一种基于开关表的三相可控整流器模型预测控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于开关表的三相可控整流器模型预测控制方法，包括如下步骤：(1)将电网电压矢量角度分为十二个扇区，对三相可控整流器采用八个候选电压控制矢量；(2)依据三相可控整流器的电网侧有功以及无功功率随电网电压矢量角度的变化规律，确定每个扇区对应的候选电压控制矢量，生成开关表；(3)在当前时刻判定当前的电网电压矢量角度所属扇区，从开关表中提取对应的候选电压控制矢量；(4)依据提取的候选电压矢量预测下一时刻的电网侧有功以及无功功率，从中选取最佳电压控制矢量。本发明将开关表和模型预测控制算法进行结合，通过开关表排除大部分待选电压矢量，大幅度的减小计算量。
【专利说明】
-种基于开关表的H相可控整流器模型预测控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于整流器控制技术领域，更具体地，设及一种基于开关表的模型预测控 制方法。
【背景技术】
[0002] =相可控整流器可W较好的稳定直流母线电压，在负载变化的时候，直流母线电 压能够稳定在参考值附近，同时，还能够控制网侧的功率因素，实现功率因数为1运行，且产 生的电流谐波含量较小。因此，近些年来，为了提高整流器的工作效率W及性能，可控整流 正在不断取代不控整流。
[0003] =相可控整流器由于开关器件可W任意的开通W及关断，因此工作方式比较的灵 活，通过与不同控制策略相结合，能够实现不同的工作性能。整流器目前主要控制策略分为 电压定向控制W及直接功率控制。电压定向控制通过对电流dq轴分量进行解禪分为有功分 量W及无功分量，运种控制方法和电机的矢量控制方法类似。但是，dq轴电流之间存在禪 合，并不是完全的解禪，而且电流内环的参数整定会比较的复杂。因此，为了弥补电压定向 的不足，直接功率控制通过开关表代替电压定向控制的电流内环，省去了复杂的坐标变换， 同时也不存在dq轴电流之间的相互禪合，直接对整流器的有功W及无功功率进行控制，响 应速度比电压定向快。但是，由于一个开关周期内只作用一个电压矢量W及整流器的开关 表是事先选择好的不能够随着整流器的工作状况发生变化，因此直接功率控制产生的功率 波动会比较的大。
[0004] 随着微处理器的快速发展，处理器计算能力的提升，使得一些高级控制算法能够 运用到整流器当中。其中模型预测控制W其较好的控制性能，得到了大多数学者的广泛研 究。因此，为了弥补上述直接功率控制的不足，将模型预测控制和直接功率控制相结合得到 整流器的功率预测控制，运种控制算法通过在线计算得到整流器最优电压矢量，使得在任 意时刻选择出的电压矢量都是最优的，控制性能会比直接功率控制通过固定开关表选择电 压矢量得到的效果要好许多。但是由于在线计算的计算量比较的大，因此，需要性能较好的 处理器才能够实现功率预测控制算法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于开关表的模型预测 控制方法，即通过开关表将待选电压控制矢量排除一部分，从而减小由于选择最佳电压控 制矢量导致的重复计算，由于开关表只是排除一些次优的待选电压矢量，最优电压控制矢 量依然交给模型预测控制算法来选择，因此在减小计算量的同时，仍然能够保证选择的电 压控制矢量在任何时刻为最优。
[0006] 为实现上述目的，一种基于开关表的=相可控整流器模型预测控制方法，包括如 下步骤：
[0007] (1)将电网电压矢量角度分为十二个扇区，对=相可控整流器采用八个候选电压 控制矢量；
[0008] (2)依据=相可控整流器的电网侧有功W及无功功率随电网电压矢量角度的变化 规律，结合有功W及无功功率与参考值的比较结果，确定每个扇区对应的候选电压控制矢 量，生成开关表；
[0009] (3)在当前时刻，判定当前的电网电压矢量角度所属扇区，并根据当前的有功W及 无功功率与参考值比较结果，从开关表中提取对应的候选电压控制矢量；
[0010] (4)依据提取的候选电压矢量预测下一时刻的电网侧有功W及无功功率，从中选 取最接近电网侧有功W及无功功率参考值对应的候选电压控制矢量作为最佳电压控制矢 量。
[0011] 进一步地，所述=相可控整流器的电网侧有功W及无功功率随电网电压矢量角度 的变化规律表示为：
[0012]
[0013] 其中，dp为电网侧有功功率的变化率，dq为电网侧无功功率的变化率；0为电网合 成矢量角度，候选电压控制矢量Vi在a轴的分1
，候选电压控制矢量Vi在e轴的分 量
= …，7，电压矢量模i
,Vdc为直流母线电压。
[0014] 进一步地，所述开关表如下表所示：
[001J [001 < 乏矢 量角
[0017] 进一步地，所述步骤(4)依据提取的候选电压矢量预测下一时刻的电网侧有功W 及无功功率的具体实现方式为：
[001 引
[0019] 其中：当前时刻的有功功率PkW及无功功率Qk表示关
Vak和 化k为当前电网电压矢量地轴分量;Viak和ViPk为当前时刻电压控制矢量在a、0轴的分量;Ls为 网侧电感；《为电网的角频率;Rs为网侧电阻;Ts为采样周期。
[0020] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，具有W下有益效 果：
[0021] 1、在线计算选择最佳电压控制矢量，由于直接功率所采用的开关表是固定的，开 关表中的电压矢量不能够满足整流器在任意工作状况下都是最优的，因此模型预测控制算 法选择出的电压控制矢量较直接功率控制方法更加准确，得到的控制性能也会更优。
[0022] 2、将模型预测控制算法和开关表相结合，通过开关表预排除掉一些待选电压控制 矢量，在保证选择出的电压控制矢量是最优的同时，使得待选电压控制矢量的数目减小，从 而减小模型预测控制算法的计算量。
【附图说明】
[0023] 图1是整流器的原理图；
[0024] 图2是整流器有功功率变化图；
[0025] 图3是整流器无功功率变化图；
[00%]图4是本发明控制方法流程图；
[0027] 图5是本发明基于开关表的模型预测控制框图。
【具体实施方式】
[0028] 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设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。
[0029] 首先对主要技术要点进行详细说明：
[0030] A、待选电压控制矢量Vi
[0031] 本发明将电网电压矢量角度分为十二个扇区，对=相可控整流器采用八个候选电 压控制矢量。由于整流器有8种开关状态，对应8种不同的待选电压控制矢量Vi取值如下表 所示：
[0032]
乂"
[0033] 其中，Vi表示电压控制矢量，i = 0,…，7, &为整流器S相桥臂的开关状态，Via和 A- Vie分别表示Vi在a轴和0轴的分量，Vd。为直流母线电压。
[0034] B、预测下一时刻的电网侧有功W及无功功率
[0035] 整流器S相坐标系下的数学模型如下：
[0036]
(1)
[0037] 其中 3整流器=相桥臂的开关状态；为电网侧=相电 .心 \。- 压；？6为电网侧立相电流;Vd。为直流母线电压;Ls为网侧电感;Rs为网侧电阻;VnN为网侧中 山_ 性点和直流母线负极性点之间的电压如图1所示。
[0038] 由于整流器电网侧为对称=相电压源，可得：
[0039]
巧）
[0040] 联立式（I)和式(2)可W得到：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] ]矢量形式表达：
[0045]
[0046]
[0047]
[004引
[0049]
[0050] 标系下的表达式：
[0化1 ]
[0化2] 求导可得：
[005；3] (9)
[0054]由于式(9)当中有电压和电流的变化量，而运些量难W直接测量，因此有必要求出 在邮坐标系下由圧巧由流的巧化量，而由公式(5)可得电流的变化率为：
[00 对
(10)
[0056]假定网侧电压幅值和频率恒定，电网合成矢量将会W恒定幅值和角速度在空间旋 转，那么在邮坐标系下的电网电压变化率将会有如下关系：
[0057]
CU)
[005引其中：O为电网的角频率。
[0059] 将式（10)和（11)带入到式(9)当中可W得到不含有电压和电流变化量的有功W及 无功变化率的表达式：
[0060] 2)
[00W] ^为： (13)
[0062]
[0063]
[0064] 根据上表可知，Via和Vie-共有8种不同的取值。将运8种不同的取值带入到公式 (13)中预测下一时刻的有功和无功功率。
[00化]C、生成开关表
[0066] 假定电网电压合成矢量Vs在一很短的采样周期内保持不变。那么公式(9)可W简 化为：
[0067]
[0068] 4得到有功P和无功Q的变化率如下所示：
[0069] (16)
[0070] 其中：dp为电网侧有功功率的变化率，dq为电网侧无功功率的变化率；0为电网合 成矢量角度，候选电压控制矢量Vi在a轴的分i
I候选电压控制矢量Vi在P轴的分 量
ii' = 〇，'"，7，甫压矢量模值I
..，Vd。为直流母线电压。
[0071] 根据式（16)可知整流器有功和无功的变化率与整流器合成的电压矢量W及网侧 电压相位有关。为了便于分析得到较为精确的开关表，将式（16) W图形的方式表现出来，如 图2和3所示。
[0072] 图2和3当中的X轴代表电网合成矢量与a轴的角度，y轴代表有功W及无功的变化 值，矢量Vi(i = 〇，l-'7)代表整流器所能产生的8种不同待选电压控制矢量，0i(i = l，2-'12) 代表根据电网合成矢量与a轴的角度划分的12个不同的扇区。
[0073] 假定Sp为有功功率的迟滞比较结果，Sq为无功功率迟滞比较结果。为了使直流母线 电压稳定在参考值附近，同时维持电网的功率因素始终为1。就必须要使得有功功率跟踪参 考值，无功功率维持为0。因此，当电网电压合成矢量处在第1扇区，有功小于给定值W及无 功小于零时，Sp和Sq值为1。为了让有功增加，应当选取图2扇区1中大于0的电压矢量:V4，V5， ￥6，￥3，￥0，￥7;同时为了让无功增加，应当选取图3扇区1中大于0的电压矢量:￥3，￥2，￥4，￥0， V7。那么，能够使得有功和无功均增加的矢量应该为:￥3，￥4，￥0，￥7。因此，在此种情况下开 关表中的矢量应该为:V3，V4，VO，V7。将整流器所有工作情况考虑进去，可W得到开关表如 下所示。
[0074]
[0075] D、目标函数
[0076] 为了选择出最佳的电压控制矢量，从候选电压控制矢量选取最接近电网侧有功W 及无功功率参考值对应的候选电压控制矢量作为最佳电压控制矢量。
[0077] 实际应用时，可构造一个目标函数来进行选择，使得目标函数值最小的待选电压 控制矢量为最佳电压控制矢量。作为示例，本发明构造的目标函数如下所示：
[007引 g=(p*-Pk")2+(Q*-Qk+i)2 (14)
[0079] 其中:P勺日护为有功和无功的参考值，Pw和Qk+i为有功和无功的预测值。
[0080] 请参见图4,本发明一种基于开关表的模型预测控制方法，具体包括W下步骤：（1) 将电网电压矢量角度分为十二个扇区，对=相可控整流器采用八个候选电压控制矢量；
[0081] (2)依据=相可控整流器的电网侧有功W及无功功率随电网电压矢量角度的变化 规律，结合有功W及无功功率与参考值的比较结果，确定每个扇区对应的候选电压控制矢 量，生成开关表；
[0082] (3)在当前时刻，判定当前的电网电压矢量角度所属扇区，并根据当前的有功W及 无功功率与参考值比较结果，从开关表中提取对应的候选电压控制矢量；
[0083] (4)依据提取的候选电压矢量预测下一时刻的电网侧有功W及无功功率，从中选 取最接近电网侧有功W及无功功率参考值对应的候选电压控制矢量作为最佳电压控制矢 量。
[0084] 基于开关表的模型预测控制框图如图5所示。和模型预测控制相比，本发明改进后 的算法通过开关表减少待选电压控制矢量数目，由原来8个电压矢量减小到最多4个电压矢 量，减小了一半W上的重复计算量。改进后的控制策略本质为模型预测控制，选择最佳电压 控制矢量过程与前面所述类似，只不过通过开关表来排除一些待选电压控制矢量。由于开 关表只会排除次优的电压矢量，并不会将最优电压控制矢量排除掉，因此，能够保证所选择 的电压矢量为最优电压控制矢量。总之，改进后的算法能够在不影响算法性能的前提下，减 小模型预测控制算法的计算量。
[0085] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于开关表的Ξ相可控整流器模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将电网电压矢量角度分为十二个扇区，对Ξ相可控整流器采用八个候选电压控制 矢量； (2) 依据Ξ相可控整流器的电网侧有功W及无功功率随电网电压矢量角度的变化规 律，结合有功W及无功功率与参考值的比较结果，确定每个扇区对应的候选电压控制矢量， 生成开关表； (3) 在当前时刻，判定当前的电网电压矢量角度所属扇区，并根据当前的有功W及无功 功率与参考值比较结果，从开关表中提取对应的候选电压控制矢量； (4) 依据提取的候选电压矢量预测下一时刻的电网侧有功W及无功功率，从中选取最 接近电网侧有功W及无功功率参考值对应的候选电压控制矢量作为最佳电压控制矢量。2. 根据权利要求1所述的Ξ相可控整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述Ξ相可 控整流器的电网侧有功W及无功功率随电网电压矢量角度的变化规律表示为：其中，dp为电网侧有功功率的变化率，dq为电网侧无功功率的变化率；Θ为电网合成矢 量角度，候选电压控制矢量Vi在α轴的分量候选电压控制矢量VI在β轴的分量，二-化…，7，电压矢量模值Kk，Vdc为直流母线电压。3. 根据权利要求2所述的Ξ相可控整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述开关表 如下表所示：.，目1 ,目2 ,…目11 ,目12依次表不电网电压矢 量角度的十二个扇区4.根据权利要求1或2或3所述的Ξ相可控整流器模型预测控制方法，其特征在于，所述 步骤(4)依据提取的候选电压矢量预测下一时刻的电网侧有功W及无功功率的具体实现方 式为：其中：当前时刻的有功功率PkW及无功功率Qk表示为；Vak和化k为 当前电网电压矢量αβ轴分量;Viak和ViPk为当前时刻电压控制矢量在α、β轴的分量;Ls为网侧 电感；ω为电网的角频率;Rs为网侧电阻;Ts为采样周期。
【文档编号】H02M7/219GK105846699SQ201610185735
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】徐伟, 邹剑桥, 穆朝絮, 叶才勇
【申请人】华中科技大学