本发明属于电力电子应用领域，具体涉及一种并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制系统。
背景技术：
并联pwm整流器能够提高系统额定功率、可靠性和效率，具有成本低和电流纹波小等优点；同时并联结构非常适合模块化系统设计和系统重构，具有更好的灵活性。但由于并联pwm变换器共直流母线、交流侧直接并联，形成了零序环流通路；由于控制效果和硬件参数的差异，控制系统将会产生零序环流。环流会引起不均流和三相电流畸变，同时环流还会增加损耗，降低系统效率并使功率开关管发热严重，甚至使其烧毁。因此，环流抑制已成为并联pwm变换器的一个研究热点。
模型预测控制是一种基于系统动态模型的计算，可根据不同设计要求设计价值函数，由于概念简单，动态响应快，易于考虑系统的约束以及具有优秀的多变量控制能力等优点，近些年吸引了国内外大量学者对其在电力传动和电力电子领域的应用进行了研究，但是鲜有文献将模型预测控制应用到并联pwm变换器的环流抑制中。传统并联pwm整流器控制系统环流抑制效果不佳且处理器计算时间过长，降低了控制系统的可靠性和效率。因此，研究一种能够提高环流控制精度和处理器计算时间减小的并联pwm整流器模型预测控制系统具有广阔的发展前景。
技术实现要素：
技术问题：针对上述现有技术，提供一种并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法，用于并联整流器的环流抑制和处理器计算时间降低。
技术方案：一种并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法，包括如下步骤：
步骤1：通过电压pi控制器实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*；
步骤2：通过锁相环模块得到相位角θ，结合相位角θ和三相电网电压实时获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq；
步骤3：通过坐标变换器实时计算整流器i的网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1和整流器ii的网侧d/q轴电流id2/iq2；
步骤4：将获得的整流器网侧d/q轴电压、网侧d/q轴电流和网侧d/q轴电流参考值输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块，计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)；
步骤5：所述整流器i的网侧z轴电流iz1即为并联pwm整流器的零序环流，将所述零序环流输入电压矢量区间选择模块判断电压矢量区间，所述零序环流超过控制系统中的环流最大可承受值时选择的电压矢量区间经占空比计算模块计算有效矢量占空比δ，然后将选定电压矢量区间内的基本电压矢量进行park变换得到(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)；
步骤6：根据选定电压矢量区间的不同，分别构建价值函数g1和g2，具体的：
当选择经所述占空比计算模块计算的电压矢量区间时，将当前时刻零序环流iz1、环流参考值iz1*、(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)、(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)以及选定区间内的有效矢量占空比δ输入价值函数i，建立价值函数g1如式(7.1)所示；
其中，λ为环流误差权重系数，ts为有效矢量的作用时间，s1为有效矢量环流变化率，s0为零矢量作用时的环流变化率，ts为电流采样周期；
当选择未经所述占空比计算模块计算的电压矢量区间时，将(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)，以及(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)输入价值函数ii，建立价值函数g2如式(7.2)所示；
步骤7：优化所述价值函数g1和g2获得最优电压矢量分别送给整流器i和整流器ii，具体方法为：
依次代入选择的基本电压矢量，若选择经所述占空比计算模块计算的电压矢量区间，当价值函数g1取最小值时，分别将有效矢量、零矢量及有效矢量占空比δ送至整流器i和整流器ii；若选择未经所述占空比计算模块计算的电压矢量区间，当价值函数g2取最小值时，分别将有效矢量送至整流器i和整流器ii。
作为本发明的优选方案，所述步骤5中电压矢量区间选择模块判断电压矢量区间的方法包括如下步骤：
步骤a1：建立基本电压矢量如式(4.1)所示，将环流方向由vsr1流向vsr2定义为零序环流iz1的正方向，式(4.2)为环流正方向的三相支路回路电压计算公式，当相脚桥臂输出占空比不同时，该相支路会产生环流；式(4.3)为零序环流iz1的定义，根据式(4.2)和(4.3)得到环流计算模型，如式(4.4)所示；通过分析不同相脚桥臂的通断状态，将不同基本电压矢量组合和环流iz1之间的关系在下表中定义；
(u0,u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7)＝(000,100,010,001,110,011,101,111)(4.1)
其中，l1为整流器i网侧电感，l2为整流器ii网侧电感，ia1、ib1和ic1为整流器i网侧三相电流，r1为整流器i网侧电阻，r2为整流器ii网侧电阻，udc为直流侧电压；pj为整流器i和整流器ii的网侧桥臂输出占空比之差，j＝a，b，c，具体表示为：
其中，dj1和dj2分别为整流器i和整流器ii的网侧桥臂输出占空比；
iz1＝ia1+ib1+ic1(4.3)
表中，“+”表示环流方向与正方向相同，“-”表示环流方向与正方向相反；矢量组合的数值绝对值越大表示对环流的影响则越大；
步骤a2：分别将整流器i、整流器ii的6个非零基本矢量分成两个区间e1和e2，矢量u1、u2和u3包括在区间e1中，矢量u4、u5和u6包括在区间e2中，将36个基本电压矢量组合分成4个区间，即区间(e1e1)、区间(e1e2)、区间(e2e1)和区间(e2e2)；
步骤a3：定义izm为控制系统中的环流最大可承受值，将环流iz1输入矢量分区间模块(5)，当环流-izm<iz1<izm时，选择区间(e1e1)和(e2e2)；当环流iz1>izm时，选择区间(e1e2)；当环流iz1<-izm时，选择区间(e2e1)。
作为本发明的优选方案，所述步骤5中计算有效矢量占空比δ和网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)的方法为：
选择区间(e1e2)或区间(e2e1)时，将选定区间内的基本电压矢量输入占空比计算模块(6)，根据无差拍原则计算有效矢量的作用时间ts如式(5.1)所示，式(5.2)为有效矢量占空比δ；
其中，零矢量作用时的环流变化率s0如式(5.3)所示；选择区间(e1e2)时，有效矢量环流变化率s1如式(5.4)所示；选择区间(e2e1)时，有效矢量环流变化率s1如式(5.5)所示；然后将基本电压矢量沿静止坐标系α/β的分量uαx和uβx进行park变换，得到(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vdx(k+1)和vqx(k+1)，x＝1,2；
选择区间(e1e1)或区间(e2e2)时，将选定电压矢量区间内的基本电压矢量沿静止坐标系α/β的分量uαx和uβx进行park变换，得到(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vdx(k+1)和vqx(k+1)。
有益效果：1)控制系统通过分析零序环流的影响，引入电压矢量分区间计算，有效减少控制系统的零序环流分量和处理器计算时间，提高了系统可靠性和效率。
2)采用电压代替电流作为价值函数的预测值，减少算法的计算次数，使得数字处理器的运算负担降低。
3)矢量分区间和占空比调制相结合，提高了环流抑制精度。
4)电压矢量和占空比同时选择以最小化价值函数，提高了稳态性能，降低了开关频率。
5)不需要增加冗余开关器件，只需通过预测算法在线寻优即可实现环流抑制，降低系统的成本和体积。
附图说明
图1是本发明的并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法原理图；
图2是本发明的并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法环流变化率；
图3是本发明的并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法的三相电网电压、网侧电流和环流波形；
图4是本发明的并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法的id、iq波形；
图中，1-电压pi控制器，2-锁相环模块，3,4-park变换器，5-电压矢量区间选择模块，6-占空比计算模块，7-整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块，8-价值函数i，9-价值函数ii，10-三相电网电压，11-整流器i，12-整流器ii，13-阻感l1、r1，14-阻感l2、r2，15-电容。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
一种并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法原理图如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：通过电压pi控制器实时计算整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*。具体方法为：
将直流侧参考电压udc*与直流侧实际电压udc的差值eu输入电压pi控制器，根据公式(1.1)获得整流器网侧d轴电流参考值id1*/id2*：
其中，kp和ki分别为电压pi控制器的比例增益和积分增益，s为拉普拉斯积分项，idx*为整流器网侧d轴电流参考值，x＝1,2。
步骤2：通过锁相环模块得到相位角θ，结合相位角θ和三相电网电压实时获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq。具体方法为：
采集三相电网电压输入锁相环模块，然后根据公式(2.1)获得相位角θ锁定相位；然后将获得的相位角θ反馈到公式(2.2)的park变换中获得整流器网侧d/q轴电压ed/eq：
其中，kpe和kie分别为锁相环pi控制器的比例增益和积分增益，ω为电网标准角频率，ea、eb和ec为三相电网电压。
步骤3：通过坐标变换器实时计算整流器i的网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1和整流器ii的网侧d/q轴电流id2/iq2。具体方法为：
计算整流器i网侧d/q/z轴电流id1/iq1/iz1：将采集得到的整流器i的网侧三相电流和相位角θ输入park变换器，根据公式(3.1)进行park变换获得所述id1/iq1/iz1：
其中，ia1、ib1和ic1为整流器i网侧三相电流；
计算整流器ii的网侧d/q轴电流id2/iq2：将采集得到的整流器ii网侧三相电流和相位角θ输入park变换器，根据公式(3.2)进行park变换获得id2/iq2：
其中，ia2、ib2和ic2为整流器ii网侧三相电流。
步骤4：将获得的整流器网侧d/q轴电压、网侧d/q轴电流和网侧d/q轴电流参考值输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块，计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)。具体方法为：
4.1)结合并联pwm整流器拓扑结构和基尔霍夫电压定律和电流定律，根据公式(6.1)获得自然坐标系abc下的整流器数学模型；
其中，ea、eb和ec为三相电网电压，uno为电网中性点n与直流侧负极o间的电压，vax、vbx和vcx为整流器网侧桥臂中点电压，iax、ibx和icx为整流器网侧三相电流，lx为网侧滤波电感，rx为网侧电阻，x＝1，2；
4.2)根据clark变换将自然坐标系abc变换到旋转坐标系d/q，公式(6.2)为旋转坐标系下的整流器数学模型；
其中，idx/iqx为整流器网侧d/q轴电流，ω为电网标准角频率，vdx/vqx为整流器网侧桥臂中点d/q轴电压，x＝1，2；ed/eq为整流器网侧d/q轴电压；
4.3)将整流器网侧d/q轴参考电流idx*/iqx*、整流器网侧d/q轴电流idx/iqx、整流器网侧d/q轴电压ed/eq输入整流器网侧桥臂中点电压参考值计算模块，根据公式(6.2)和欧拉离散公式(6.3)计算(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压参考值vdx*(k+1)和vqx*(k+1)，如公式(6.4)所示；
其中，i(k)为k时刻电流采样值，i(k+1)为(k+1)时刻电流预测值，ts为采样周期，iqx*为整流器网侧q轴电流参考值，x＝1，2。
步骤5：整流器i的网侧z轴电流iz1即为并联pwm整流器的零序环流，将零序环流输入电压矢量区间选择模块判断电压矢量区间，零序环流超过控制系统中的环流最大可承受值时选择的电压矢量区间经占空比计算模块计算有效矢量占空比δ，然后将选定电压矢量区间内的基本电压矢量进行park变换得到(k+1)时刻的整流器网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)。
其中，判断电压矢量区间的方法包括如下步骤：
步骤a1：建立基本电压矢量如式(4.1)所示，将环流方向由vsr1流向vsr2定义为零序环流iz1的正方向，式(4.2)为环流正方向的三相支路回路电压计算公式，当相脚桥臂输出占空比不同时，该相支路会产生环流；式(4.3)为零序环流iz1的定义，根据式(4.2)和(4.3)得到环流计算模型，如式(4.4)所示；通过分析不同相脚桥臂的通断状态，将不同基本电压矢量组合和环流iz1之间的关系在下表中定义；
(u0,u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7)＝(000,100,010,001,110,011,101,111)(4.1)
其中，l1为整流器i网侧电感，l2为整流器ii网侧电感，ia1、ib1和ic1为整流器i网侧三相电流，r1为整流器i网侧电阻，r2为整流器i网侧电阻，udc为直流侧电压；pj为整流器i和整流器ii的网侧桥臂输出占空比之差，j＝a，b，c，具体表示为：
其中，dj1和dj2分别为整流器i和整流器ii的网侧桥臂输出占空比；
iz1＝ia1+ib1+ic1(4.3)
表中，“+”表示环流方向与正方向相同，“-”表示环流方向与正方向相反；矢量组合的数值绝对值越大表示对环流的影响则越大；
步骤a2：从表中可以得到，零矢量对环流变化有着很大影响，严重时影响系统稳态性能，因此零矢量不作为预测控制策略的备选矢量。分别将整流器i、整流器ii的6个非零基本矢量分成两个区间e1和e2，矢量u1、u2和u3包括在区间e1中，矢量u4、u5和u6包括在区间e2中，将36个基本电压矢量组合分成4个区间，即区间(e1e1)、区间(e1e2)、区间(e2e1)和区间(e2e2)；
步骤a3：定义izm为控制系统中的环流最大可承受值，将环流iz1输入矢量分区间模块(5)，当环流-izm<iz1<izm时，选择区间(e1e1)和(e2e2)；当环流iz1>izm时，选择区间(e1e2)；当环流iz1<-izm时，选择区间(e2e1)。
计算有效矢量占空比δ和网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)的方法为：
选择区间(e1e2)或区间(e2e1)时，将选定区间内的基本电压矢量输入占空比计算模块，根据无差拍原则计算有效矢量的作用时间ts如式(5.1)所示，式(5.2)为有效矢量占空比δ；
其中，零矢量作用时的环流变化率s0如式(5.3)所示；选择区间(e1e2)时，有效矢量环流变化率s1如式(5.4)所示；选择区间(e2e1)时，有效矢量环流变化率s1如式(5.5)所示；然后将基本电压矢量沿静止坐标系α/β的分量uαx和uβx进行park变换，得到(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vdx(k+1)和vqx(k+1)，x＝1,2；
选择区间(e1e1)或区间(e2e2)时，将选定电压矢量区间内的基本电压矢量沿静止坐标系α/β的分量uαx和uβx进行park变换，得到(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vdx(k+1)和vqx(k+1)。
步骤6：根据选定电压矢量区间的不同，分别构建价值函数g1和g2，具体的：
当选择经选择区间(e1e2)或区间(e2e1)时，将当前时刻零序环流iz1、环流参考值iz1*、(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)、(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)以及选定区间内的有效矢量占空比δ输入价值函数i，建立价值函数g1如式(7.1)所示；
其中，λ为环流误差权重系数，ts为有效矢量的作用时间，s1为有效矢量环流变化率，s0为零矢量作用时的环流变化率，ts为电流采样周期；
当选择(e1e1)或区间(e2e2)时，将(k+1)时刻整流器网侧桥臂中点电压参考值vd1*(k+1)/vq1*(k+1)和vd2*(k+1)/vq2*(k+1)，以及(k+1)时刻网侧桥臂中点电压预测值vd1(k+1)/vq1(k+1)和vd2(k+1)/vq2(k+1)输入价值函数ii，建立价值函数g2如式(7.2)所示；
步骤7：优化价值函数g1和g2获得最优电压矢量分别送给整流器i和整流器ii，具体方法为：
依次代入选择的基本电压矢量，若选择区间(e1e2)或(e2e1)，当价值函数g1取最小值时，分别将有效矢量、零矢量及有效矢量占空比ui/δ/u0和uj/δ/u0送至整流器i和整流器ii；若选择区间(e1e1)或(e2e2)，当价值函数g2取最小值时，分别将有效矢量ui和uj送至整流器i和整流器ii。
工作原理：本发明公开了一种并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法，将电压矢量分区间计算引入模型预测控制中，并结合矢量占空比调制方法，可有效实现零序环流降低和处理器计算时间减小。直接分析控制系统中不同电压矢量组合对环流的影响，进而将36个电压矢量组合分成4个区间，拟降低零序环流和减小处理器计算负担；通过优化选定区间内的有效矢量占空比，将控制周期分为两个部分，有效电压矢量仅仅作用于一个控制周期的一部分，而剩下时间选择零矢量，进一步提高系统环流抑制精度；最后将选定区间内的电压矢量进行循环寻优计算。无需额外增加硬件装置，即可解决环流引起的不均流和波形畸变等问题，提高了系统可靠性和效率。
本发明的并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法的三相电网电压、网侧电流和环流波形如图3所示，可以看出，零序环流控制更加精确，环流大大减小，幅值约为0.15a；网侧相电流波形thd较小并跟随电网相电压，功率因素接近1。图4为本发明的并联pwm整流器分区间双矢量模型预测控制方法的id、iq波形，可以看出，波形稳态谐波很小且动态响应迅速。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。