1|2+|qref-qk+1|2(1-44)利用pwm整流器和二极管模式下的整流器之间的相似性来估计电网电压，计算电网电压磁链ψe时需要对变换器侧电压v进行积分，在二极管模式下的整流器没有作用电压矢量，通过判断此时电流方向，得到虚拟的电压矢量vn。本文提出了基于虚拟磁链的无电网电压传感器方法，指出传统的基于低通滤波器的虚拟磁链不适用于不平衡电网。利用sogi-qsg的积分特性，用来得到虚拟磁链，无需任何补偿，适用于不平衡电网。然后将cdsc与sogi-qsg级联，这样可以在畸变电网下也能得到基波磁链，从而虚拟磁链能够在畸变电网下运行。附图说明图1(a)和图1(b)为带传统补偿值和改进补偿值的一阶低通滤波器、级联型二阶低通滤波器的积分波特图对比。图2(a)和图2(b)分别示出了二阶广义积分器的正交信号发生器的波特图d(s)和q(s)。图3示出了基于二阶广义积分器的正交信号发生器的虚拟磁链原理框图。图4示出了基于虚拟磁链的模型预测功率控制的控制框图。图5(a)和图5(b)为基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制仿真波形。图6(a)至图6(d)为电网扰动下的仿真波形，图6(a)示出了基于传统功率定义的模型预测功率控制；图6(b)示出了基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制；图6(c)示出了基于新型功率定义的模型预测功率控制；图6(d)示出了基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制。图7为虚拟磁链启动实验波形。图8(a)和图8(b)示出了基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在电网扰动下实验波形，图8(a)示出了平衡到不平衡；图8(b)示出了不平衡到不平衡且含谐波。图9(a)至图9(d)为电网扰动下的仿真波形，图9(a)示出了基于传统功率定义的模型预测功率控制；图9(b)示出了基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制；图9(c)示出了基于新型功率定义的模型预测功率控制；图9(d)示出了基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制。图10(a)至图10(d)为图9(a)至图9(d)的畸变电网下a相电流thd分析，图10(a)示出了基于传统功率定义的模型预测功率控制；图10(b)示出了基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制；图10(c)示出了基于新型功率定义的模型预测功率控制；图10(d)示出了基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制。图11(a)和图11(b)示出了基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制闭环实验波形，图11(a)示出了突加载的情况；图11(b)示出了电网不平衡到不平衡且含谐波。具体实施方式下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。电网电压和交流侧阻抗被认为虚拟交流电机的相关物理量，r和l分别代表虚拟交流电机的定子电阻和漏感，电网电压由虚拟磁通感应产生，这样就可以实现去掉电网电压传感器的目的。忽略掉等效电阻，pwm整流器的在两相静止坐标系的数学模型为对(1-1)进行积分得到定义ψe＝∫edt和ψv＝∫vdt，则(1-2)可以表示为ψe＝li+ψv(1-3)只要能够对变换器侧电压矢量v进行积分，就可以得到电网电压的磁链。积分可以滤除变换器侧电压矢量的高频谐波，得到的磁链比较光滑。虚拟磁链的关键变为如何得到变换器侧电压的磁链。积分传递函数为纯积分有直流偏置问题，这将导致估计的磁链圆偏离中心，用低通滤波器代替纯积分环节，消除直流偏置，低通滤波器传递函数为其中ωc为截止频率。低通滤波器并不能等效纯积分，它导致输入信号的延迟和幅值衰减，因此需要进行幅值和相角补偿。令补偿环节为glc(s)，根据等效原理得到g(s)＝glc(s)glpf(s)(1-6)则求得补偿环节glc(s)为将s＝jωg代入(1-7)求得然而该补偿表达式并不适用于不平衡电网，因为没有考虑到负序基波电压。本文提出了考虑负序基波电压的补偿值，将s＝-jωg代入(1-7)可以求出负序基波电压的补偿表达式为将平衡和不平衡下的补偿值整理其中|en|为负序电压的幅值；低通滤波动态响应慢，提出了级联型二阶低通滤波器来解决这个问题。级联型二阶低通滤波器即四个低通滤波器串联，其表达式为跟低通滤波分析类似，级联型二阶低通滤波器跟纯积分环节并不等效，也需要进行幅值和相角补偿，其补偿表达式为将s＝jωg代入(1-13)求得该补偿表达式也只适用于平衡电网，因为没有考虑到负序基波电压。本文提出考虑负序基波电压的补偿值，将s＝-jωg代入(1-14)可以求出负序基波电压的补偿表达式为整理(1-14)和(1-15)得到级联型二阶低通滤波器的补偿值图1(a)和图1(b)为带传统补偿值和改进补偿值的一阶低通滤波器、级联型二阶低通滤波器的积分波特图对比，从波特图中可以看出，在频率为-50hz时，图1(a)中传统的补偿值是不适用的，因为和积分的相角不相等，幅值补偿是适用的，图1(b)中采用改进的补偿值后，低通滤波器和级联型二阶低通滤波器在-50hz的角度和积分的一样，验证了前面分析的正确性。从(1-11)和(1-17)可知，改进的补偿值在不平衡电网下使用时需要知道基波负序电压en，这需要提取正负序算法，如四分之一周期延时法或二阶广义积分器巧妙地利用二阶广义积分器的功能，提出基于二阶广义积分器的虚拟磁链，不需要幅值和相角补偿，非常适用于不平衡电网。其传递函数如下其中阻尼比k等于对其进行波特图分析，得到图2(a)和图2(b)，从图中可以看出，信号在±50hz处没有相移和幅值衰减。从图中看出qv'为v'的积分ω倍，即qv′＝ω∫v′dt＝ωψv(1-20)qv'为v'的磁链与ω的乘积，而v经过滤波得到的v'，v和v'在基波上是完全相等的；同理，v'也看成磁链；变换器侧电压矢量经过二阶广义积分器正交信号发生器得到其磁链ψv和-ψ′v，在不平衡电网下，磁链有正负序之分，变换器侧电压的磁链及其延时信号表示为ψv＝ψpv+ψnv(1-21)ψ′v＝-jψpv+jψnv(1-22)同理得到电压及其延时电压表达式e＝ep+en(1-23)e′＝-jep+jen(1-24)对(1-23)和(1-24)求导得到对电网电压积分得到其磁链，进行逆运算，对磁链求导得到电网电压，因此得到电压和电压延时信号的磁链表达式将(1-27)和(1-28)代入瞬时功率理论表达式得到功率和磁链的关系表达式将(1-27)代入得到电流微分和磁链的关系将(1-31)写成分量表达式对(1-29)和(1-30)求导将(1-28)和(1-32)代入(1-33)和(1-34)整理得到将(1-35)和(1-36)分别离散化得到将(1-28)代入新型瞬时无功理论得到对(1-39)求导得到将(1-32)和(1-27)代入(1-40)整理得到将(1-41)离散化得到当采用新型功率定义时，(1-37)可整理为定义目标函数为g＝|pref-pk+1|2+qref-qk+1|2(1-44)其中无功定义可以采用传统功率定义，也可以采用新型无功定义。需要指出的是传统无功定义在不平衡下会导致电流畸变，而新型无功定义在平衡电网下与传统无功定义相等，在不平衡电网下，采用新型无功，电流正弦。因此，新型无功定义比传统无功定义更适合。在无电网电压传感器控制算法中，启动问题一直是不可避免的问题。对于pwm整流器来说，启动时需要知道电网的幅值和角度信息，否则系统启动容易过流，导致系统不能正常工作。然而很多现有技术都没提出启动算法。常用的方法是在整流器启动之前作用几个周期的零矢量，获取电网的信息。作用零矢量意味整流器交流侧短路，电网电压全部作用在交流侧电抗上，时间长了也会发生过流。提出在整流器工作在二极管导通模式下获取电网初始信息，此时，所有的功率管处于关断状态。利用pwm整流器和二极管模式下的整流器之间的相似性来估计电网电压，计算电网电压磁链ψe时需要对变换器侧电压v进行积分，在二极管模式下的整流器没有作用电压矢量，通过判断此时电流方向，得到虚拟的电压矢量vn。假设二极管桥处于理想的导通状态，则vn的表达式为其中在算法启动后将虚拟的电压矢量vn切换到变换器侧电压矢量v，系统可以正常工作。为了能在典型谐波环境也能准确的得到基波磁链，本文采用本领域常用的cdsc算法。cdsc的全称为级联型延迟信号消除法,该方法级联多个对应不同次数谐波的延迟信号消除法(dsc)模块提取出基波。可以用cdsc滤除掉变换器侧电压矢量v中的谐波，然后再进入sogi-qsg模块，这样就可得到基波磁链。前面介绍的sogi-qsg的全称为基于二阶广义积分器的正交信号发生器。图3为基于二阶广义积分器的正交信号发生器(sogi-qsg)的原理框图。在本申请中，式(1-18)为sogi-qsg的直接滤波输出信号的传递函数d(s)，式(1-19)为基于sogi-qsg的正交输出信号的传递函数q(s)。图2(a)是d(s)的伯德图，图2(b)是q(s)的伯德图。本申请中的sogi-qsg模块指图3中sogi-qsg框图表示出的模块。此时基于扩展功率的虚拟磁链算法能够在谐波电网下运行。控制框图如图4所示。仿真结果表1系统控制参数参数符号数值电阻r0.3ω电感l10mh直流母线电容c840μf负载rl100ω线电压un150v电网频率f50hz为了验证改进虚拟磁链的效果，进行了仿真研究。系统参数与表1一致，采样频率为20khz。图5(a)和图5(b)为基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制仿真波形，图5(a)为虚拟磁链启动仿真波形，在二极管整流状态，通过判断电流方向，计算出变换器侧电压，此时可以得到虚拟磁链，在0.04s时系统启动，此时根据发出的变换器侧电压来计算磁链，启动过程没有过流。图5(b)为电网扰动下虚拟磁链的动态响应仿真波形，电网平衡到不平衡，不平衡到含谐波，谐波到不平衡且含谐波，其中不平衡为a相电压跌落40％，谐波为-5次谐波含7％，7次谐波含5％，可以看出在电网变化下都能够准确的得到基波磁链，电流也保持正弦。图6(a)至图6(d)为电网扰动下的仿真波形，基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制跟基于传统功率定义的模型预测功率控制、基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制和基于新型功率定义的模型预测功率控制进行了对比。电网平衡到不平衡，不平衡到含谐波，谐波到不平衡且含谐波，基于传统功率定义的模型预测功率控制在电网不平衡时，电流畸变；在谐波电网时，电流中含有电网中的谐波次数；在不平衡且含谐波时，电流严重畸变。基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在电网不平衡时，电流畸变；在谐波电网时，电流正弦；在不平衡且含谐波时，电流也严重畸变。基于新型功率定义的模型预测功率控制在电网不平衡时，电流正弦；在电网中含有谐波时，电流畸变。基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在电网不平衡或者含有谐波时，电流都能保持正弦。实验结果为了进一步验证改进虚拟磁链的效果，本节进行了实验测试。实验条件与仿真条件一致。图7为虚拟磁链启动实验波形，在二极管整流状态的磁链有些畸变，本文中用的cdsc为消除6k+1次谐波，而二极管导通电流含有非6k+1次谐波，故有可能畸变。启动后磁链正弦，电流正弦。图8(a)和图8(b)为基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在电网扰动下实验波形，电网平衡到不平衡时，电流正弦，磁链正负序也正弦，电网不平衡且含谐波时，电流正弦，磁链正序正弦，负序比较正弦。图9(a)至图9(d)在电网扰动下比较了基于传统功率定义的模型预测功率控制、基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制、基于新型功率定义的模型预测功率控制和基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制，从不平衡电网到畸变电网，基于传统功率定义的模型预测功率控制在不平衡，电流畸变，在畸变电网时，电流严重畸变；基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在不平衡电网和畸变电网时，电流畸变，有功功率波动较大；基于新型功率定义的模型预测功率控制在不平衡电网时，电流正弦，电网畸变时，电流畸变。基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在不平衡电网和畸变电网都能保持电流正弦。图10(a)至图10(d)为图9(a)至图9(d)在畸变电网下a相电流thd分析，传统功率定义的模型预测功率控制为25.89473％，基于传统功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制为25.2122％，基于新型功率定义的模型预测功率控制为9.3673％，基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制为3.9696％。图11(a)示出了基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制为在理想电网下突加载实验，在0.05s时突然加入100ω的负载，直流母线电压经过较小的跌落后，迅速跟踪上参考值300v，电流正弦。图11(b)基于新型功率定义的虚拟磁链模型预测功率控制在电网不平衡到不平衡且含谐波的实验，在0.04s时电网中加入谐波，电流依旧正弦。本文提出了基于虚拟磁链的无电网电压传感器方法，指出传统的基于低通滤波器的虚拟磁链不适用于不平衡电网。利用sogi-qsg的积分特性，用来得到虚拟磁链，无需任何补偿，适用于不平衡电网。然后将cdsc与sogi-qsg级联，这样可以在畸变电网下也能得到基波磁链，从而虚拟磁链能够在畸变电网下运行。当前第1页12