一种三相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于整流领域，具体涉及一种Η相四开关功率变换器拓扑下直接功率控制 的模型预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，W由六开关Η相全控型电力电子器件组成的整流器，由于其可W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，W及变频调速等系统中得到了广泛 的应用。送其中，变换器能量密度高，电力电子器件又相对"脆弱"，一旦变换器某只功率管 发生开路或短路故障，整个系统便丧失了正常工作的能力，甚至发生灾难性后果，尤其是不 间断电源的应用场合。
[0003] 随着对整流器系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时容错控制受到高度重视， 然而大部分整流系统不配备兀余备份，送使得无兀余的Η相四开关容错拓扑结构受到更大 的关注。在Η相六开关整流器一相功率管故障W后，可W将该桥臂接入电容中性点，恢复系 统功能。Η相四开关整流器为Η相六开关的整流器提供了一套无兀余的容错方案。在众多 针对Η相四开关整流系统控制策略的专利和文献中，其大致方法分为两类；一类是假定直 流电容电压是恒定不变的，在此基础上设计控制算法，由于电网的一相直接接到了电容中 性点，相电流的流动会导致电容电压的波动和漂移，因此送类方法并不能用于实际系统；另 一类是针对电容电压波动和漂移基于一些稳态假定设计的控制算法，但是送种算法一般是 稳态的控制策略，其在电压调节的动态性能较差。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有Η相四开关整流系统控制策略的不足，本发明提出了一种Η相四开 关功率变换器拓扑下直接功率控制的模型预测控制方法。该方法能在电容电压波动的情况 下，实现高性能的无功功率和有功功率的闭环控制，而且还能抑制电容电压的漂移，不需要 脉宽调制器和坐标变换。该方法适用于Η相四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Η相四开关功率变换器拓扑下直接功率控 制的模型预测控制方法，具体包括：
[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Η相电 流?Λ ibk，i。·%电容电压ιιΛ心和电网相电压egtk ;并通过线电压计算电网相电压 egk，eb", e。"；
[0007] 似通过测量的电容电压<，心计算四个电压矢量￥1，￥2，乂3，乂4当前时刻的值，通 过电网相电压θΛ ebk，e.k计算电压矢量之％通过相电流igk，ibk，C计算电流矢量f的值，其 中四种开关组合为00, 10, 11，01 ;
[000引 做根据整流器的数学模型，预测四个电压矢量k+1时刻对应电流矢量和电网 电压矢量焉;;
[000引 （4)根据该预测电流计算出k+1时刻无功功率Qmk"和有功功率Pmk"的预测值；
[0010] (5)通过整流器数学模型将电容电压的均压控制转化为对中性点连接相的电流控 制；
[0011] (6)根据无功功率，有功功率和中性点连接相电流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Jl的电压矢量为最优的电压矢量；
[0012] (7)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 步骤似中相同。
[0013] 本发明的优点在于，在电容电压波动的情况下，能够实现Η相四开关整流器的无 功功率和有功功率的闭环控制，实现功率因数可控，总谐波崎变率在5% W内（国家标准） 正弦的输入电网电流。在不对称的功率变换器拓扑下，实现了Η相电网电流的均衡控制。在 控制上，实现了抑制电容电压的漂移，提升了送类系统的可靠性。同时本发明直接控制功率 变换器开关，不需要脉宽调制器，简化了控制结构。本方法在静止坐标系下完成，无需鉴相 和坐标变换，简化了控制算法。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明方法适用的Η相四开关整流系统及其基本结构图；
[0015] 图2为本发明方法的控制结构框图；
[0016] 图3为本发明Η相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法的控制流程 图。
【具体实施方式】
[0017] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W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W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W相互组合。
[0018] 如图1所示，本发明所涉及的是Η相整流系统的电网，功率变换器结构和直流用 电器的连接模型。Η相电网通过直流升压电感和逆变器相连，整流器Η相中的两相接正常 的开关桥臂，第Η相接直流侧的电容中性点。
[0019] 如图2所示，本发明所涉及的控制框图，W及与Η相四开关与电网的连接框图，结 合附图2说明本发明采用的技术方案的原理：
[0020] 为了实现高性能的闭环控制策略，电压外环控制采用传统的比例积分控制器获得 转矩的给定值，电流内环控制采用模型预测直接功率控制器，本方案包含实时电压矢量更 新，无功功率、有功功率、电容电压预测，代价函数最优化Η个步骤。
[0021] 首先，电容电压的波动会导致整流器的电压矢量在相角和幅值上产生偏移，从而 导致很大的模型误差，使得预测控制失效。本发明根据测量的电容电压值，实时更新四个电 压矢量的幅值和相位，克服电容电压波动对控制算法的影响。
[0022] 其次，利用整流器的数学模型，将当前四种开关状态对应的四个电压矢量一一代 入模型中，预测不同电压矢量下的下一采样周期的有功功率，无功功率，将对电容电压漂移 的抑制转化为对接电容中性点相电流的控制。
[0023] 最后，将预测的无功功率，有功功率，电容电压抑制相同参考值分别作差，求其绝 对值，并乘W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。
[0024] 通过霍尔电压传感器从Η相电网中获取Η相电网的交流电压，从电流霍尔传感器 中获取Η相电网的相电流，从直流电压霍尔传感器中获取两个直流侧电容的电压。W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，简化了控制 结构。本控制系统分为内外两个控制环；外环为传统的ΡΙ调节器，实现直流电压输出的闭 环控制，并通过速度调节器产生有功功率的给定；内环为模型预测控制器，实现整流器有功 功率和无功功率的闭环控制，同时在内环也实现了电容电压漂移的抑制。
[00巧]如图3所示，为本发明Η相四开关整流器直接功率控制的模型预测控制方法的控 制流程图，如图所示，所述方法包括：
[0026] (1)初始化将代价函数g初始化为一个足够大的值。
[0027] 似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Η相电流 ?Λ北C，电容电压<，心和线电压eabk，eaek ;并通过线电压计算电网相电压θΛ ebk，e。·%标 k表示采样时刻。
[0030] 上标k