一种电源变换装置及控制方法

1.本发明涉及三相电源控制技术领域，尤其是一种电源变换装置及控制方法。


背景技术：

2.准z源二端口网络集成于直流模块与逆变电源之间，构成准z源逆变电源，将传统dc/dc与dc/ac模块集成为既能升压和降压，又能逆变并网的逆变电源，有效提高逆变电源的效率。但三相三电平准z源网络电容电压和电感电流受负载波动影响较为明显，因此展开对三相三电平准准z源逆变电源控制方法的研究有着重要意义。
3.目前应用于三相三电平准z源逆变电源的控制方法有：pi控制、滑模控制、神经网络控制、模糊控制以及模型预测控制，传统的pi控制实现简单，但是在控制器参数的设计中，无法同时保证系统的动态响应速度与稳定性；滑模控制同样易于实现，对于系统参数的变化并不敏感，但其抖振问题的存在会造成开关频率改变。模糊控制与神经网络控制虽然能够提高三相三电平准z源逆变电源的动态响应，但控制器的设计过程繁琐复杂，不易于实现。
4.模型预测控制(mpc)能够实现单回路控制多个变量，同时将电容电压，电感电流，以及输出电流控制在设定值。模型预测控制通过构建三相三电平准z源逆变电源的离散时间模型，以预测每种开关状态下的下一时刻电容电压、电感电流、以及输出电流，并通过所设计的代价函数来选取下一时刻最优开关状态，实现单回路控制多个变量，输出动态响应快，避免传统复杂的调制过程。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电源变换装置及控制方法，避免传统的调制过程，将多个目标变量约束在同一个代价函数中，降低计算的复杂度，提高动态响应速度。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种电源变换装置，包括：主电路、控制电路和检测电路；控制电路输出脉冲驱动主电路的npc逆变桥，使主电路将直流电变为交流电；检测电路感测主电路的电压、电流状态，并将其值传给控制电路；
7.主电路包括输入电压源v
in
、准z源三相三电平逆变电源、三相负载电阻r与电感l；输入电压源v
in
与准z源三相三电平逆变电源的输入端连接，准z源三相三电平逆变电源输入端与三相负载电阻r与电感l连接；
8.控制电路包括第一输入端口、第二输入端口、第三输出端口；第一输入端口接收传感器检测的准z源网络电感电流值、电容电压值；第二输入端口接收传感器检测的负载电流值、负载电压值；第三输出端口输出调制脉冲，驱动逆变桥；
9.检测电路包括直流侧准z源网络电感电流检测电路、直流侧准z源网络电容电压检测电路和交流侧输出电流检测电路；直流侧准z源网络电感电流检测电路输入端与准z源网络的第一电感l1连接，准z源网络电容电压检测电路输入端与准z源网络的第二电容c2连接，
交流侧输出电流检测电路输出端与准z源三相三电平逆变电源输出端连接。
10.优选的，准z源三相三电平逆变电源包括准z源网络和npc逆变桥；一个二端口网络包括两个对称准z源网络，两个对称准z源网络构成镜像电路，二端口网络的一端口接输入直流电压的正负极，另一端口接npc逆变桥的直流母线的正负极；
11.其中准z源网络包括电源、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一二极管d1、第二二极管d2；其中第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2和第一二极管d1构成一准z源网络，第三电感l3、第四电感l4、第三电容c3、第四电容c4和第二二极管d2构成另一准z源网络，两准z源网络结构对称，参数一致。
12.相应的，一种电源变换装置的控制方法，包括如下步骤：
13.步骤1：构造输出电流预测模型，基于当前时刻k的准z源三相三电平逆变电源输出电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的输出电流i(k+1)；
14.步骤2：构造电感电流预测模型，基于当前时刻k的准z源网络电感电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的电感电流i
l1
(k+1)；
15.步骤3：构造电容电压预测模型，基于当前时刻k的准z源网络电容电压的离散时间模型推导得到k+1时刻的电容电压v
c2
(k+1)；
16.步骤4：基于步骤1、步骤2、步骤3中得到的输出电流i(k+1)、电感电流i
l1
(k+1)、电容电压v
c2
(k+1)，构建代价函数g(k+1)并将其最小化。
17.优选的，步骤1中，构造输出电流预测模型，基于当前时刻k的准z源三相三电平逆变电源输出电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的输出电流i(k+1)具体为：基于当前时刻k的准z源三相三电平逆变电源输出电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的输出电流i(k+1)，具体公式如下：
[0018][0019]
其中，ts为采样周期，r与l为三相负载，i(k)为k时刻的输出电流，v(k+1)为k+1时刻的输出电压。
[0020]
优选的，步骤2中，构造电感电流预测模型，基于当前时刻k的准z源网络电感电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的电感电流i
l1
(k+1)具体为：基于当前时刻k的准z源网络电感电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的电感电流i
l1
(k+1)，具体公式如下；
[0021][0022]
式中i
l1
(k)为k时刻准z源网络电感l1的电流，v
l1
(k)为k时刻准z源网络电感l1的电压；
[0023]vl1
在准z源网络为直通状态下时，具体公式如下：
[0024][0025]
式中v
in
为电源电压，v
c1
为准z源网络电容c1的电压，v
c4
为准z源网络电容c4的电压；
[0026]vl1
在准z源网络为非直通状态下时，具体公式如下：
[0027][0028]
式中v
in
为电源电压，v
c2
为准z源网络电容c2的电压，v
c3
为准z源网络电容c3的电压。
[0029]
优选的，步骤3中，构造电容电压预测模型，基于当前时刻k的准z源网络电容电压的离散时间模型推导得到k+1时刻的电容电压v
c2
(k+1)具体为：基于当前时刻k的准z源网络电容电压的离散时间模型推导得到k+1时刻的电容电压v
c2
(k+1)，具体公式如下：
[0030][0031]
式中v
c2
(k)为k时刻准z源网络电容c2的电压，i
c2
(k)为准z源网络电容c2的电流；
[0032]ic2
(k)在准z源网络为直通状态下时，具体公式如下：
[0033]ic2
＝-i
l1
[0034]
式中i
l1
为准z源网络电感l1的电流；
[0035]ic2
(k)在准z源网络为直通状态下时，具体公式如下：
[0036]ic2
＝i
l1-(haia+hbib+hbib)
[0037][0038]
式中ia、ib、ic为逆变电源输出的三相电流，x＝a,b,c。
[0039]
优选的，步骤4中，基于步骤1、步骤2、步骤3中得到的输出电流i(k+1)、电感电流i
l1
(k+1)、电容电压v
c2
(k+1)，构建代价函数g(k+1)并将其最小化具体为：基于步骤1、步骤2、步骤3中得到的输出电流i(k+1)、电感电流i
l1
(k+1)、电容电压v
c2
(k+1)，构建代价函数g(k+1)并将其最小化，具体公式如下：
[0040][0041][0042][0043]
g(k+1)＝gi(k+1)+g
il1
(k+1)+g
vc2
(k+1)
[0044]
式中，λ
il1
，λ
vc2
为权重参数，i
*α
(k+1)为输出电流在α轴下k+1时刻的参考值，i
*β
k+1)为输出电流在β轴下k+1时刻的参考值，i
*l1
(k+1)为准z源网络电感l1的电流在k+1时刻的参考值，v
*c2
(k+1)为准z源网络电容c2的电压在k+1时刻的参考值。
[0045]
本发明的有益效果为：本发明通过所设计的代价函数来选取下一时刻最优开关状态，实现单回路控制多个变量，输出动态响应快，增强系统的动态稳定性。
附图说明
[0046]
图1为本发明三相三电平准z源逆变电源模型预测控制控制装置的结构示意图。
[0047]
图2为本发明三相三电平准z源逆变电源主电路示意图。
[0048]
图3为本发明三相三电平准z源逆变电源工作在非直通模式时的电路原理图。
[0049]
图4为本发明三相三电平准z源逆变电源工作在直通模式时的电路原理图。
[0050]
图5为本发明直流链电压图。
[0051]
图6为本发明三相三电平准z源网络电感电流图。
[0052]
图7为本发明三相三电平准z源逆变电源交流输出电流图。
具体实施方式
[0053]
如图1所示，一种电源变换装置，包括：主电路、控制电路和检测电路；主电路包括输入电压源v
in
，准z源三相三电平逆变电源、三相负载r与l，所述准z源三相三电平逆变电源包括准z源网络和npc逆变桥，所述输入电压源v
in
与所述准z源三相三电平逆变电源的输入端连接，准z源三相三电平逆变电源输入端与三相负载r与l连接，其中准z源网络包括电源、电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、二极管d1、二极管d2。
[0054]
控制电路包括第一，第二，第三输入端口；所述检测电路电路包括直流侧准z源网络电感电流检测电路、直流侧准z源网络电容电压检测电路以及交流侧输出电流检测电路，所述直流侧准z源网络电感电流检测电路输入端与所述准z源网络的电感l1连接，所述准z源网络电容电压检测电路输入端与准z源网络的电容c2连接，所述交流侧输出电流检测电路输出端与准z源三相三电平逆变电源输出端连接。
[0055]
图2是三相三电平准z源逆变电源主电路，下文中变量带下标(k)表示变量在k时刻的数值，下标(k+1)表示变量在k+1时刻的数值。本发明设定：直流侧准z源网络电容c1＝c2＝c3＝c4,电感l1＝l2＝l3＝l4，三相输出ra＝rb＝rc，la＝lb＝lc。根据基尔霍夫电压和电流定律以及前向欧拉公式可得，三相三电平准z源逆变电源输出电流公式如下：
[0056][0057]
准z源逆变电源工作在如图3所示非直通模式下电感电流和电容电压的公式如下：
[0058][0059]
准z源逆变电源工作在如图3所示直通模式下电感电流和电容电压的公式如下：
[0060]
[0061]
另一方面，一种三相三电平准z源逆变电源模型预测控制方法，通过前述三相三电平准z源逆变电源控制装置实现：包括以下步骤：
[0062]
步骤1：构造输出电流预测模型，基于当前时刻k的准z源三相三电平逆变电源输出电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的输出电流i(k+1)。
[0063]
步骤1.1：基于当前时刻k的准z源三相三电平逆变电源输出电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的输出电流i(k+1)，具体公式如下：
[0064][0065]
其中，ts为采样周期，r与l为三相负载，i(k)为k时刻的输出电流，v(k+1)为k+1时刻的输出电压。
[0066]
本实施例中，r＝10ω，l＝10mh，ts＝10us。则有：
[0067][0068]
步骤2：构造电感电流预测模型，基于当前时刻k的准z源网络电感电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的电感电流i
l1
(k+1)；
[0069]
步骤2.1基于当前时刻k的准z源网络电感电流的离散时间模型推导得到k+1时刻的电感电流i
l1
(k+1)，具体公式如下：
[0070][0071]
式中i
l1
(k)为k时刻准z源网络电感l1的电流，v
l1
(k)为准z源网络电感l1的电压。
[0072]vl1
在准z源网络为直通状态下时，具体公式如下：
[0073][0074]
式中v
in
为电源电压，v
c1
为准z源网络电容c1的电压，v
c4
为准z源网络电容c4的电压。
[0075]vl1
在准z源网络为非直通状态下时，具体公式如下：
[0076][0077]
式中v
in
为电源电压，v
c2
为准z源网络电容c2的电压，v
c3
为准z源网络电容c3的电压。
[0078]
本实施例中，r＝10ω，l1＝1mh，ts＝10us，v
in
＝150v，则准z源网络在直通模式和非直通模式下分别有：
[0079][0080]
步骤3：构造电容电压预测模型，基于当前时刻k的准z源网络电容电压的离散时间模型推导得到k+1时刻的电容电压v
c2
(k+1)；
[0081]
步骤3.1基于当前时刻k的准z源网络电容电压的离散时间模型推导得到k+1时刻
的电容电压v
c2
(k+1)，具体公式如下：
[0082][0083]
式中v
c2
(k)为k时刻准z源网络电容c2的电压，i
c2
(k)为准z源网络电容c2的电流。
[0084]ic2
(k)在准z源网络为直通状态下时，具体公式如下：
[0085]ic2
＝-i
l1
[0086]
式中i
l1
为准z源网络电感l1的电流。
[0087]ic2
(k)在准z源网络为直通状态下时，具体公式如下：
[0088][0089]
式中ia、ib、ic为逆变电源输出的三相电流。x＝a,b,c。
[0090]
本实施例中，r＝10ω，c2＝470us，ts＝10us。
[0091][0092]
式中，
[0093]
步骤4：基于步骤1、步骤2、步骤3中得到的输出电流i(k+1)、电感电流i
l1
(k+1)、电容电压v
c2
(k+1)，构建代价函数g(k+1)并将其最小化。
[0094]
基于步骤1、步骤2、步骤3中得到的输出电流i(k+1)、电感电流i
l1
(k+1)、电容电压v
c2
(k+1)，构建代价函数g(k+1)并将其最小化，具体公式如下：
[0095][0096][0097][0098]
g(k+1)＝gi(k+1)+g
il1
(k+1)+g
vc2
(k+1)
[0099]
式中λ
il1
，λ
vc2
为权重参数。i
*α
(k+1)为输出电流在α轴下k+1时刻的参考值，i
*β
(k+1)为输出电流在β轴下k+1时刻的参考值，i
*l1
(k+1)为准z源网络电感l1的电流在k+1时刻的参考值，v
*c2
(k+1)为准z源网络电容c2的电压在k+1时刻的参考值。
[0100]
本实施例中，t《0.1s时，有
[0101]
[0102][0103]
本实施例中，t》0.1s时，有
[0104][0105][0106]
本实施例的仿真结果如图所示：图5是本发明实施例的直流链电压图；图6是本发明实施例中三相三电平准z源网络电感电流图；图7本发明实施例中三相三电平准z源逆变电源交流输出电流图。
[0107]
表1为本实施例的仿真参数表：
[0108]
表1仿真参数表
[0109][0110]
从实施例1的仿真结果可以看出，本发明一种三相三电平准z源逆变电源模型预测控制装置及方法，能够在逆变电源输出电流的参考值发生变化时迅速跟踪其变化，并且直流链电压基本无波动，保持了较高的稳定性；电感电流在极短的时间内响应了负载侧的功率需求，具有较快的动态响应速度；从而实现了对三相三电平准z源网络逆变电源电容电压、电感电流以及输出电流的控制。