一种Quasi-Z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法与流程

本发明涉及变换器控制技术领域，具体涉及一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法。

背景技术：

quasi-z源间接矩阵变换器结合了quasi-z源变换器和间接矩阵变换器的优点，在交流-交流变换系统中体现出了独特的优势：1)继承了传统间接矩阵变换器无中间直流环节，输入输出电流为正弦波，能量双向流动的优点；2)泵升电网电压的功能，改善电压增益，克服了传统间接矩阵变换器电压传输比的限制；3)输入侧不需要额外的lc滤波器，大大简化了系统的硬件结构；4)允许变换器中同一桥臂的两个开关管同时导通，而不损坏器件，降低了系统控制的复杂度，提高了系统的安全性；5)对电网电压跌落具有一定的穿越能力，即抗电网电压跌落干扰的功能，提高了变流器系统的稳定性。因此，quasi-z源间接矩阵变换器在交流变换领域具有很好的应用前景。

现有的quasi-z源间接矩阵变换器的空间矢量调制策略，需要分别对整流级和逆变级进行电压、电流矢量运算及占空比合成，其算法复杂，且当quasi-z源间接矩阵变换器在交流调速等领域应用时，需要设计额外的闭环控制策略。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法，用以解决现有的quasi-z源间接矩阵变换器的空间矢量调制策略需要分别对整流级和逆变级进行电压、电流矢量运算及占空比合成导致算法复杂的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法，所述方法包括：测量k时刻的quasi-z源间接矩阵变换器不同节点的若干电压、电流值；根据k时刻的quasi-z源间接矩阵变换器的各个开关组合状态和各组开关状态矢量之间的对应关系建立开关函数，提取出与每组开关状态矢量对应的整流级开关状态srec和逆变级开关状态sinv，其中，srec＝[sap,sbp,scp]，sinv＝[sap,sbp,scp]；通过测量得到的k时刻若干电压、电流测量值以及整流级开关状态srec和逆变级开关状态sinv，预测下一个控制周期k+1时刻的quasi-z源网络输出电压u'abc(k+1)、输入无功功率q(k+1)和负载电流值在αβ坐标系的值isα(k+1)和isβ(k+1)；将下一个控制周期k+1时刻的quasi-z源网络输出电压u'abc(k+1)、输入无功功率q(k+1)和负载电流值在αβ坐标系的值isα(k+1)和isβ(k+1)的预测值分别与其给定参考值u'^*abc、q^*、i^*sα和i^*sβ比较，组成价值函数g；将所述开关函数中每组开关状态矢量对应的整流级开关状态srec和逆变级开关状态sinv代入包含预测值和给定参考值的价值函数g，取使得价值函数g值最小的所述开关状态矢量对应的开关组合状态作为预测控制策略的输出；及在k+1时刻，用预测控制策略的输出控制quasi-z源间接矩阵变换器的各个开关。

进一步地，所述测量k时刻的quasi-z源间接矩阵变换器不同节点的若干电压、电流值包括：测量k时刻电网电压uabc(k)；测量k时刻quasi-z源网络的输入电流il1abc(k)；测量k时刻quasi-z源网络的输出电压u'abc(k)；及测量k时刻quasi-z源间接矩阵变换器的负载电流iabc(k)和负载电压uabc(k)。

进一步地，预测下一个控制周期k+1时刻的所述quasi-z源网络输出电压u'abc(k+1)包括：将测量得到的k时刻测量值iabc(k)、u'abc(k)和il1abc(k)输入电压预测模型；所述电压预测模型根据下表所示的电压预测计算公式预测u'abc(k+1)：

其中，u'(k+1)＝u'abc(k+1)，u'(k)＝u'abc(k)，il1(k)＝il1abc(k)，i'o(k)＝srecsinviabc(k)＝srecsinv[ia(k),ib(k),ic(k)]，ts为控制周期，c为quasi-z源网络电容ca1、cb1、cc1、ca2、cb2和cc2，ca1＝cb1＝cc1＝ca2＝cb2＝cc2。

进一步地，预测下一个控制周期k+1时刻的所述quasi-z源网络输入无功功率q(k+1)包括：将测量得到的k时刻测量值uabc(k)输入无功功率预测模型经过三相abc-两相αβ坐标变换后，得到αβ坐标下电压分量uiα(k)与uiβ(k)；通过无功功率预测模型中的以下无功功率预测计算公式预测q(k+1)：

q(k+1)＝uiα(k)il1β(k+1)-uiβ(k)il1α(k+1)

其中，il1α(k+1)和il1β(k+1)为k+1时刻的quasi-z源网络的三相输入电流il1abc(k+1)在αβ坐标下的分量，il1abc(k+1)由无功功率预测模型根据下表所示的k+1时刻的quasi-z源网络的三相输入电流预测计算公式预测：

其中，il1(k+1)＝il1abc(k+1)，il1(k)＝il1abc(k)，u'(k+1)＝u'abc(k+1)，ui(k)＝uabc(k)，ts为控制周期，l为quasi-z源网络电感la1、lb1、lc1、la2、lb2和lc2，la1＝lb1＝lc1＝la2＝lb2＝lc2，rl为quasi-z源网络电感la1、lb1、lc1、la2、lb2和lc2的内阻。

进一步地，预测下一个控制周期k+1时刻的所述quasi-z源间接矩阵变换器的负载电流值在αβ坐标系的值isα(k+1)和isβ(k+1)包括：将测量得到的k时刻测量值iabc(k)和uabc(k)通过三相abc-两相αβ坐标变换后输入电流预测模型；通过电流预测模型中的以下电流预测计算公式预测isα(k+1)和isβ(k+1)：

其中，isα(k)和isβ(k)为负载电流iabc(k)在αβ坐标系的值，uα(k)和uβ(k)为负载电压uabc(k)在αβ坐标系的值，ts为控制周期，ll为负载电感，r′l为负载电阻。

进一步地，所述价值函数g的表达式为：

其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6六个权重因子分别为0.2、0.2、0.1、0.1、0.1和0.3，q^*＝0。

进一步地，所述quasi-z源间接矩阵变换器的各个开关组合状态和各组开关状态矢量之间的对应关系包括：每组开关状态矢量包括10个整流级电流矢量i1至i10和8个逆变级电压矢量u0至u7，其中，整流级电流矢量i1至i6为6个有效矢量，i7至i9为3个零矢量，i10为1个直通零矢量，电压矢量u1至u6为6个有效矢量，u0和u7为2个零矢量；根据10个整流级电流矢量i1至i10和8个逆变级电压矢量u0至u7将quasi-z源网络开关sx、整流级开关sa,b,c及逆变级开关sa,b,c的开关状态组合形成如下表所示的对应关系：

其中，1表示开关接通，0表示开关断开。

进一步地，所述预测控制策略的输出包括：quasi-z源网络开关sx、整流级开关sa,b,c及逆变级开关sa,b,c的控制信号gz、grec和ginv。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例公开了一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法，在建立quasi-z源网络离散时间模型的基础上，仅通过一个控制闭环，对下一个控制周期的quasi-z源网络输出电压、输入无功功率和quasi-z源间接矩阵变换器的负载电流进行控制，而不需要矩阵变换器复杂的调制算法及额外的闭环控制策略。本发明实施例具有算法简单、易于数字实现、动态响应快、稳态精度高的特点。

附图说明

图1为本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法的原理示意图。

图2为本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器的电路示意图。

01-交流电源、02-quasi-z源网络、03-前端整流级、04-后端逆变级、05-交流负载、06-电压预测模型、07-无功功率预测模型、08-电流预测模型。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

为了实现对quasi-z源间接矩阵变换器易于实现、响应快的控制，本发明实施例公开了一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法，其中，参考图1和图2，quasi-z源间接矩阵变换器包括依次连接的quasi-z源网络02、前端整流级03和后端逆变级04，quasi-z源网络02由交流电源01供电，后端逆变级04输出端连接交流负载05。

参考图1，本实施例公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器的模型预测控制方法中，首先，测量k时刻的quasi-z源间接矩阵变换器不同节点的若干电压、电流值，其具体包括：测量k时刻电网电压uabc(k)；测量k时刻quasi-z源网络的输入电流il1abc(k)；测量k时刻quasi-z源网络的输出电压u'abc(k)；及测量k时刻quasi-z源间接矩阵变换器的负载电流iabc(k)和负载电压uabc(k)。

同时，参考图2，可根据k时刻的quasi-z源间接矩阵变换器的各个开关组合状态和各组开关状态矢量之间的对应关系建立开关函数，提取出与每组开关状态矢量对应的整流级开关状态srec和逆变级开关状态sinv，其中，srec＝[sap,sbp,scp]，sinv＝[sap,sbp,scp]。

进一步地，quasi-z源间接矩阵变换器的各个开关组合状态和各组开关状态矢量之间的对应关系包括：每组开关状态矢量包括10个整流级电流矢量i1至i10和8个逆变级电压矢量u0至u7，其中，整流级电流矢量i1至i6为6个有效矢量，i7至i9为3个零矢量，i10为1个直通零矢量，电压矢量u1至u6为6个有效矢量，u0和u7为2个零矢量；根据10个整流级电流矢量i1至i10和8个逆变级电压矢量u0至u7将quasi-z源网络开关sx、整流级开关sa,b,c及逆变级开关sa,b,c的开关状态组合形成如下表所示的对应关系：

其中，1表示开关接通，0表示开关断开，如上表所示，quasi-z源网络开关sx的状态是与整流级开关sa,b,c的状态匹配的，只有当整流级开关sa,b,c的各个开关的状态是连通时，quasi-z源网络开关sx的状态是断开的，否则，quasi-z源网络开关sx的状态是连通的。

接着，通过测量得到的k时刻若干电压、电流测量值以及整流级开关状态srec和逆变级开关状态sinv，预测下一个控制周期k+1时刻的quasi-z源网络输出电压u'abc(k+1)、输入无功功率q(k+1)和负载电流值在αβ坐标系的值isα(k+1)和isβ(k+1)。

进一步地，预测下一个控制周期k+1时刻的所述quasi-z源网络输出电压u'abc(k+1)包括：将测量得到的k时刻测量值iabc(k)、u'abc(k)和il1abc(k)输入电压预测模型06；电压预测模型06根据下表所示的电压预测计算公式预测u'abc(k+1)：

其中，u'(k+1)＝u'abc(k+1)，u'(k)＝u'abc(k)，il1(k)＝il1abc(k)，i'o(k)＝srecsinviabc(k)＝srecsinv[ia(k),ib(k),ic(k)]，ts为控制周期，c为quasi-z源网络电容ca1、cb1、cc1、ca2、cb2和cc2，ca1＝cb1＝cc1＝ca2＝cb2＝cc2。

进一步地，预测下一个控制周期k+1时刻的quasi-z源网络的输入无功功率q(k+1)包括：将测量得到的k时刻测量值uabc(k)输入无功功率预测模型07经过三相abc-两相αβ坐标变换后，得到αβ坐标下电压分量uiα(k)与uiβ(k)；通过无功功率预测模型07中的以下无功功率预测计算公式预测q(k+1)：

q(k+1)＝uiα(k)il1β(k+1)-uiβ(k)il1α(k+1)

其中，il1α(k+1)和il1β(k+1)为k+1时刻的quasi-z源网络的三相输入电流il1abc(k+1)在αβ坐标下的分量，il1abc(k+1)由无功功率预测模型根据下表所示的k+1时刻的quasi-z源网络的三相输入电流预测计算公式预测：

其中，il1(k+1)＝il1abc(k+1)，il1(k)＝il1abc(k)，u'(k+1)＝u'abc(k+1)，ui(k)＝uabc(k)，ts为控制周期，l为quasi-z源网络电感la1、lb1、lc1、la2、lb2和lc2，la1＝lb1＝lc1＝la2＝lb2＝lc2，rl为quasi-z源网络电感la1、lb1、lc1、la2、lb2和lc2的内阻。

进一步地，预测下一个控制周期k+1时刻的quasi-z源间接矩阵变换器的负载电流值在αβ坐标系的值isα(k+1)和isβ(k+1)包括：将测量得到的k时刻测量值iabc(k)和uabc(k)通过三相abc-两相αβ坐标变换后输入电流预测模型08，更进一步地，k时刻测量值iabc(k)和uabc(k)可先分别进行电流滤波和电压滤波后，在进行三相abc-两相αβ坐标变换处理；通过电流预测模型08中的以下电流预测计算公式预测isα(k+1)和isβ(k+1)：

其中，isα(k)和isβ(k)为负载电流iabc(k)在αβ坐标系的值，uα(k)和uβ(k)为负载电压uabc(k)在αβ坐标系的值，ts为控制周期，ll为负载电感，r′l为负载电阻。

然后，将下一个控制周期k+1时刻的quasi-z源网络输出电压u'abc(k+1)、输入无功功率q(k+1)和负载电流值在αβ坐标系的值isα(k+1)和isβ(k+1)的预测值分别与其给定参考值u'^*abc、q^*、i^*sα和i^*sβ比较，组成价值函数g。所述价值函数g的表达式为：

其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6六个权重因子分别为0.2、0.2、0.1、0.1、0.1和0.3，q^*＝0。

接着，将开关函数中每组开关状态矢量对应的整流级开关状态srec和逆变级开关状态sinv代入包含预测值和给定参考值的价值函数g，取使得价值函数g值最小的所述开关状态矢量对应的开关组合状态作为预测控制策略的输出，预测控制策略的输出包括：quasi-z源网络开关sx、整流级开关sa,b,c及逆变级开关sa,b,c的控制信号gz、grec和ginv；

最后，在k+1时刻，用预测控制策略的输出控制quasi-z源间接矩阵变换器的各个开关，即用控制信号gz、grec和ginv分别控制sx、sa,b,c和sa,b,c的开关状态。

由本发明实施例可见，本发明实施例所提出的控制方法，由一个闭环控制实现了下一个控制周期的quasi-z源网络输出电压、输入无功功率和quasi-z源间接矩阵变换器负载电流的控制，而不需复杂的矢量运算、占空比合成或额外控制策略的设计。本发明实施例的控制算法简单、易于数字实现，不需要传统控制策略那种复杂的矢量运算和占空比合成；在本发明实施例提供的控制算法下，quasi-z源间接矩阵变换器的电压电流跟踪参考值的动态响应快、稳态精度高。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。