用于光储直柔系统的三相PWM整流器模型预测控制方法与流程

本发明涉及电力电子，具体涉及一种用于光储直柔系统的三相pwm整流器模型预测控制方法。

背景技术：

1、在光储直柔系统以及电动汽车的能量源系统等应用背景中，通过三相pwm整流器实现网侧单元与直流母线间的双向功率传输，因此三相pwm整流器的电压增益范围、功率密度等特性直接影响着系统的运行性能。三相pwm整流器通常采用d-q坐标系下的电压外环与电流内环相结合的双闭环控制结构，通过对双环pi控制器参数的设计与整定，可以获得良好的稳态性能。传统的由电压外环和电流内环组成的双闭环控制策略虽然原理简单，易于实现，稳态性能好，但是在面对网侧电压波动，负载变化，尤其是光储直柔系统中光伏侧输出功率波动，直流母线侧负载切换等情况时，双闭环的方法动态性能较差。目前提出的控制方法有滑模控制、自适应控制、无差拍控制、模型预测控制等方法。

2、滑模控制方法一般具有良好的动态性能，但要保证其稳态性能，需要较高的开关频率，而且对系统参数有一定依赖性，控制器设计较为复杂；电网电压自适应整流器控制策略通过观测网侧电压，以有功电流控制是否饱和作为开启条件，通过注入无功电流，稳定直流侧电压的方法，提高了整流器工作的可靠性，同时增强了整流器对网侧电压波动的鲁棒性；无差拍控制一般利用空间矢量调制，固定直接功率控制和电流预测控制的开关频率，具有良好的动态响应速度，但也对系统参数有一定程度的依赖性；模型预测控制在处理非线性系统复杂约束优化问题中，表现出极大优势，受到了广泛关注。其通过建立的系统模型，预测变量在预定义时间内的变化行为，并利用设计的价值函数选择最优路径，理论上达到最优控制目的。相较于经典控制策略，建立系统模型、加入反馈校正、持续滚动优化是模型预测控制的主要特征，有限集模型预测控制具有良好的动态性能，且价值函数设计灵活方便，但是稳态开关频率不固定，给滤波器的设计造成困难。

3、因此，为保证整流器的稳定运行时的电能质量和负载切换时的表现，并且使控制系统易于设计且具有一定的抗干扰能力，需要提供一种具有良好稳态性能、良好动态性能、设计简易、鲁棒性强的pwm整流器控制策略。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种用于光储直柔系统的三相pwm整流器模型预测控制方法，利用pwm调制的环节固定系统的开关频率，以满足对变换器稳态性能的需求、减少开关损耗并简化滤波器设计。同时保留了模型预测控制良好的动态性能。

2、本发明通过如下技术方案来实现：用于光储直柔系统的三相pwm整流器模型预测控制方法，步骤如下：

3、步骤一、直流母线电压udc和直流侧电压参考值udc*作差后经过pi控制器，产生有功电流参考值id*，无功电流参考值iq*设定为0，以保证单位功率因数，再进行两相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，即产生为两相静止坐标系下的α轴电流参考值iα*和β轴电流参考值iβ*，其中两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换所用相位θ是锁相环由网侧电压获取的；

4、步骤二、计算12组开关序列(v0～11)中三种不同开关状态的作用时间，包括第一个非零电压矢量的作用时间t1、第二个非零电压矢量的作用时间t2和零电压矢量的作用时间t0，再对12组开关序列下的下一采样周期电流进行预测；

5、步骤三、开始在线价值函数寻优的过程，即找出12组开关序列中使价值函数绝对值最小值jmin的一组开关序列，将其用于下一控制周期的三相pwm整流器调制。

6、进一步优选，不同开关状态的作用时间由电流变化率对实际电流的影响并结合无差拍控制的思想进行计算，则在k+1时刻预测值通过下式进行预测：

7、

8、其中，iα(k)为两相静止坐标系下k时刻α轴电流预测值，iα(k+1)为两相静止坐标系下k+1时刻α轴电流预测值，iβ(k)为两相静止坐标系下k时刻β轴电流预测值，iβ(k+1)为两相静止坐标系下k+1时刻β轴电流预测值，σα1为第一个非零电压矢量对应的α轴电流变化率，σα2为第二个非零电压矢量对应的α轴电流变化率，σα0为零电压矢量对应的α轴电流变化率，σβ1为第一个非零电压矢量对应的β轴电流变化率，σβ2为第二个非零电压矢量对应的β轴电流变化率，σβ0为零电压矢量对应的β轴电流变化率；t1为第一个非零电压矢量的作用时间，t2第二个非零电压矢量的作用时间，t0为零电压矢量的作用时间。

9、进一步优选，电流变化率的计算过程为：

10、σαi第i个电压矢量对应的α轴电流变化率、σβi表示第i个电压矢量对应的β轴电流变化率，i∈{1,2,0},可由下式求得：

11、

12、其中，eα为α轴网侧电压采样值，eβ为β轴网侧电压采样值，uαi为第i个电压矢量的α轴分量，uβi为第i个电压矢量的β轴分量。

13、进一步优选，使用无差拍控制方法，使电流快速跟踪，即：

14、

15、其中，为k时刻两相静止坐标系下的α轴电流参考值，为k时刻两相静止坐标系下的β轴电流参考值。

16、进一步优选，由式(1)～式(3)，可求得各电压矢量作用时间t1、t2、t0：

17、

18、其中，δiα(k)为两相静止坐标系下k+1时刻α轴电流跟踪误差，δiβ(k)为两相静止坐标系下k+1时刻β轴电流跟踪误差，ts为控制周期。

19、进一步优选，在筛选出可用的开关序列及计算出各电压矢量对应时间t1、t2、t0后，由式(1)和式(2)预测出iα(k+1)和iβ(k+1)。

20、进一步优选，价值函数设定为：

21、

22、其中，sa(k)1为k时刻首先和最后使用的电压矢量a相的开关状态，sa(k-1)1为k-1时刻首先和最后使用的电压矢量a相的开关状态；sb(k)1为k时刻首先和最后使用的电压矢量b相的开关状态，sc(k-1)1为k-1时刻首先和最后使用的电压矢量a相的开关状态。

23、本发明还提供一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述用于光储直柔系统的三相pwm整流器模型预测控制方法。

24、本发明提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器。电子设备还可以包括：输入装置和输出装置；处理器、存储器、输入装置和输出装置通过总线或者其他方式连接；处理器通过运行存储在存储器中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述用于光储直柔系统的三相pwm整流器模型预测控制方法。

25、与现有技术相比，本发明将模型预测电流控制与pwm调制结合，从每个控制周期单电压矢量改每个周期两个有效电压矢量和一个零电压矢量的组合，并且要按照参考电流计算出每个矢量的作用时间，这样就成功结合了pwm调制，因此固定了开关频率，即为pwm载波频率，电流谐波频率有规律，减小了滤波器设计难度，计算量减小，获得了更好的动静态控制性能。的有益效果是：本发明采用模型预测电流控制，不需要大量的功率计算部分，直接对电流进行控制，更加减轻了计算量。尽可能降低电流thd，电流波形十分平滑且正弦。本发明的pwm整流器由于应用场景的要求，可以快速进行双向运行的切换，能够被广泛应用于电动汽车、光储直柔系统等场合中。