CN108153150A - 基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，针对整流级作用矢量的选取，提出了对各有效矢量对应的价值函数直接排序的思想，选出最小两个价值函数所对应的有效矢量作为下一时刻整流级的作用矢量，并根据价值函数求取其作用占空比，针对逆变级，提出了将参考输出电流转化为期望输出电压，根据期望输出电压矢量在两相静止坐标系位置分布，选择两个有效矢量和一个零矢量，根据输出相位角求得各矢量占空比。本发明简化了整流级作用矢量的选取过程，逆变级不存在价值函数的求取和开关状态的遍历寻优，大大降低了系统的计算量，不存在权重因子的设置且系统开关频率固定，对选出的开关状态再次分配，实现了整流级的零电流换流。

Description

基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略

技术领域

本发明涉及双级式矩阵变换器的模型预测控制，具体涉及双级式矩阵变换器整流级矢量选择方法的优化，逆变级不存在价值函数的求取和开关状态的遍历寻优。

背景技术

相比较于传统的背靠背式变换器，矩阵变换器(MC)具有功率密度高、可四象限运行、输入电流正弦，输入功率因数可调等优点，因此常用于高功率密度场合，如电机驱动，电能质量改善和风力发电等许多领域。近年来引起国内外众多学者的研究，主要集中在调制策略、稳定性分析、换流方法和提高电压传输比等方面。

间接式矩阵变换(Indirect Matrix Converter，IMC)是在直接式矩阵变换器(Direct Matrix Converter，DMC)的基础上衍生出来的。其拓扑结构分为整流级和逆变级，整流级采用双向开关以实现输入侧波形的调制。与DMC相比，IMC不仅继承了DMC所有的优点，而且克服了DMC钳位电路庞大、换流方式复杂等缺点。可实现整流级的零电流换流，逆变级不存在特殊的换流方式，因此逆变级可实现较高的开关频率，除此之外，这种拓扑不需要较为复杂的调制策略，这也使得IMC具有更好的发展潜力和应用前景。

由于输入滤波器的引入，使得常规的DSVPWM调制并不能实现网侧单位功率因数，需采用复杂的控制方法与DSVPWM结合实现单位功率因数和正弦输出电流的控制目标。除此之外，由于输入输出的直接耦合，也大大增加了调制策略和控制算法的复杂程度。为了提高系统的响应速度，20世纪80年代Campo Peter J提出了模型预测控制算法(ModelPredictive Control，MPC)。

MPC相比较于传统的调制和控制方法具有诸多优势，例如可同时实现多个目标的控制，且拥有较好的动态性能等。目前，IMC已广泛采用MPC以获得正弦的输入输出电流，输入无功功率控制和减小共模电压，由于传统的MPC在每个采样周期选取只选取一个最小的价值函数所对应的开关状态，由于缺乏调制，开关频率的不固定将会导致输入、输出波形较大纹波。此外，当含有多个控制目标时，权重因子的确定也较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于简化整流级作用矢量的选取过程，省去逆变级价值函数的求取和开关状态的遍历寻优，降低系统的计算量，并消除权重因子的设置，实现整流级的零电流换流。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述双级式矩阵变换器由整流级和逆变级构成，在本发明中，通过对整流级各有效矢量对应的价值函数排序，选出最小两个价值函数所对应的有效矢量作为下一时刻整流级的作用矢量，并根据价值函数求取其作用占空比，针对逆变级，提出了将参考输出电流转化为期望输出电压，根据期望输出电压矢量在两相静止坐标系位置分布，选择两个有效矢量和一个零矢量，根据输出相位角求得各矢量占空比。然后重新分配开关状态，对整流级和逆变级均采用SVPWM调制技术，具体如下：

(1)检测三相网侧电流和电压，检测双级式矩阵变换器输入侧三相电压和双级式矩阵变换器输出电流，通过预测模型预测三相网侧电流和三相输出电流；

(2)根据约束条件选出六个有效矢量中能产生正的直流侧电压的矢量，根据价值函数的定义求取整流级选出有效矢量对应的价值函数，然后利用排序算法对其排序，选择价值函数最小的两个对应的有效矢量作为整流级下一时刻作用的矢量；

(3)根据选择出来的有效矢量和其对应的价值函数，计算出各矢量作用的占空比，然后求出虚拟直流侧电压的平均值；

(4)将三相输出电流参考值转化为三相期望输出电压，根据期望输出电压矢量在两相坐标系位置的分布，选取两个有效矢量和一个零矢量；

(5)根据(4)可求出期望输出电压幅值和(3)求出的直流侧电压一周期的平均值，进而可求出逆变级调制比m_inv；

(6)根据功率守恒原则，计算虚拟直流侧电流一周期内的平均值，用于整流级下一时刻网侧电流的预测。

本发明与已有技术相比具有明显的优点和有益效果，借助上述技术方案，本发明一种基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测的控制方法可达到相当的技术进步性和实用性，为基于模型预测控制的双级式矩阵变换器在实际的市场应用提供了理论依据，其至少具有下列优点：

(1)本发明针对整流级作用矢量的选取，提出了直接对矢量价值函数排序，不存在组合价值函数的求取，简化了整流级有效矢量的选取过程；

(2)本发明针对逆变级开关状态的选取，提出了将参考输出电流转换为期望输出电压，根据其在两相静止坐标系下的位置分布，通过查表法选取作用矢量，根据输出相位角计算作用占空比，因此逆变级不存在开关状态的遍历寻优，极大降低了系统计算量；

(3)由于将模型预测控制技术和空间矢量调制技术相结合，因此系统开关频率固定，谐波分布较为集中，便于滤波器的设计。

附图说明

图1是双级式矩阵变换器拓扑结构图

图2是双向开关结构

图3是程序实现流程图

图4是期望输出电压矢量在αβ平面的分布图

具体实施方式

一种基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测的控制方法，其特征在于：基于空间矢量调制，整流级开关状态的选取方法优化，逆变级遍历寻优次数优化。

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

双级式矩阵变换器拓扑结构如图1所示，开关主电路分为两级：整流级和逆变级。整流级是由六个双向开关组成的电流源型整流器，其结构图如图2所示，逆变级是传统的三相两电平电压源型逆变器。通过虚拟直流侧耦合在一起，因此整流级可采用零电流换流方式，减小开关损耗。

根据电压源和电流源的特性，IMC在工作过程中必须遵循3个基本原则：

(1)IMC的三相输入端中任意两相之间不能短路，避免使电压源短路造成过电流；

(2)IMC的三相输出端中的任意一相电路不能断路，以防止感性负载突然断路而引起过电压；

(3)直流侧电压应该始终为正，以避免电源短路。

根据上面的约束条件可知，整流级的有效矢量在任意时刻只有三个，而逆变级存在八个有效矢量。因此，对于传统的MPC，一共存在24种有效状态。

图3为基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制的程序实现流程图，其实现步骤如下所示：

(1)选取整流级下一时刻作用的两个有效矢量和计算其占空比。价值函数的计算如下公式所示：

g＝|i_ref-i(k+1)|；

式中：i_ref为电流参考值；i(k+1)为电流k+1采样时刻的预测值。

根据上式可计算出六个有效矢量所对应的价值函数g_i＝1…6,然后利用排序算法选出价值函数最小的两个所对应的有效矢量。

假设利用排序算法选出的矢量为I_δ和I_ζ，其价值函数分别为g_iδ和g_iζ，则定义各矢量作用占空比为：

(2)将参考输出电流转化为期望输出电压。

矩阵变换器带阻感负载时，利用前向欧拉法获得负载的离散模型：

式中：i_o(k+1)为输出电流k+1时刻的预测值，i_o(k)为实际的输出电流值，u_o(k)为变换器输出电压值。

对上式进行变换可得

为实现对输出电流的跟踪，则下一时刻的输出电流应与下一时刻输出电流参考值相等，即：i_o(k+1)＝i_oref。

因此可计算出用于逆变级调制的期望输出电压：

(3)根据期望输出电压矢量在两相坐标系位置的分布，选取两个有效矢量和一个零矢量，并计算其作用占空比。

图4为期望输出电压矢量在αβ平面的分布图，逆变级一共存在六个有效矢量{V₁,...,V₆}。他们的方向是固定的，由逆变级开关状态决定，但六个有效矢量的长度由整流级决定。根据输出电压矢量的分布将αβ平面分为六个扇区。

求出期望输出电压矢量后，可求得其在两相静止坐标系下的相位角，然后根据下式判断其所处扇区：

(2N-3)π/6≤θ_o≤(2N-1)π/6；

式中θ_o为期望输出电压矢量相位角；N为输出电压矢量所处扇区。

假设期望输出电压矢量位于第三扇区，其离V₁和V₃矢量最近，因此选择V₁和V₃矢量作为期望输出电压矢量合成的基准矢量。矢量的具体选择如表1所示。

表1逆变级作用矢量选择表

确定出扇区后，然后根据扇区选择逆变级有效矢量和零矢量。

(4)逆变级作用占空比的计算，根据步骤(3)可求出输出电压矢量相位角，还需要求出逆变级调制比。

选出整流级作用矢量I_δ和I_ζ后，其作用占空比由步骤(1)求得，进而可求得整个周期平均直流侧电压值：

u_dc＝d_iδu_dcδ+d_iζu_dcζ；

式中u_dcδ和u_dcζ为矢量I_δ和I_ζ分别单独作用一周期对应的直流侧电压值，u_dc为平均直流侧电压值。

输出电压幅值可根据下式求得：

因此可计算出逆变级调制比为：

计算出期望输出电压矢量，便可用于逆变级的SVPWM调制。逆变级的调制将会产生平均直流电流i_dc，其将被用于整流级的预测控制中，本发明基于能量守恒计算直流侧平均电流。假设逆变级不存在功率损耗，则虚拟直流侧功率等于输出功率，因此直流侧平均电流为：

式中：I_oref为参考输出电流幅值。

Claims (5)

1.基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，其特征在于：整流级对各有效矢量对应的价值函数排序，选出最小两个价值函数所对应的有效矢量作为下一时刻整流级的作用矢量，并根据价值函数求取其作用占空比，针对逆变级，提出了将参考输出电流转化为期望输出电压，根据期望输出电压矢量在两相静止坐标系位置分布，选择两个有效矢量和一个零矢量，根据输出相位角求得各矢量占空比；简化了整流级作用矢量的选取过程，逆变级不存在价值函数的求取和开关状态的遍历寻优，大大降低了系统的计算量，不存在权重因子的设置且系统开关频率固定，对选出的开关状态再次分配，实现了整流级的零电流换流。

2.如权利要求1所述的基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，其特征在于：选取整流级下一时刻作用的两个有效矢量和计算其占空比；价值函数的计算如下公式所示：

g＝|i_ref-i(k+1)|；

式中：i_ref为电流参考值；i(k+1)为电流k+1采样时刻的预测值；

根据上式可计算出六个有效矢量所对应的价值函数g_i＝₁…₆，然后利用排序算法选出价值函数最小的两个所对应的有效矢量；

假设利用排序算法选出的矢量为I_δ和I_ζ，其价值函数分别为g_iδ和g_iζ，则定义各矢量作用占空比为：

3.如权利要求1所述的基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，其特征在于：将参考输出电流转化为期望输出电压；

矩阵变换器带阻感负载时，利用前向欧拉法获得负载的离散模型：

式中：io(k+1)为输出电流k+1时刻的预测值，io(k)为实际的输出电流值，uo(k)为变换器输出电压值；

对上式进行变换可得：

为实现对输出电流的跟踪，则下一时刻的输出电流应与下一时刻输出电流参考值相等，即：i_o(k+1)＝i_oref；

因此可计算出用于逆变级调制的期望输出电压：

4.如权利要求1所述的基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，其特征在于：根据期望输出电压矢量在两相坐标系位置的分布，选取两个有效矢量和一个零矢量，并计算其作用占空比；

求出期望输出电压矢量后，可得其在两相静止坐标系下的相位角，然后根据下式判断其所处扇区：

(2N-3)π/6≤θ_o≤(2N-1)π/6；

式中θ_o为期望输出电压矢量相位角；N为输出电压矢量所处扇区；

确定出扇区后，然后根据扇区选择逆变级有效矢量和零矢量。

5.如权利要求4所述的基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，其特征在于：作用占空比的计算，已经求出输出电压相位角，还需要求出逆变级调制比；

选出整流级作用矢量I_δ和I_ζ后，其作用占空比由权利2求得，进而可求得整个周期平均直流侧电压值：

u_dc＝d_iδu_dcδ+d_iζu_dcζ；

式中u_dcδ和u_dcζ为矢量I_δ和I_ζ分别单独作用一周期对应的直流侧电压值，u_dc为平均直流侧电压值；

输出电压幅值可根据下式求得：

因此可计算出逆变级调制比为：

计算出输出电压矢量，便可用于逆变级的SVPWM调制；逆变级的调制将会产生平均直流电流i_dc，其将被用于整流级的预测控制中，本发明基于能量守恒计算直流侧平均电流；假设逆变级不存在功率损耗，则虚拟直流侧功率等于输出功率，因此直流侧平均电流为：

式中：I_oref为参考输出电流幅值。