一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法

文档序号:9827815阅读:625来源:国知局
一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种矩阵变换器,尤其涉及一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测 控制方法,该方法同样适用于传统矩阵变换器,属于矩阵变换器控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 矩阵变换器(Matrix Converter,MC)是一种直接AC-AC功率变换器,具有正弦输 入/输出、能量可双向流动、结构紧凑无需直流储能元件和可靠性高的优点,被认为是传统 AC-AC变换器的一种具有发展前景的替代品。本发明研究的MC拓扑为间接式矩阵变换器 (Indirect Matrix Converter,IMC)。典型的IMC应用结构如图1所示,主要包括电源、输入 侧LC滤波器、变换器主电路、负载、反馈检测及控制电路。
[0003] 相对于传统的AC-AC变换器,矩阵变换器的开关数量较多,而且输入和输出相互耦 合,其调制和控制策略复杂得多。研究人员为此提出了多种方案。如Venturini算法、载波调 制、空间矢量调制(SVM)、直接转矩控制等。其中,SVM是迄今为止在实际的矩阵变换器系统 中应用最为广泛的一种方法。它在每个采样周期内,选择多个基本矢量合成期望的输入电 流和输出电压矢量。它以较低的采样频率和开关频率,就能产生正弦的输入和输出波形,具 有较大的实用价值。
[0004] 随着数字处理器的快速发展,SVM受到了预测控制的挑战。预测控制的原理简单、 易于理解、动态性能快,适用于不同种类的功率变换器。预测控制已被广泛应用于MC系统 中,通过设计合适的指标函数,十分容易控制输入无功功率、提升效率、减小共模电压等。因 而被认为是一种非常有发展前景的MC控制方法。
[0005] 然而,MC目前常采用的预测控制存在如下两方面问题。一方面,MC的输入侧一般采 用预测无功功率控制,而输出侧采用预测电流/转矩控制。为了保证良好输出性能的同时提 高输入性能,已有控制策略需要在指标函数中设定输入无功功率偏差的权重。增大权重有 助于提高输入性能,但可能降低输出性能。为获得较好的折中效果,需根据经验调整权重系 数。而且,不同的工作条件下,最佳的权重系数不同,这增加了控制策略的实现难度。
[0006] 另一方面,相对于SVM等已有调制算法,预测控制容易引起输入滤波器振荡,电源 电流波形质量较差。无源阻尼控制和有源阻尼控制均可解决这一问题,其中有源阻尼不增 加功率损耗和电源电流中的高次谐波,因此具有较大的应用价值。已有预测控制将经过高 通滤波后的输入电压注入到输出电流dq分量的给定值中,有源阻尼控制的完全实现要求对 输入侧和输出侧的控制变量同时进行修正。因此已有有源阻尼控制方法虽然能够在一定程 度上能够抑制振荡,但并未完全实现有源阻尼,降低了抑制效果。

【发明内容】

[0007] 本发明所要解决的技术问题是:提供一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控 制方法,对负载有功功率、无功功率和输入无功功率进行预测,并选择使预测值与它们的给 定值之间的误差绝对值之和(即指标函数)最小的MC开关状态,从而获得较好的输入和输出 电流性能;另外,对输入无功功率和负载有功功率的给定值同时进行修正,完全实现了有源 阻尼,抑制了输入滤波器的振荡。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0009] -种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法,包括如下步骤:
[0010] 步骤1,采集第k个周期矩阵变换器的输出电流i〇[k]和负载电压udk]的值,根据i。
[k]和udk],预测出第k+2个周期内负载有功功率的平均值^ [U2j和负载无功功率的平均 值心[奸2];
[0011] 步骤2,采集第k个周期的电源电压us[k]和电源电流Uk],以及矩阵变换器的输入 电压m[k]的值,根据 Us[k]、is[k]和m[k],预测出第k+2个周期内输入无功功率的平均值
[0012] 步骤3,对负载有功功率和输入无功功率的给定值进行修正,产生修正后的给定 值,利用修正后的给定值和无需修正的负载无功功率的给定值,以及步骤1和步骤2得到的 平均值,计算指标函数,选择使指标函数的值最小的开关脉冲作用对矩阵变换器进行有源 阻尼预测控制;所述指标函数g的计算公式为:
[0013]
[0014] 其中,λρ?、λ<^和Aqi分别为权重系数,且取值均为1,O ?{分别为修正后负载有功 功率和输入无功功率的给定值,为无需修正的负载无功功率给定值。
[0015] 优选的,所述修正后负载有功功率和输入无功功率的给定值g'的计算公式分 别为你其中,Re( ·)和Im( ·)分别表示实部和虚部,Ui为矩 阵变换器的输入电压,上标c表示共辄,ivd为阻尼电流,^、这分别为负载有功功率、输入 无功功率的给定值。
[0016] 优选的,所述阻尼电流ivd的表达式为:
其中,j为虚数单 位,ω s为电源电压频率,Lfi为滤波电感,Rvd为虚拟阻尼电阻,Lvf为虚拟滤波电感,Us为电源 电压,电源电流is = + ,<、分别为负载有功功率、输入无功功率的给定值。
[0017] 优选的,所述第k+2个周期内负载有功功率的平均值负载无功功率的平 均值匕[丨+2]和输入无功功率的平均值^ |>+2]的计算公式为:
[0018]
[0019]其中,PL[k+l]、qL[k+l]和qi[k+l]分别为第k+Ι个周期结束时负载有功功率、负载 无功功率和输入无功功率的值,R[k+2]、qL[k+2]和qi[k+2]分别为第k+2个周期结束时负载 有功功率、负载无功功率和输入无功功率的值。
[0020]优选的,所述pL[k+l]、qL[k+l]、qi[k+l]、piik+2]、qL[k+2]和qi[k+2]的计算公式 为:
[0021]
[0022] qi[k+l ] = Φ iqi[k]+Γ i[qiis[k] qUis[k] ]T,qi[k+2] = Φ iqi[k+l ]+Γ i[qiis[k+l ] qUis[k+l]]T;
[0023] 其中,[k]、[k+l]、[k+2]分别表示第k、k+l、k+2个周期的值,pL、qL、 qi分别为负载有 功功率、负载无功功率和输入无功功率的值,κ , η =』/丨,Φρ+ ,
y ·)和Im( ·)分别表示实部和虚部,I为单位矩阵,Ts为采样时间,
其中,Lfi为输入滤波电感, Rf i为输入滤波电阻,Cf i为输入滤波电容,Rf。为输出滤波电阻,Lf。为输出滤波电感,Cl为负载 电容,Rl为负载电阻,ii为输入电流,Ui为输入电压,is为电源电流,Us为电源电压,i。为输出 电流,u。为输出电压,U 1为负载电压,上标c、T分别表示共辄、转置。
[0024] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
[0025] 1、本发明所提出的矩阵变换器预测控制,对功率进行直接控制,且选择第k+2个开 关周期的负载有功功率和无功功率、输入无功功率平均值进行计算评价(指标)函数,即可 补偿数字控制器的延时作用并提高控制精度。
[0026] 2、本发明所提出的矩阵变换器预测控制,将有功和无功偏差的权重系数均设为1, 即使输出频率发生改变,也可获得较好的输入电流和输出电流、负载电压波形,无需根据经 验对权重系数进行调整。
[0027] 3、本发明所提出的有源阻尼控制,根据虚拟阻尼电流对输入无功功率和负载有功 功率的给定值修正,即可精确实现有源阻尼控制,从而抑制LC滤波器振荡;当负载为无源负 载时,所提出的预测控制技术只能间接控制负载电压和频率,因此负载电压和频率存在控 制误差,而这可通过提高预测控制的控制精度改善;当负载为电压源等有源负载时,无需控 制负载电压和频率,因此所提控制方法将具有较好的适用性和较高的理论研究意义。
【附图说明】
[0028]图1是矩阵变换器的典型应用结构图。
[0029]图2是本发明所提的系统结构及控制框图。
[0030]图3(a)-图3(b)分别是目前已有的及本发明采用的输入有源阻尼控制方法的等效 电路图。
[0031 ]图4是Lvf = 2mH,Rvd由1 Ω增大到100 Ω时,Gis (s)的幅频特性图。
[0032] 图5是Rvd=16Q,Lvf由O.lmH增大到IOmH时,G is(S)的幅频特性图。
[0033]图6是无阻尼控制时,电源电流(isA)、电源电压(usA)、输出电流(Lu)和负载电压 (UUI)的波形图。
[0034] 图7(a)-图7(d)是有源阻尼控制时,负载电压幅值给定值仇/为75V,输出频率f。设 为80Hz的实验结果图,其中,图7(a)是电源电流(i sA)、电源电压(Usa)、输出电流(iou)和负载 电压(Ulu)的波形;图7(b)是isA的谐波分布;图7(c)是^的谐波分布;图7(d)是Ulu的谐波分 布。
【具体实施方式】
[0035] 下面详细描述本发明的实施方式,下面通过参考附图描述的实施方式是示例性 的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
[0036]本发明提出的系统控制结构如图2所示,由图可得输出电流i。和负载电压α的微分 方程为:
[0037] (1).
[0038] (2)
[0039]负载的瞬时视在功率&表达
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