不平衡电网下AC-DC矩阵变换器的新型模型预测控制及二阶扩展复数卡尔曼滤波器

本发明涉及电力电子，特别涉及关于在不平衡电网环境下ac-dc矩阵变换器的新型模型预测控制方法及二阶扩展复数卡尔曼滤波器方法。

背景技术：

1、ac-dc矩阵变换器可以在一个阶段实现buck型整流和boost型逆变，其在ac-dc混合微网、车载电网(v2g)系统、可再生能源发电等应用中显示出巨大的潜力。现有的ac-dc矩阵变换器模型预测控制研究主要集中在离散型模型预测控制，其存在着开关频率可变，计算负担较大等问题。由于实际应用中经常出现电网电压不平衡现象，不平衡的电网电压会在直流侧产生纹波，并在ac-dc矩阵变换器的电网电流上产生低次谐波，降低并网电能质量。尽管模型预测控制有其优越性，但只有少数研究考虑了不平衡电网电压下的控制问题，且现有提取对称分量的技术均有响应速度慢和易被噪声干扰等缺点。

2、本发明提出一种新型模型预测控制，其具有固定的开关频率，改善了电能质量。根据电网电流相位角选择有效矢量，不会产生评估价值函数的计算负担。同时，提出了一种二阶扩展复数卡尔曼滤波器提取电网电压对称分量，其具有更快的响应时间和更小的误差，并使提出的新型模型预测控制扩展到不平衡电网系统中。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种新型模型预测控制方法及二阶扩展复数卡尔曼滤波器方法，用于不平衡电网下ac-dc矩阵变换器的控制，实现恒定开关频率，有效地降低计算负担及改善电能质量。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

2、本发明所述的ac-dc矩阵变换器的拓扑结构由三相交流电源，输入滤波器、输出滤波器、ac-dc矩阵变换器、直流负载组成。ac-dc矩阵变换器由六个双向开关组成，能够双向传导电流。双向开关由连接在共发射极的绝缘栅双极晶体管(igbt)构成。例如，sap由sap1和sap2组成。变换器通过lc滤波器连接到交流侧，通过l滤波器连接到直流侧，以滤除高频谐波。由于变换器由电压源供电，交流侧电容电压不得短路。此外，考虑到直流负载的电感性质，不允许开路。因此，在任何时候，三个上臂中只有一个双向开关必须打开，三个下臂中只有一个双向开关必须打开。因此ac-dc矩阵变换器由9种可能的开关状态控制，其中包括6个有效矢量i1-i6和三个零矢量i7-i9。

3、二阶扩展复数卡尔曼滤波器提取电网电压的对称分量，并对其进行时间补偿，以满足控制策略的需要。电网电流参考值通过电网电压的对称分量计算，以在不平衡电网下防止有功功率震荡。根据各采样值和计算值，最终用所提出的新型模型预测控制得出最优和次优开关矢量及其占空比和零矢量的占空比，利用pwm得出每个控制周期最优开关序列，并在换向策略后的下一个采样步骤中应用。

4、根据本发明实施例的新型模型预测控制方法及二阶扩展复数卡尔曼滤波器方法，至少具有以下有益效果：在恒定开关频率下实现对ac-dc矩阵变换器的控制，避免了lc谐振，无需使用额外阻尼措施；根据电网电流相位角选择两个最佳有效开关矢量，降低评估价值函数的计算负担，提高系统性能；在随机噪声干扰下，二阶扩展复数卡尔曼滤波器也能精确计算对称分量，且避免了调谐和延迟问题；在电网不平衡的情况下，有效地改善并网电能质量。

5、根据本发明的实施例，所述步骤s2包括：构建一个新的状态空间方程，并提出了一个二阶扩展复数卡尔曼滤波器来计算对称分量及补偿电网电压时间，即使在噪声系统中。

6、电网电压随时间的变化可以用以下状态空间模型：

7、x(k+1)＝ax(k)  (1)

8、其中，状态向量x(k)和离散状态转移矩阵a由下式给出:

9、

10、

11、非线性系统可以通过具有以下递归表达式的非线性状态模型来建模:

12、

13、

14、其中，f(x(k),u(k))是将当前状态x(k)和当前输入u(k)预测到未来状态x(k+1)的非线性函数，h(x(k))是将当前测量值z(k)关联到当前状态x(k)的非线性函数。w1(k)和w2(k)是不相关的零均值白噪声，分别用协方差矩阵q和r描述过程和模型中的噪声。二阶扩展复数卡尔曼滤波器可以在预测阶段使用以下公式来实现:

15、

16、

17、k(k)＝p-(k)ht(k)(r+h(k)p-(k)ht(k))-1  (8)

18、其中，x-(k)为未校正状态量，x+(k-1)为校正状态量，f(x+(k-1),u(k-1))为非线性系统模型，p-(k)为未校正状态误差协方差矩阵，p+(k-1)为校正状态误差协方差矩阵，k(k)为卡尔曼增益，fx(k-1)是一阶线性化的状态转移矩阵，hx(k)是一阶线性化的测量矩阵，fxx(k-1)是二阶线性化的状态转移矩阵，hxx(k)是二阶线性化的测量矩阵。n为状态向量x的维数，ei为第i个笛卡尔基本向量，在3维系统中笛卡尔基本向量分别为e1＝[1 0 0]t，e2＝[01 0]t，e3＝[0 0 1]t。在每一次迭代中，使用最新的测量值来校正未校正的状态更新。二阶扩展复数卡尔曼滤波器的校正方程为：

19、x+(k)＝x-(k)+k(k)z(k)-h(x-(k))  (9)

20、p+(k)＝(i-k(k)h(k))p-(k)  (10)

21、根据本发明的实施例，所述步骤s4包括：为了控制有功功率和无功功率，二阶扩展复数卡尔曼滤波器预测k+2时刻的电网电压对称分量；因此，可以直接计算k+2时刻的参考电流。为防止有功功率振荡，电网电流参考值计算如下:

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、其中和是k+2时刻电网电压的正序分量，和是k+2时刻电网电压的负序分量，p*和q*分别是有功和无功功率参考值。

29、根据本发明的实施例，所述步骤s6包括：计算电流方向矢量并通过与正切函数值比较确定矢量所在扇区，从而确定最优开关矢量sopt和次优开关矢量s′opt。计算电流方向矢量公式为：

30、

31、根据本发明的实施例，所述步骤s9包括：在选取最优和次优开关矢量后，计算各开关矢量占空比，以合成参考矢量。提出的新型模型预测控制中有效矢量和零矢量的占空比可以通过解决以下方程组来得出

32、

33、其中和i0分别是施加最优开关矢量sopt,次优开关矢量s′pt和零矢量会产生的电网电流，d1,d2和d0分别是有效矢量和零矢量的占空比。

技术特征：

1.一种在不平衡电网环境下ac-dc矩阵变换器的新型模型预测控制方法及二阶扩展复数卡尔曼滤波器方法，其特征在于，包括以下步骤：二阶扩展复数卡尔曼滤波器提取电网电压的对称分量，并对其进行时间补偿，以满足控制策略的需要；电网电流参考值通过电网电压的对称分量计算，以在不平衡电网下防止有功功率震荡；根据各采样值和计算值，最终用所提出的新型模型预测控制得出最优和次优开关矢量及其占空比和零矢量的占空比，利用pwm得出每个控制周期最优开关序列，并在换向策略后的下一个采样步骤中应用。

2.根据权利要求1所述的二阶扩展复数卡尔曼滤波器提取对称分量方法，其特征在于，所述步骤s2包括：构建一个新的状态空间方程，并提出了一个二阶扩展复数卡尔曼滤波器来计算对称分量及补偿电网电压时间，即使在噪声系统中。

3.根据权利要求1所述的ac-dc矩阵变换器的新型模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤s4包括：为了控制有功功率和无功功率，二阶扩展复数卡尔曼滤波器预测k+2时刻的电网电压对称分量；因此，可以直接计算k+2时刻的参考电流。为防止有功功率振荡，电网电流参考值计算如下:

4.根据权利要求1所述的ac-dc矩阵变换器的新型模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤s6包括：计算电流方向矢量并通过与正切函数值比较确定矢量所在扇区，从而确定最优开关矢量sopt和次优开关矢量s′opt。计算电流方向矢量公式为：

5.根据权利要求1所述的ac-dc矩阵变换器的新型模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤s9包括：在选取最优和次优开关矢量后，计算各开关矢量占空比，以合成参考矢量。提出的新型模型预测控制中有效矢量和零矢量的占空比可以通过解决以下方程组来得出

6.根据权利要求1-5所述的ac-dc矩阵变换器的新型模型预测控制方法，其特征在于，所述矢量为9个。

技术总结
本发明公开了一种不平衡电网环境下AC‑DC矩阵变换器的新型模型预测控制方法及二阶扩展复数卡尔曼滤波器方法，包括以下步骤：二阶扩展复数卡尔曼滤波器提取电网电压的对称分量，并对其进行时间补偿，以满足控制策略的需要。电网电流参考值通过电网电压的对称分量计算，以在不平衡电网下防止有功功率震荡。根据各采样值和计算值，最终用所提出的新型模型预测控制得出最优和次优开关矢量及其占空比和零矢量的占空比，利用PWM得出每个控制周期最优开关序列，并在换向策略后的下一个采样步骤中应用。根据本发明实施例至少具有如下有益效果：在恒定开关频率下实现对AC‑DC矩阵变换器的控制，避免了LC谐振，无需使用额外阻尼措施，降低评估价值函数的计算负担，提高系统性能；在随机噪声干扰下，二阶扩展复数卡尔曼滤波器也能精确计算对称分量，且避免了调谐和延迟问题；在电网不平衡的情况下，有效地改善并网电能质量。

技术研发人员：吴明海,邓文浪,胡英杰,谢海鹏,杨卓,闫晗,唐兆宏,张梦舟
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14