[發明專利]優化電壓矢量的維也納整流器的模型預測控制方法及系統

有效

• 申請號: 202110994917.8
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113676065B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 張承慧;劉暢;邢相洋;張博學;張洪亮
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217;H02M1/088;H02M1/12;H02M1/32;B60L53/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

本公開提出了優化電壓矢量的維也納整流器的模型預測方法及系統，包括：對當前時刻的維也納整流器進行采樣，得到當前時刻的維也納整流器的三相輸入電流和電壓以及電網電壓；將當前時刻的維也納整流器的三相輸入電流和電壓以及電網電壓輸入維也納整流器的數學模型，得到下一時刻參考預測輸入電壓；基于有限集模型分析所有不同種類候選空間電壓矢量對中點平衡的影響，構建不含權重因子的價值函數，得到價值函數的最小值；進行中點浮動判斷，根據價值函數的最小值，計算出候選矢量最佳的作用時間，進行占空比計算，以此控制整流器開關管的動作。

技術領域

本公開涉及開關變換器技術領域，特別是涉及優化電壓矢量的維也納整流器的模型預測方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

為了解決傳統燃油汽車消耗化石能源，以電作為清潔能源的電動汽車進入人們的視野，而維也納整流器作為AC/DC變換器，也已經被運用在電動汽車充電樁中。

在高壓大功率場合，二極管箝位三電平整流器由于其耐壓等級高、輸出電壓電平數多、交流電流諧波少、開關器件的電壓應力低等優勢得到了廣泛應用。但與傳統兩電平整流器比較，三電平整流器包含開關器件多，調控復雜。所以，為了將三電平優質輸出波形的特點，與兩電平開關器件少的優點相結合，三電平維也納整流器應運而生。維也納整流器由于效率高、開關數量少，已被廣泛應用于電動汽車充電系統和工業應用中，極具應用前景。

但是由于維也納整流器每相含有兩個二極管，這就必須要求輸入電流和電壓同相位，否則會產生嚴重的過零點畸變，并且這種畸變與直流側中點平衡的控制存在耦合性。不恰當的調控會增大輸入電流諧波，降低系統效率。增大電感雖然可以減少電流諧波，但是會增大體積，提高可視成本。除此之外，較大的開關損耗會減少系統壽命，不確定的開關頻率會增加濾波器的設計難度。這些問題都影響著維也納整流器安全、穩定、高效、可靠運行，大大增加系統損耗。

隨著微處理器技術的發展，模型預測控制(model?predictive?control,MPC)能夠實現多目標同步優化控制，且無需PWM模塊或比例積分(PI)控制器。它是一種通過建立受控過程的在線模型來預測和優化控制策略，在價值函數中計算所需對象和預測對象之間的誤差，并在每個采樣周期中施加約束條件。基于MPC?的優點，可以實現對維也納整流器的多目標控制。然而，隨著變換器電壓水平的增加，MPC的計算量呈指數增長。例如，對于三相整流器，兩電平中有8(2³)?個矢量，三電平中有27(3³)個矢量。此外，在進行多目標MPC時，通常在價值函數中引入權重因子。權重因子不僅增加了MPC的計算負擔，而且其選擇和調試的過程通常是一項繁瑣的任務。為了提高計算效率，現有技術提出了基于簡化模擬退火的MPC方法，該方法對權重因子進行了在線優化，而不是去除權重因子。然而，剩余的權重因子依然增加了計算負擔。因此，MPC需要克服的問題之一是在實現多目標優化控制的同時，減少計算量和消除權重因子，提高控制器響應速度。

近年來，有許多學者對維也納整流器的多目標MPC控制策略進行了大量研究。如下：

(1)提出了一種改進型MPC來處理多個控制目標。然而，上述方法在一個采樣時間內只選取一個空間矢量來跟蹤參考電壓，增大了電流諧波。

(2)提出了雙矢量MPC方法來改善電流質量。不幸的是，由于維也納整流器拓撲的特殊性，當電壓和電流不在同一個方向時，會發生嚴重的電流過零點畸變。因此，傳統的雙矢量MPC方法不能直接移植到維也納整流器。

(3)提出了一種不含加權因子的針對維也納整流器拓撲的雙矢量MPC方法。但電流諧波的減少很大程度受電感大小的影響，最重要的是，該方法無法固定在每個周期內的開關頻率，也沒有考慮減少開關損耗。