基于模型预测和电压平方控制的pwm整流器的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三相电压型PWM整流器、柔性交直流变流器等研宄领域，特别涉及三 相桥式全控整流电路的双闭环控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会进步和工业发展，电力电子装置在电力系统输电配电和变电方面具有的 优越性能，已经被工农业等消费产业大量采用。然而，电力电子装置作为非线性负载，会向 电网注入大量的无功功率和谐波。首先，无功功率会影响电力系统的稳定性，会影响电力系 统公共连接点的其他用户的用电质量。其次，谐波会使得电力系统中的机械旋转设备如发 电机、变压器寿命老化；会使电网中的电感和电容发生谐振，危害其安全运行；会使电力系 统的继电保护装置误动作；会使电力系统的通讯设备受到干扰。在电力电子装置中，由于直 流电在工农业生产中广泛使用，整流设备占到了很大的比重。然而，传统的整流电路，如二 极管不控整流或者晶闸管相控整流，由于器件自身和控制方法的滞后导致其不可避免的出 现谐波和无功功率问题，产生以上所述的危害，对电力系统的安全稳定运行造成了极大的 威胁。
[0003] 基于全控器件的单位功率因数整流器（PWM整流器）自从提出之后就得到学者的 广泛的研宄和工程师的强烈关注。PWM整流器具有诸多优点：交流侧可单位功率因数运行、 输出直流电压可升压平滑调节、极低输入谐波含量、交流侧和直流侧的能量双向流动和快 速的动态响应等。这些优点给PWM整流器的发展应用带来了巨大的市场前景。现在PWM整 流器已被应用于柔性直流输电系统和中低压电能质量控制系统，成为改善输、配电系统稳 定性与可靠性的有效方法。
[0004] 随着PWM整流器的不断发展，传统基于电压定向控制（V0C)的双闭环PI控制策 略在工程应用中会出现以下问题：其直流侧输出的抗扰能力不够强，且动态响应速度不够 快。尤其是在应用于电动汽车充电粧时，由于大量随机的电动汽车自发充电的负载扰动，使 得充电粧的直流输出电压跌落，影响充电的效率。因此，需要一种新型的控制策略来实现对 PWM整流器的动态影响和抗扰能力进一步增强。
[0005] 针对PWM整流器动态响应和直流侧抗扰能力不够强的问题，许多研宄工作与成果 已被提出。有的研宄提出了一种基于模型预测控制的控制策略，电压外环和电流内环均是 通过预测控制来实现，以达到传统基于PI (比例积分控制器）的滞后控制所不能达到的快 速动态响应，但是该方法未考虑输出直流电压作为内环有功电流的给定时，其非线性变化 的关系会造成控制动作的不精确和低效。并且，求导以解代价函数的方法会耗费巨大的计 算时间。作为进一步的完善，又有研宄提出了一种定频有限集开关状态求解模型预测控制 的代价函数的控制方法，但是这种方法会增大交流侧电流的谐波含量。还有一类针对负载 扰动响应速度慢的问题提出采用负载前馈的方法，但其硬件上增加了测量点，使得成本变 高。为此，还需要对基于PWM整流器直流侧抗扰动能力的控制策略问题进行系统的研宄。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种基于模型预测和电压平方控制的 PWM整流器的控制方法，具体地说就是将三相电压型PWM整流器的电压外环控制对象采用 输出侧直流电压的平方，电流内环采用模型预测控制，并采用有限集开关状态来求解模型 预测控制的代价函数，配合预充电的软启动策略以实现PWM整流器对于输出直流侧的强抗 扰能力；相应的模型预测控制中代价函数的加权系数的选择可以直接决定整个PWM整流器 的THD (总谐波畸变率）含量和抗扰性能。
[0007] 本发明的重点在确定模型预测控制的加权系数和快速求解代价函数部分。
[0008] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0009] -种基于模型预测和电压平方控制的双闭环控制方法，利用与有功电流成线性关 系的电压平方作为外环，以模型预测控制为核心，采用预测控制和最优控制对PWM整流器 的输出抗扰能力进行提高，步骤如下：
[0010] 步骤1，确定三相电压型PWM整流器的离散数学模型
[0011] 步骤1. 1，根据基尔霍夫电压定律和电流定律，计算出abc坐标系下的整流器数学 模型，其表达式如下：
【主权项】
1.基于模型预测和电压平方控制的PWM整流器的控制方法，其特征在于：利用与有功 电流成线性关系的电压平方作为外环，以模型预测控制为核心，采用预测控制和最优控制 对PWM整流器的输出抗扰能力进行提高，步骤如下： 步骤1，确定三相电压型PWM整流器的离散数学模型 步骤1. 1，根据基尔霍夫电压定律和电流定律，计算出abc坐标系下的整流器数学模 型，其表达式如下：
其中，esx (X = a, b, c)表示交流侧电压，ix (X = a, b, c)表示交流侧电流，L表示交流 侧滤波电感值，R表示线路电阻、电感的等效电阻和开关器件的等效阻抗的加和，N点表示 直流侧的参考点位，〇点表示交流侧三相电压的中性点，V xN (X = a, b, c)分别表示整流器交 流侧三个输入端到直流侧参考点的电压，Vto表示直流侧参考点到交流侧中性点的电压； 步骤1.2,为便于控制，利用锁相环PLL获取电网电压当前的相位Θ = ?t，并将abc 坐标系下的数学模型经过同步旋转坐标变换得到基于dq坐标系下的数学模型，如下所示：
其中，d轴表示有功功率轴，q轴表示无功功率轴，且d轴滞后q轴90度，式中：ed, eq是 交流侧电网电压，esa, esb, esc在dq坐标系下的分量，同理：id, iq是整流器交流侧线电流 ia, ib, i。在dq坐标系下的分量；S d, Sq是开关状态S a, Sb, S。在dq坐标系下的分量，ω表示 电网的工频旋转角速度，vd。表示直流侧电压值，上述变换所使用的变换矩阵为：
矩阵中。^^表示是由abc坐标系向dq坐标系的变换，是步骤1. 2中利用锁相环 PLL获得的当前电网电压的相位； 步骤1.3,将dq坐标系下的微分数学模型中的前两项电流方程通过前向欧拉公式 f + 离散化，其中，T表示采样周期，k表示采样时刻，sd，s,为开关状态S k在 dq坐标系下的分量，离散化得到的数学模型即为三相电压型PWM整流器的电流离散数学模 型，其表达式如下：
i (k+1)