一种基于oss的虚拟磁链模型预测功率控制策略
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于oss的虚拟磁链模型预测直接功率控制策略。
背景技术：2.随着人类对生态环境的关注程度日益增加，这对清洁能源的利用水平提出了更高要求。三相电压型整流器(voltage source rectifier，vsr)由于具有功率因数高、直流侧电压可控及可实现四象限运行等优点，在能源、工业等领域发挥着至关重要的作用。例如高压直流输电系统中换流站、静止无功发生器和矿用变频器等。
3.然而vsr的广泛应用，使得人们越发追求更为可靠、快速、高效的性能，经过几十年的研究，发展出种类繁多的功率变换器控制方式，可大致分为以电压定向矢量控制(voltage oriented control，voc)、虚拟磁链定向控制(virtual-flux oriented control，vfoc)为代表的线性控制和以模型预测控制(model predictive control，mpc)、直接功率控制(direct power control，dpc)等为代表的非线性控制。voc通过基于交流侧电压相位信息的同步旋转坐标变换，将交流侧三相静止abc坐标系下的电流变换成d轴和q轴电流，随后通过直流电压外环和功率环得到d轴电流和q轴电流的参考值，并将其送入pi控制器进行调节，从而实现较好的稳态控制。然而在实际应用中pi控制器参数调节的复杂性，以及动态响应慢等缺陷，限制了其发展前景。以voc为基础并作出一定改进，发展出vfoc，其基本原理是将vsr交流侧电压与滤波元件虚拟等效为一个交流电动机。交流侧电压经过积分环节后便可视为电动机的虚拟磁链矢量，依据虚拟磁链矢量能够得出交流电压的相位信息。由于积分环节具有低通滤波特性，所以vfoc除了具有省去电压传感器的优势外，还具有对交流电压干扰信号良好的抑制作用。
4.传统基于电压传感器的具有最优切换序列的模型预测直接功率控制策略对交流侧电压畸变的抗扰性能差、网侧电流谐波含量高、整流器体积大、制作成本高等缺陷，影响系统的可靠性和稳定性。
技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种基于oss的虚拟磁链模型预测功率控制策略，解决了现有技术中模型预测控制预测电流误差大、开关频率不固定的问题，采用虚拟磁链定向提高了三相电压型整流器对交流侧扰动电压的鲁棒性，并省去交流电压传感器，降低成本。
6.本发明所采用的的技术方案是，一种基于oss的虚拟磁链模型预测功率控制策略，具体按如下步骤实施：
7.步骤1、采集功率开关器件的开关状态sa、sb、sc和直流侧电压u
dc
，并通过坐标变换表示出两相静止坐标系下的整流器输出相电压。
8.步骤2、采集网侧三相交流电流ia、ib、ic，并通过坐标变换将其转化成两相静止坐标系下的i
α
、i
β
。将电压型整流器交流侧的滤波电感l、滤波电阻r及交流电压矢量e等效为虚
拟电动机，并计算出在αβ坐标系下的虚拟磁链ψ
α
、ψ
β
。
9.步骤3、结合ψ
α
、ψ
β
计算出瞬时有功功率p及无功功率q，同时得出p和q的变化率。
10.步骤4、将αβ坐标系划分成6个扇区，每个扇区由对应的8个已知电压矢量构成的一个电压矢量序列所描述。并得出电压型整流器vsr开关状态与输出电压的对应关系。同时确定每个扇区的电压矢量最优切换序列oss。
11.步骤5、利用功率的瞬时变化率，预测出电压矢量序列中第i个电压矢量所对应的瞬时功率。并利用关于功率的代价函数，得出可使代价函数值最小的一组瞬时功率所对应的最优电压矢量序列。
12.步骤6、利用最优切换序列oss和最优电压矢量作用时间t
op
计算输出最优占空比d
op
，将占空比与三角载波比较，得出电压最优切换序列下的开关状态并作用于功率开关器件。
13.本发明的特征还在于，
14.步骤1具体为：
15.采集功率开关器件的开关状态sa、sb、sc和直流侧电压u
dc
，并得出整流器a、b、c相输出电压u
ra
、u
rb
、u
rc
，得到：
[0016][0017]
式中：u
dc
为直流电压，u
ra
、u
rb
、u
rc
是整流器a、b、c相输出电压。
[0018]
并通过坐标变换表示出两相静止坐标系下的整流器输出相电压，分别为：
[0019][0020]
式中：u
rα
、u
rβ
为电压型整流器vsr输出相电压在αβ坐标系中的分量。
[0021]
步骤2具体为：
[0022]
采集网侧三相交流电流ia、ib、ic，并通过坐标变换将其转化成两相静止坐标系下的i
α
、i
β
。并根据基尔霍夫电压定律，并结合虚拟磁链vf定向原理图可得出vsr交流侧在αβ坐标系下的回路电压方程为：
[0023][0024]
根据虚拟磁链的定义，可得出虚拟磁链ψ
α
、ψ
β
与交流侧电流和vsr输出相电压的
关系为：
[0025][0026]
式中：l为交流侧滤波电感，r为交流侧滤波电阻，两相静止坐标系下的i
α
、i
β
。
[0027]
步骤3具体为：
[0028]
在αβ坐标系中，由于复功率矢量可用交流电压矢量与交流电流共轭矢量表示，因此瞬时有功功率p及无功功率q可分别用虚拟磁链和电流表示为：
[0029][0030]
式中：ψc为虚拟磁链矢量的幅值。
[0031]
则瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的变化率dp/dt和dq/dt分别为：
[0032][0033]
步骤4具体为：
[0034]
将αβ坐标系划分成6个扇区，每个扇区由对应的8个已知电压矢量构成的一个电压矢量序列所描述。定义vsr输出的8个电压矢量分别为u
r，x
＝u
rα，x
+ju
rβ，x
(x＝0，1，
…
，7)。并得出电压型整流器vsr开关状态与输出电压的对应关系，8个不同开关状态s
x
分别对应8种不同的空间电压矢量u
r，x
，除两条零矢量外，其余的6条非零矢量均匀分布在αβ坐标系上。对于任意一条给定的空间电压矢量，都可用其所在扇区附近的其余电压矢量合成进行表示。
[0035]
由图3可确定电压矢量最优切换序列oss。定义给每个扇区分配的电压矢量序列为u
sj
＝{u1，u2，u3，u4，u4，u3，u2，u1}(j＝1，2，
…
，6，表示扇区编号)。其中，前四个电压矢量与后四个对称排列。图中us为vsr输出的电压矢量，当us落在扇区1时，us可用u
s1
＝{u
r0
，u
r1
，u
r2
，u
r7
，u
r7
，u
r2
，u
r1
，u
r0
}电压切换序列来表示。不同扇区对应的电压矢量切换序列oss如表1所示。
[0036]
表1
[0037][0038]
根据表1中的电压矢量切换序列u
sj
能够准确判定vsr输出电压矢量与所在扇区的对应关系。而u
sj
中的8个输出电压矢量由4个零矢量和两对相同的非零矢量构成，两个αβ坐标系下的复电压矢量由表1中的电压矢量u
r，x
表示。
[0039]
步骤5具体为：
[0040]
步骤5.1，利用功率的瞬时变化率，预测出电压矢量序列中第i个电压矢量所对应的瞬时功率。可得出在给定vsr电压矢量作用下，在相关作用时间内有功功率p和无功功率q的变化轨迹为：
[0041]
pi＝p
i-1
+f
pi
t
ij
[0042]
qi＝q
i-1
+f
qi
t
ij
[0043]
式中：{p
i-1
，q
i-1
}表示在电压切换序列中，第i个电压矢量开始作用时有功功率和无功功率的初始值。t
ij
表示电压矢量作用时间，且t
1j
＝t
4j
＝t
5j
＝t
8j
，t
2j
＝t
7j
，t
3j
＝t
6j
。为便于计算，令t
s0j
＝t
1j
＝t
4j
＝t
5j
＝t
8j
，t
s1j
＝t
2j
＝t
7j
，t
s2j
＝t
3j
＝t
6j
，t
s0j
代表零电压矢量作用时间；t
s1j
代表第一个有效电压矢量作用时间；t
s2j
代表第二个有效矢量作用时间。{pi，qi}表示电压矢量作用时间结束时的功率值。
[0044]
步骤5.2，并利用关于功率的代价函数，得出可使代价函数值最小的一组瞬时功率所对应的最优电压矢量序列。模型预测控制中常利用代价函数来描述所期望得到的系统运行状态，并最小化代价函数来确定最优的操作方式。本文所提的控制方式中关于功率的代价函数表示为：
[0045][0046]
式中：p
ref
、q
ref
分别为给定有功功率和给定无功功率，p
ref
由功率电压外环给出，因vsr在单位功率因数运行，所以q
ref
设置为0。
[0047]
利用使代价函数最小解的条件，得出使代价函数取最小值的t
s0j
、t
s1j
、t
s2j
，如下所示：
[0048][0049][0050]
t
s0j
＝(ts/2-t
s1i-t
s2i
)/2
[0051]
式中：e
pk
＝p
ref-pk，e
qk
＝q
ref-qk。
[0052]
通过对6个不同扇区对应电压矢量序列的遍历求解，可以得出使代价函数最小的
电压切换序列，定义为最优电压矢量序列。
[0053]
步骤6具体为：
[0054]
能够使代价函数值最小的那一组瞬时功率所对应的电压矢量序列被认为是最优开关序列(oss)，定义为u
sj
＝u
sop
。该组oss对应的扇区j被认为是最优扇区。同时u
sop
对应的零矢量和两个非零矢量的作用时间分别为t
s0j
、t
s1j
、t
s2j
，最优电压矢量作用时间表示为t
op
＝{t
s0op
，t
s1op
，t
s2op
}。通过对最优开关序列oss中电压矢量产生高电平的时间占采样周期ts的比值可得出最优占空比d
op
，其计算公式为：
[0055][0056]
式中：u
sop
(0)、u
sop
(1)、u
sop
(2)分别为最优电压矢量开关序列u
sop
中的零电压矢量、第一个有效矢量和第二个有效矢量。s
x
表示电压矢量u
r,x
对应的abc三相的开关状态。
[0057]
本发明的有益效果是：
[0058]
将本发明的控制策略用于目前的三相两电平电压型整流器中，网侧电流谐波含量更小，输出直流电压更稳定，开关频率可调，对交流侧扰动电压抗干扰能力更强，省去交流电压传感器，降低成本。
附图说明
[0059]
图1为三相电压型整流器vsr主电路拓扑。
[0060]
图2为三相电压型整流器vsr虚拟磁链定向原理图。
[0061]
图3为三相电压型整流器vsr输出电压矢量与分区。
[0062]
图4为一个采样周期ts内使用对称8矢量描述的p、q变化轨迹。
[0063]
图5为交叉补偿型虚拟磁链观测器。
[0064]
图6为所提控制方式原理图。
[0065]
附图的符号及标号说明：l、r—三相整流器的滤波电感和滤波电阻；c—直流侧电容；ek(k＝a,b,c)—三相静止坐标系电网电压；ek(k＝α，β)—两相静止坐标系电网电压；ik(k＝a,b,c)—三相静止坐标系网侧电流；n—中性点；ir—整流器电流；u
dc
—直流侧电压；i
dc
—直流侧电流；i
l
—直流侧负载电流；i
α
、i
β
—两相静止坐标系网侧电流；u
r，k
(k＝a,b,c)—三相静止坐标系下的整流器输出相电压；u
r，k
(k＝α，β)—两相静止坐标系下的整流器输出相电压；sk(k＝a,b,c)—功率开关器件的开关状态；es—整流器交流电压；ψs—虚拟磁链；is—交流侧电流；u
rs
—整流器输出相电压；u
r，x
(x＝0,1,2,3,4,5,6,7)—整流器输出基本电压矢量；s
x
(x＝0,1,2,3,4,5,6,7)—功率开关器件的8种开关状态；us—vsr输出的电压矢量；f
pi
(i＝0,1,2,3,4,5,6,7)—有功功率变化率；f
qi
(i＝0,1,2,3,4,5,6,7)—无功功率变化率；t
s0j
(j＝1，2，
…
，6，表示扇区编号)—零电压矢量作用时间；t
s1j
(j＝1，2，
…
，6，表示扇区编号)—第一个有效电压矢量作用时间；t
s2j
(j＝1，2，
…
，6，表示扇区编号)—第二个有效电压矢量作用时间；pi(i＝0,1,2,3,4,5,6,7)—电压矢量作用时间结束时的有功功率值；qi(i＝0,1,2,3,4,5,6,7)—电压矢量作用时间结束时的无功功率值；ωc—一阶低通滤
波器的截止频率；—估计的虚拟磁链矢量；ψ—实际的虚拟磁链矢量；gi—代价函数；u
dc_ref
—直流参考电压；p
ref
—有功参考功率；q
ref
—无功参考功率；s
op
—最优开关状态；d
op
—最优占空比；t
op
—最优作用时间。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0067]
本发明一种基于消除零电压矢量开关表的直接功率控制策略，具体按照如下步骤实施：
[0068]
步骤1，采集功率开关器件的开关状态sa、sb、sc和直流侧电压u
dc
，并通过坐标变换表示出两相静止坐标系下的整流器输出相电压。具体为：
[0069]
采集功率开关器件的开关状态sa、sb、sc和直流侧电压u
dc
，并得出整流器a、b、c相输出电压u
ra
、u
rb
、u
rc
，得到：
[0070][0071]
式中：u
dc
为直流电压，u
ra
、u
rb
、u
rc
是整流器a、b、c相输出电压。
[0072]
并通过坐标变换表示出两相静止坐标系下的整流器输出相电压，分别为：
[0073][0074]
式中：u
rα
、u
rβ
为电压型整流器vsr输出相电压在αβ坐标系中的分量。
[0075]
步骤2，采集网侧三相交流电流ia、ib、ic，并通过坐标变换将其转化成两相静止坐标系下的i
α
、i
β
。将电压型整流器交流侧的滤波电感l、滤波电阻r及交流电压矢量e等效为虚拟电动机，并计算出在αβ坐标系下的虚拟磁链ψ
α
、ψ
β
。具体为：
[0076]
采集网侧三相交流电流ia、ib、ic，并通过坐标变换将其转化成两相静止坐标系下的i
α
、i
β
。并根据基尔霍夫电压定律，并结合虚拟磁链vf定向原理图可得出vsr交流侧在αβ坐标系下的回路电压方程为：
[0077][0078]
根据虚拟磁链的定义，可得出虚拟磁链ψ
α
、ψ
β
与交流侧电流和vsr输出相电压的关系为：
[0079][0080]
式中：l为交流侧滤波电感，r为交流侧滤波电阻，两相静止坐标系下的i
α
、i
β
。
[0081]
步骤3，结合ψ
α
、ψ
β
计算出瞬时有功功率p及无功功率q，同时得出p和q的变化率。具体为：
[0082]
在αβ坐标系中，由于复功率矢量可用交流电压矢量与交流电流共轭矢量表示，因此瞬时有功功率p及无功功率q可分别用虚拟磁链和电流表示为：
[0083][0084]
式中：ψc为虚拟磁链矢量的幅值。
[0085]
则瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的变化率dp/dt和dq/dt分别为：
[0086][0087]
步骤4，将αβ坐标系划分成6个扇区，每个扇区由对应的8个已知电压矢量构成的一个电压矢量序列所描述。并得出电压型整流器vsr开关状态与输出电压的对应关系。具体为：
[0088]
将αβ坐标系划分成6个扇区，每个扇区由对应的8个已知电压矢量构成的一个电压矢量序列所描述。定义vsr输出的8个电压矢量分别为u
r，x
＝u
rα，x
+ju
rβ，x
(x＝0，1，
…
，7)。并得出电压型整流器vsr开关状态与输出电压的对应关系，8个不同开关状态s
x
分别对应8种不同的空间电压矢量u
r，x
，除两条零矢量外，其余的6条非零矢量均匀分布在αβ坐标系上。对于任意一条给定的空间电压矢量，都可用其所在扇区附近的其余电压矢量合成进行表示。同时确定每个扇区的电压矢量最优切换序列oss。
[0089]
步骤5，利用功率的瞬时变化率，预测出电压矢量序列中第i个电压矢量所对应的瞬时功率。并利用关于功率的代价函数，得出可使代价函数值最小的一组瞬时功率所对应的最优电压矢量序列。具体为：
[0090]
步骤5.1，利用功率的瞬时变化率，预测出电压矢量序列中第i个电压矢量所对应的瞬时功率。可得出在给定vsr电压矢量作用下，在相关作用时间内有功功率p和无功功率q的变化轨迹为：
[0091]
pi＝p
i-1
+f
pi
t
ij
[0092]
qi＝q
i-1
+f
qi
t
ij
[0093]
式中：{p
i-1
，q
i-1
}表示在电压切换序列中，第i个电压矢量开始作用时有功功率和
无功功率的初始值。t
ij
表示电压矢量作用时间，且t
1j
＝t
4j
＝t
5j
＝t
8j
，t
2j
＝t
7j
，t
3j
＝t
6j
。为便于计算，令t
s0j
＝t
1j
＝t
4j
＝t
5j
＝t
8j
，t
s1j
＝t
2j
＝t
7j
，t
s2j
＝t
3j
＝t
6j
，t
s0j
代表零电压矢量作用时间；t
s1j
代表第一个有效电压矢量作用时间；t
s2j
代表第二个有效矢量作用时间。{pi，qi}表示电压矢量作用时间结束时的功率值。
[0094]
步骤5.2，并利用关于功率的代价函数，得出可使代价函数值最小的一组瞬时功率所对应的最优电压矢量序列。模型预测控制中常利用代价函数来描述所期望得到的系统运行状态，并最小化代价函数来确定最优的操作方式。本文所提的控制方式中关于功率的代价函数表示为：
[0095][0096]
式中：p
ref
、q
ref
分别为给定有功功率和给定无功功率，p
ref
由功率电压外环给出，因vsr在单位功率因数运行，所以q
ref
设置为0。
[0097]
利用使代价函数最小解的条件，
[0098][0099]
得出使代价函数取最小值的t
s0j
、t
s1j
、t
s2j
，如下所示：
[0100][0101][0102]
t
s0j
＝(ts/2-t
s1i-t
s2i
)/2
[0103]
式中：e
pk
＝p
ref-pk，e
qk
＝q
ref-qk。
[0104]
通过对6个不同扇区对应电压矢量序列的遍历求解，可以得出使代价函数最小的电压切换序列，定义为最优电压矢量序列。
[0105]
步骤6，利用最优切换序列oss和最优电压矢量作用时间t
op
计算输出最优占空比d
op
，将占空比与三角载波比较，得出电压最优切换序列下的开关状态并作用于功率开关器件。具体为：
[0106]
能够使代价函数值最小的那一组瞬时功率所对应的电压矢量序列被认为是最优开关序列(oss)，定义为u
sj
＝u
sop
。该组oss对应的扇区j被认为是最优扇区。同时u
sop
对应的零矢量和两个非零矢量的作用时间分别为t
s0j
、t
s1j
、t
s2j
，最优电压矢量作用时间表示为t
op
＝{t
s0op
，t
s1op
，t
s2op
}。通过对最优开关序列oss中电压矢量产生高电平的时间占采样周期ts的比值可得出最优占空比d
op
，其计算公式为：
[0107][0108]
式中：u
sop
(0)、u
sop
(1)、u
sop
(2)分别为最优电压矢量开关序列u
sop
中的零电压矢量、第一个有效矢量和第二个有效矢量。s
x
表示电压矢量u
r,x
对应的abc三相的开关状态。