三相六开关整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属整流领域，具体涉及一种三相功率变换器拓扑下带负载电流观测器的直 接功率控制的模型预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，以由六开关三相全控型电力电子器件组成的整流器，由于其可以控制能 量的双向流动，功率因数可控，良好的直流电压调节性能，正弦的输入电流等诸多优点，在 太阳能、风能等可再生能源并网发电，有源电力滤波器，以及变频调速等系统中得到了广泛 的应用。
[0003] 在众多针对三相六开关整流系统控制策略的专利和文献中，其大致方法分为三 类：一类是采用电压矢量定向控制（V0C)，通过旋转坐标变换，将坐标轴定向到电压矢量 上，以获得有功功率和无功功率的解耦控制，但这类算法需要坐标变换和调制解调器，其控 制参数过多难以调节；另一类是通过引入瞬时功率的概念的直接功率控制（DPC)，直接计 算整流器的有功和无功功率，通过开关查表的办法获得最优的电压矢量，但这类算法不能 保证获得的都是最优的电压矢量；第三类是直接功率控制的预测控制方法，但其有功功率 的参考值往往是通过比例积分（PI)调节器获得，往往会有积分饱和的问题，影响动态性 能。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有三相六开关整流系统控制策略的不足，本发明提出了一种三相六开 关功率变换器拓扑下带负载电流观测器的直接功率控制模型预测控制方法。该方法取代了 传统的内外环的传统串级控制结构，实现无功功率、有功功率和直流电压的同时控制，负载 电流观测器的应用使得本发明适用于各种非线性负载，不需要脉宽调制器和坐标变换，不 带PI调节器，无参数整定和积分饱和的问题。该方法适用于三相六开关驱动的各种整流 器、有源电力滤波器。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种三相整流器负载电流观测的直接功率预测 控制方法，所述方法包括：
[0006] (1)通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测出三相电流 iak，ibk，?Λ电容电压udk和线电压eabk，ej;并通过线电压计算相电压eak，ebk，e。1%上标k表 示采样时刻；
[0007] (2)通过测量的电容电压ud计算八个开关组合对应的电压矢量％~Vs当前时 刻的值，以及根据测量的三相电流iak，ibk，C计算电流矢量ξ4的值，其中八种开关组合为 000, 100, 010, 001，011，101，110, 111，根据相电压eak，ebk，eck 计算电网电压矢量高％
[0008] (3)将直流电压给定值通过低通滤波器，计算下一时刻的直流电压给定，计算 达到该给定需要的直流电容给定€i+1，在该直流电流给定的基础上，根据整流器数学模型 计算的输出的电流给定，根据该电流计算直流侧功率输入^;+1，根据能量守恒原理，计 算^
[0009] (4)设计Luenberger观测器，观测负载电流值
[0010] (5)根据整流器模型计算整流器的预测电流矢量了和电网电压矢量esk+1 ;
[0011] (6)根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Qink+1和有功功率Pink+1的预测值；
[0012] (7)根据无功功率，有功功率和电容电压的预测值求取每个电压矢量对应的代价 函数值，取使得代价函数最小1的电压矢量为最优的电压矢量；
[0013] (8)施加最优电压矢量对应的开关信号，其中电压矢量与开关信号的对应关系如 步骤⑵中相同。
[0014] 本发明的优点在于，该方法取代了传统的内外环的传统串级控制结构，实现无功 功率、有功功率和直流电压的同时控制，本发明不带PI调节器，无参数整定和积分饱和的 问题，简化了控制结构，提高了控制系统的可靠性。本发明在直接对功率变换器的开关进行 控制，不需要脉宽调制器。每一个开关周期都对八个电压矢量进行优化控制，实现了每一个 开关周期，系统都在最优的状态运行，提高了整流的系统的性能。本发明直接在静止坐标系 下进行建模和控制，无需坐标变换和电压鉴相。本发明使用的负载电流观测器使得本发明 适用于各种非线性负载的情形。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明方法适用的三相整流系统及其基本结构图；
[0016] 图2为本发明方法的控制结构框图；
[0017] 图3为本发明三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法的控制流程图。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0019] 如图1所示，本发明所涉及的是常用的三相六开关整流器。三相电网通过升压电 感分别与功率变换器的三个桥臂相连接。负载前段并联一个电容作为滤波器。负载可以是 任意非线性用电器。
[0020] 如图2所示，本发明所涉及的控制框图，以及与三相整流器与电网的连接框图，结 合附图2说明本发明采用的技术方案的原理：
[0021] 为了实现高性能的闭环控制策略，通过将给定的直流电压参考值低通滤波后，获 得下一时刻的直流电压参考值。根据该瞬时直流电压和交流侧功率守恒的关系获得有功功 率的参考值。其中，通过扩展的Luenberger观测器估算负载电流的值，将该估计值用于有 功功率参考值的计算，提升了有功功率计算的准确性和鲁棒性。无功功率参考值的获得通 过直接外部给定。
[0022] 本方案包含负载电流观测，直流电压参考值和有功功率参考值的计算，无功功率、 有功功率、直流输出电压预测，代价函数最优化四个步骤。
[0023] 首先，由于整流器的负载可以是变化和高度非线性的，为了适应应用这种场合，本 发明采用扩展的Luenberger观测器作为负载电流观测器。采用实测相电流，输出直流电压 和开关函数的值估算负载电流。
[0024] 其次，将直流电压参考值通过低通滤波器，获得瞬时的直流电压给定；通过获得的 负载电流值，依据直流侧和交流侧功率守恒的原则，获得瞬态的有功功率给定值。
[0025] 然后，通过整流器的数学模型，获得电流矢量的预测值，以此计算有功功率，无功 功率以及直流电压的预测值。
[0026] 最后，将预测的无功功率，有功功率，电容电压同参考值分别作差，求其绝对值，并 乘以相应的权重系数，相加后得到代价函数，四个电压矢量对应四个代价函数取值，将代价 函数取值的最小电压矢量对应的开关信号施加到整流器。
[0027] 通过霍尔电压传感器从三相电网中获取三相电网的交流电压，从电流霍尔传感器 中获取三相电网的相电流，从直流电压霍尔传感器中获取直流侧电容的电压。以上变量作 为控制系统的输入量参与系统控制。控制系统直接输出离散的开关信号。
[0028] 本控制系统三个部分：1、对给定进行动态设计，通过设计低通滤波器获得下一刻 直流电压的给定值，通过负载电流观测器获得负载电流的观测值，并代入整流的模型中，获 得与下一刻直流电压给定值相对应的有功功率给定，无功功率的给定直接由外部给定；2、 通过整流器的数学模型，实现整流器有功功率和无功功率预测；3、通过对预测值进行寻优 获得最优的开关状态。
[0029] 如图3所示为本发明三相整流器负载电流观测的直接功率预测控制方法的流程 图，上标代表采样时刻，*代表给定值，所述方法具体包括：
[0030] 1、将最优的代价函数Ipt初始化为一个足够大的值。
[0031] 2、通过整流系统的电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别测出三相电流 iak，ibk，?Λ电容电压udk和线电压eabk，ej;并通过线电压计算相电压eak，ebk，e。、
[0033] 上标k表示采样时刻k时的变量值。
[0034] 3、通过测量的电容电压计算八个电压矢量当前时刻的值以及电流矢量（的值；电 压矢量的计算方法，按表1所示。
[0035]
[0036]表1
[0037]