双矢量模型预测直接功率控制方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种双矢量模型预测直接功率控制方法，包括：得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号、电网侧电流信号以及电网侧电压延迟信号；解析计算得到当前时刻有功功率瞬时值、新型无功功率瞬时值，并预测下一时刻的有功功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值；计算得到有功功率给定值和新型无功功率给定值；经过评估函数得到最优的电压矢量；计算得到有效矢量的作用时间；由一个周期内合成的双矢量得到相应的驱动信号对开关管进行驱动；本发明还公开了一种双矢量模型预测直接功率控制装置。本发明所提供的双矢量模型预测直接功率控制方法及装置，具有无需旋转坐标变换，计算量小、容易实现、鲁棒性好等特点。
【专利说明】双矢量模型预测直接功率控制方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子【技术领域】，特别是指一种双矢量模型预测直接功率控制方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 模型预测直接功率控制无需坐标旋转变换，具有算法简单、动态响应快、功率脉动 小以及鲁棒性好等优点而被广泛接受。而模型预测直功率控制在理想电网下有着较为深入 的研究，但在实际电网中由于负载不平衡以及电网故障等因素均会引起电网电压不对称； 如果沿用传统模型预测直接功率控制的方法会使网侧电流出现大量谐波，直流母线电压和 网侧功率出现二倍频波动等，严重影响系统的性能；然而没有关于模型预测直接功率控制 应用到电网电压不平衡的相关报道。文献《Modeling and analysis of instantaneous active and reactive power for pwm ac/dc converter under generalized unbalanced network》把新型无功功率应用到V0C框架，但是它依然需要对电网电压和电网电流进行正 负序分角军；文献〈〈Control of three-phase PWM rectifier in stationary frame under unbalanced input voltage》做了一定的改进，不需要对电网电压和电网电流进行正负序 分解，但是它需要一个比例谐振器（PR)对电流进行控制。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提出一种双矢量模型预测直接功率控制方法及装 置，这种改进的双矢量模型预测直接功率控制既可以在理想电网下运行同时也可以在电网 电压不平衡情况下良好运行。
[0004] 基于上述目的本发明提供的双矢量模型预测直接功率控制方法，包括：
[0005] 将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号以 及电网侧电流信号；进一步通过1/4周期延迟函数得到电网侧电压延迟信号；
[0006] 根据得到的在静止两相坐标上的电网侧电压信号和电网侧电流信号以及电网侧 电压延迟信号，解析计算得到当前时刻有功功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值；并预测 下一时刻的有功功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值；
[0007] 计算得到控制目标为消除有功和新型无功的二倍频波动及网侧电流正弦的有功 功率给定值和新型无功功率给定值分别为传统的有功功率给定值和无功功率给定值；
[0008] 由下一时刻的有功功率瞬时值和新型无功功率瞬时值以及计算得到的有功功率 给定值和无功功率给定值，经过评估函数得到最优的电压矢量，该电压矢量为双矢量中的 有效矢量；
[0009] 以有功功率和新型无功功率脉动最小为控制目标计算得到有效矢量的作用时间， 其余时间为零矢量作用时间；由一个周期内合成的双矢量得到相应的驱动信号对开关管进 行驱动。
[0010] 在一些实施方式中，所述将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标 上的电网侧电压信号以及电网侧电流信号；进一步通过1/4周期延迟函数得到电网侧电压 延迟信号的步骤之前还包括：
[0011] 利用电压LEM传感器和电流LEM传感器采样整流器直流侧电压、电网侧电压和电 网电流；
[0012] 所述将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信 号以及电网侧电流信号；进一步通过1/4周期延迟函数得到电网侧电压延迟信号的步骤 中：
[0013] 将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号以 及电网侧电流信号，具体表达式为：
【权利要求】
1. 一种双矢量模型预测直接功率控制方法，其特征在于，包括： 将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号以及电 网侧电流信号；进一步通过1/4周期延迟函数得到电网侧电压延迟信号； 根据得到的在静止两相坐标上的电网侧电压信号和电网侧电流信号以及电网侧电压 延迟信号，解析计算得到当前时刻有功功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值；并预测下一 时刻的有功功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值； 计算得到控制目标为消除有功和新型无功的二倍频波动及网侧电流正弦的有功功率 给定值和新型无功功率给定值分别为传统的有功功率给定值和无功功率给定值； 由下一时刻的有功功率瞬时值和新型无功功率瞬时值以及计算得到的有功功率给定 值和无功功率给定值，经过评估函数得到最优的电压矢量，该电压矢量为双矢量中的有效 矢量； 以有功功率和新型无功功率脉动最小为控制目标计算得到有效矢量的作用时间，其余 时间为零矢量作用时间；由一个周期内合成的双矢量得到相应的驱动信号对开关管进行驱 动。
2. 根据权利要求1所述的双矢量模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述将电 网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号以及电网侧电流 信号；进一步通过1/4周期延迟函数得到电网侧电压延迟信号的步骤之前还包括： 利用电压LEM传感器和电流LEM传感器采样整流器直流侧电压、电网侧电压和电网电 流； 所述将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号以 及电网侧电流信号；进一步通过1/4周期延迟函数得到电网侧电压延迟信号的步骤中： 将电网侧电压和电流通过3/2变换得到在静止两相坐标上的电网侧电压信号以及电 网侧电流信号，具体表达式为：
其中，ea、ee分别为静止α相坐标和β相坐标上 的电网侧电压信号；
其中，ia、ie分别为静止a相坐标和β相坐标 ， 上的电网侧电流信号； 进一步通过延迟1/4周期得到电网侧电压延迟信号，具体表达式为：
其中τ为一个工频周期，对于50Hz电网来说为0. 02s。
3. 根据权利要求2所述的双矢量模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述根据 得到的在静止两相坐标上的电网侧电压信号和电网侧电流信号以及电网侧电压延迟信号， 解析计算得到当前时刻有功功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值；并预测下一时刻的有功 功率瞬时值以及新型无功功率瞬时值的步骤中，有功功率瞬时值和传统无功功率瞬时值的 表达式为：
新型无功功率瞬时值的表达式为：
4. 根据权利要求3所述的双矢量模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述计算 得到控制目标为消除有功和新型无功的二倍频波动及网侧电流正弦的有功功率给定值和 新型无功功率给定值分别为传统的有功功率给定值和无功功率给定值的步骤中： 有功功率给定值为给定直流电压与PWM整流器直流侧电压之差经过PI调节器并乘上 PWM整流器直流侧电压，具体表达式为：
无功功率给定值QMf设为零。
5. 根据权利要求4所述的双矢量模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述评估 函数为：g = I PIef-Pk+1| +1 QIef-Qn°v'k+1|，
其中！；表示控制周期；对于两电平变换器中的每个电压矢量，通过上面两个式子可以 得到相应的下一时刻有功功率瞬时值和下一时刻新型无功功率瞬时值，进一步代入评估函 数可以得到一个评估函数值；通过对所有电压矢量进行以上处理步骤，最终得到使评估函 数最小的电压矢量即为最优电压矢量。
6. 根据权利要求5所述的双矢量模型预测直接功率控制方法，其特征在于，以有功功 率以及新型无功功率脉动最小为控制目标计算得到有效矢量的作用时间的步骤中，所述有 效矢量作用时间的表达式为：
其中，Sl和s2表示任意时刻时有效矢量和零矢量的有功功率的变化率，sn和s 22表示 任意时刻时有效矢量和零矢量的新型无功功率的变化率，分别表示如下：
其中，是任意时刻通过评估函数选取的最优电压矢量；t。#为下一个控制周期内的 最优电压矢量首先作用时间，其余时间则分配给零矢量作用，在各自时间内分别发出对应 电压矢量的开关管驱动脉冲。
7. -种采用如权利要求1-6任意一项所述的双矢量模型预测直接功率控制方法的双 矢量模型预测直接功率控制装置，其特征在于，包括依次连接的三相电压源、三相滤波电 感、整流桥主电路、直流侧电容、负载；以及，分别从三相电压源输出端及三相滤波电感输出 端进行电压、电流采样的电压电流采样电路，对电压电流采样电路的电压电流数据进行运 算控制的DSP控制器，驱动电路； 其中，所述电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集三相网 侧交流电压、交流电流和整流器直流侧电压，经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为 数字信号；DSP控制器完成如权利要求1-6任意一项所述的双矢量模型预测直接功率控制 方法的运算，输出六路PWM脉冲，然后经过驱动电路后得到整流器的六个开关管的最终驱 动信号。
【文档编号】H02M7/5387GK104143932SQ201410363911
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】张永昌, 曲昌琦 申请人:北方工业大学