基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法与流程

技术特征：

1.一种基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述矩阵变换器包括前级三相整流电路、中间级三次谐波注入电路和后级三级逆变电路；所述控制方法包括：

根据三相输入电源电流获取在k时刻时三次谐波注入电流的参考值；根据负载需求获取在k时刻时后级三相逆变电路的输出电流参考值；

利用拉格朗日外推法估计k+1时刻的三次谐波注入电流参考值i_y*(k+1)和三相逆变电路输出电流参考值i_o*(k+1)；

根据采样k时刻的三相输入电源电压u_i(k)、三相输入电源电流i_i(k)、直流母线电压u_dc(k)、三次谐波注入电流i_y(k)和三相逆变电路的输出电流i_o(k)计算当前时刻的三次谐波注入电流和三相逆变电路输出电流；

将所述三次谐波注入矩阵变换的模型进行离散化，根据离散化模型预测出三次谐波注入矩阵变换器的每一种开关状态在k+1时刻的三次谐波注入电流i_y(k+1)和三相逆变电路输出电流i_o(k+1)；

计算每一种开关状态的代价函数值，选择代价函数值最优的一组开关状态作为下一时刻三次谐波注入矩阵变换器的开关状态。

2.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述三次谐波注入矩阵变换器的模型包括前级三相整流电路、中间级三次谐波注入电路和后级三级逆变电路的数据模型；

所述前级三相整流电路包括滤波电路和三相桥式整流电路，所述滤波电路的空间状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{fi}\frac{{\mathrm{di}}_i}{dt}=u_{si}-R_{fi}-u_i\\ C_{fi}\frac{{\mathrm{du}}_i}{dt}=i_i-i_{ri}\end{array}\right.;$

式中，R_fi表示滤波电感等效串联电阻；u_si＝[u_sa u_sb u_sc]^T表示三相输入电源电压；i_i＝[i_a i_b i_c]^T表示滤波电路输出电流；u_i＝[u_a u_b u_c]^T表示三相整流电路的输入电压；i_ri＝[i_ra i_rb i_rc]^T表示三相整流电路的输入电流；C_fi＝[C_fa C_fb C_fc]^T表示滤波电路电容；L_fi＝[L_fa L_fb L_fc]^T表示滤波电路电感；R_fi＝[R_fa R_fb R_fc]^T表示滤波电感等效电阻；

所述三相桥式整流电路的输入电流的开关函数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{ra}=S_{a+}{i}_p-S_{a-}{i}_n-S_{ay}{i}_y\\ i_{rb}=S_{b+}{i}_p-S_{b-}{i}_n-S_{by}{i}_y\\ i_{rc}=S_{c+}{i}_p-S_{c-}{i}_n-S_{cy}{i}_y\end{array}\right.;$

式中，S_a+，S_b+，S_c+为三相桥式整流电路上桥臂三个开关的开关函数；S_a-，S_b-，S_c-为三相桥式整流电路下桥臂三个开关的开关函数；S_ay，S_by，S_cy是三次谐波注入三个开关的开关函数；i_y是三次谐波注入电流；i_p是直流母线正向电流，i_n是直流母线负向电流；

直流母线电压开关函数方程为：

u_dc＝S_a+u_a+S_b+u_b+S_c+u_c；

式中，u_dc为直流母线电压。

3.根据权利要求2所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述中间级三次谐波注入电路作为该三次谐波注入矩阵变换器的节点，该节点电流方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_p=S_{y+}{i}_p+i_{dc}\\ i_p=i_y+i_n\end{array}\right.;$

式中，i_dc表示后级三相桥式逆变电路的输入直流电流。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，三次谐波注入电流作为前级三相桥式整流电路的被控对象，谐波注入电感L_y的状态方程为：

$\frac{{\mathrm{di}}_y}{dt}=\frac{1}{L_y}\[S_{y+}{u}_{dc}-(S_{ay}{u}_a+S_{by}{u}_b+S_{cy}{u}_c)\];$

式中，S_y+表示双buck半桥电路中开关管的开关函数。

5.根据权利要求3所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，三相桥式逆变电路中开关管的开关函数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_r=S_{r+}{u}_{dc}\\ u_s=S_{s+}{u}_{dc}\\ u_t=S_{t+}{u}_{dc}\end{array}\right.;$

式中，S_r+，S_s+，S_t+表示三相桥式逆变电路中上桥臂三个开关的开关函数，u_r，u_s，u_t是三相桥式逆变电路的三相输出电压。

6.根据权利要求2所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，三相桥式逆变电路的输出负载电流的状态方程为：

$L_l\frac{{\mathrm{di}}_o}{dt}=u_o-{\mathrm{Ri}}_o;$

式中，u_o＝[u_r u_s u_t]^T表示三相桥式逆变电路的输出电压；i_o＝[i_r i_s i_t]^T表示三相桥式逆变电路的输出负载电流；L_l＝[L_r L_s L_t]^T表示三相桥式逆变电路的输出滤波电感；R＝[R_r R_s R_t]^T表示三相桥式逆变电路的负载电阻。

7.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，所述三次谐波注入电流的代价函数为：

$g_y(k+1)=\left|\right|i_y^{*}(k+1)-i_y(k+1)\left|\right|;$

所述三相逆变电路输出电流的代价函数；

g_o(k+1)＝||i_o^*(k+1)-i_o(k+1)||。

8.根据权利要求2所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，对所述三次谐波注入矩阵变换的模型进行离散化的步骤中，所述滤波电路的数学模型离散化为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_i(k+1)\\ i_i(k+1)\end{array}\right]=G\left[\begin{array}{c}{u}_i\left(k\right)\\ i_i\left(k\right)\end{array}\right]+H\left[\begin{array}{c}{u}_{si}\left(k\right)\\ i_{ri}\left(k\right)\end{array}\right];$

式中，

k+1时刻的三次谐波预测电流为：

$i_y(k+1)=\frac{T_s}{L_y}\[S_{y+}{u}_{dc}(k+1)-\left(S_{ay}{u}_a\right(k+1)+S_{by}{u}_b(k+1)+S_{cy}{u}_c(k+1\left)\right)\]+i_y\left(k\right);$

k+1时刻三相桥式逆变电路的输出预测电流为：

$i_o(k+1)=\frac{T_s}{L_l}{u}_o(k+1)-\[1+\frac{T_s}{L_l}R\]i_o\left(k\right).$

9.根据权利要求1所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，

获取所述三次谐波注入电流参考值的步骤包括：

将采集到的A相滤波电容电压u_aF通过带通滤波器得到5次谐波电压u_h5；

将u_h5再与sin(5θ)相乘后通过低通滤波器得到并将作为PI调节器的输入；PI调节器的输出为三相电源的参考输入功率值P*；

依据以下公式计算获得

$i_y^{*}=-\frac{2P^{*}}{3U_{im}}cos({\mathrm{\ω}}_{i}t-2\mathrm{\π}/3)-I_{qm}sin({\mathrm{\ω}}_{i}t-2\mathrm{\π}/3);$

式中，I_qm表示三相输入电源侧无功电流分量；表示三相输入电源的功率因数角；U_im表示三相输入电源电压的幅值；ω_i表示三相输入电源的角频率；i代表a、b、c三相；

获取所述三相桥式逆变电路的输出电流参考值，三相期望输出电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_r=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t+{\mathrm{\φ}}_u)\\ u_s=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t+{\mathrm{\φ}}_u-2\mathrm{\π}/3)\\ u_t=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t+{\mathrm{\φ}}_u+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.;$

式中，U_om表示期望输出电压的幅值；ω_o表示期望输出电压的角频率；φ表示期望输出电压的功率因数角；Z表示负载阻抗；

三相电流参考值为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_r^{*}=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t+{\mathrm{\φ}}_u)/Z\\ i_s^{*}=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t+{\mathrm{\φ}}_u-2\mathrm{\π}/3)/Z\\ i_t^{*}=U_{om}cos({\mathrm{\ω}}_{o}t+{\mathrm{\φ}}_u+2\mathrm{\π}/3)/Z\end{array}\right..$

10.根据权利要求10所述的基于三次谐波注入矩阵变换器的模型预测电流控制方法，其特征在于，

所述三次谐波注入电流k+1时刻的参考值:

${i_y}^{*}(k+1)=4{i_y}^{*}\left(k\right)-6{i_y}^{*}(k-1)+4{i_y}^{*}(k-2)-{i_y}^{*}(k-3);$

所述三相桥式逆变电路输出电流k+1时刻的参考值有

${i_o}^{*}(k+1)=4{i_o}^{*}\left(k\right)-6{i_o}^{*}(k-1)+4{i_o}^{*}(k-2)-{i_o}^{*}(k-3).$