[發明專利]一種單相脈沖整流器低開關頻率模型預測功率控制算法

有效

• 申請號: 201611125974.8
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106787845B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 宋文勝;馬俊鵬;馮曉云
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 劉凱;崔建中

本發明公開了一種單相脈沖整流器低開關頻率模型預測功率控制算法，在低開關頻率下，通過模型預測功率算法計算出有功功率和無功功率的功率預測值，進而計算使得評價函數最小的最優控制量在旋轉坐標系下的分量，再通過伏秒平衡補償算法求得經過伏秒補償后的調制波，最后結合脈寬調制策略生成開關控制信號，完成單相脈沖整流器的控制。本發明提高了單相脈沖整流器模型預測功率控制算法的控制精度，無須反復計算評價函數，降低了算法的復雜度，提高了控制和采樣頻率，具有良好的動態和穩態性能；算法靈活度高，可采用不同的調制策略與控制算法配合，滿足不同應用場合的需求。

技術領域

本發明涉及電力電子與電力傳動領域中單相PWM變流器控制系統技術領域，具體為一種單相脈沖整流器低開關頻率模型預測功率控制算法。

背景技術

單相脈沖整流器具有能量可雙向流動，網側電壓、電流保持單位功率因數，直流側電壓恒定等優點，故而被廣泛應用于大功率鐵路牽引傳動系統、UPS電源等。目前，單相整流器控制算法主要包括間接電流控制，滯環電流控制，瞬態電流控制及dq軸電流解耦控制。

為了提高整流器的控制精度及動態性能，適用于三相整流器的直接功率控制算法以瞬時功率理論為基礎，直接控制有功功率和無功功率，使脈沖整流器達到網側單位功率因數、直流側電壓恒定等性能指標。傳統的直接功率控制算法采用滯環開關表控制有功和無功功率，響應速度快，但其開關頻率不固定、諧波分布廣泛、不利于網側濾波器設計，故而實際系統中很少采用該算法；對此，提出了基于模型預測的功率控制算法，傳統模型預測功率控制算法通過反復計算和比較每一種開關狀態對應的評價函數，選擇合適的開關狀態，進而生成整流器的門極控制信號；然而傳統模型預測控制的開關頻率不確定，諧波分布廣泛，制約了其在實際工程中的應用。

為解決模型預測直接功率控制開關頻率不固定的問題，有學者提出兩矢量模型預測直接功率控制，通過最優化占空比方法實現定頻控制，然而該算法仍然需要反復計算和比較不同開關狀態下的評價函數大小，因此增加了算法的計算量，為克服模型預測控制計算量大的缺點，相關學者提出基于最優調制波的模型預測功率控制策略，結合脈沖寬度調制(PWM)，實現定頻模型預測控制。雖然該算法能夠實現固定開關頻率的模型預測控制，然而在低開關頻率下的模型預測控制仍然無法實現，控制精度將隨著開關頻率的降低迅速惡化。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提出一種低開關頻率模型預測功率控制算法，該算法無須反復計算評價函數，利用模型預測思想，直接計算最優調制函數，通過伏秒平衡補償算法對低開關頻率引起的伏秒不平衡現象進行補償，進而實現高精度的模型預測直接功率控制，同時降低了控制算法的復雜度。技術方案如下：

一種單相脈沖整流器低開關頻率模型預測功率控制算法，包含以下步驟：

步驟1：通過式(1)估算有功功率和無功功率在下一占空比更新周期的瞬時值：

其中，T_s為開關周期，n表示半開關周期(T_s/2)的個數，ω為電網電壓角頻率，u_abd和u_abq分別表示整流器輸入電壓在d-q同步旋轉坐標系下的d軸分量和q軸分量；u_m表示網側電壓幅值，L為網側電感值；A₁和A₂為初始參數，由第n個半開關周期起始時刻有功功率P和無功功率Q的瞬時值決定，其表示為

其中，T_c表示控制周期，k表示最接近第n個半開關周期的控制周期數；

步驟2：定義評價函數J為：