本發(fa)明屬于vienna整流器(qi)領(ling)域，尤(you)其涉及一(yi)種基于三相vienna整流器(qi)的無(wu)差(cha)拍預測直接功(gong)率控制(zhi)方法。

背景技術：

vienna整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)是治(zhi)理(li)電(dian)(dian)網(wang)諧(xie)(xie)波(bo)(bo)污染、改善電(dian)(dian)能(neng)質量的(de)(de)有(you)效手段(duan)，它(ta)可以(yi)降(jiang)低(di)電(dian)(dian)網(wang)中諧(xie)(xie)波(bo)(bo)含(han)量、提高(gao)功(gong)率(lv)因素。vienna整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)是由奧(ao)地利維(wei)也納(na)大學，kolarj.w.等學者(zhe)于(yu)1994年所(suo)提出(chu)的(de)(de)，該整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)最早用(yong)于(yu)提高(gao)通信電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)功(gong)率(lv)密度(du)。相(xiang)比與(yu)具(ju)(ju)(ju)有(you)功(gong)率(lv)因素校正(powerfactorcorrector，pfc)功(gong)能(neng)的(de)(de)傳統整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)拓(tuo)撲(pu)(pu)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)，vienna整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)拓(tuo)撲(pu)(pu)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)具(ju)(ju)(ju)有(you)相(xiang)對(dui)簡單的(de)(de)功(gong)率(lv)與(yu)控(kong)制電(dian)(dian)路、具(ju)(ju)(ju)有(you)良好的(de)(de)輸入電(dian)(dian)流(liu)(liu)諧(xie)(xie)波(bo)(bo)和輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)紋波(bo)(bo)性能(neng)、有(you)源(yuan)器(qi)(qi)(qi)(qi)件應力低(di)、效率(lv)高(gao)和功(gong)率(lv)密度(du)高(gao)等優點，因而得到了廣泛(fan)的(de)(de)運用(yong)。本發明對(dui)三相(xiang)vienna整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)進(jin)行研究，三相(xiang)vienna電(dian)(dian)路結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)簡單，開(kai)關(guan)二極管所(suo)承受(shou)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)為直流(liu)(liu)側電(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)一(yi)半，在同(tong)等條件下(xia)能(neng)有(you)效降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)管電(dian)(dian)壓(ya)(ya)應力。vienna整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)作用(yong)效果主(zhu)要(yao)與(yu)vienna拓(tuo)撲(pu)(pu)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)及其控(kong)制方法有(you)關(guan)，現今對(dui)vienna拓(tuo)撲(pu)(pu)結(jie)(jie)(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)研究基(ji)本很成熟(shu)，本專(zhuan)利主(zhu)要(yao)是針對(dui)三相(xiang)vienna整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)(qi)(qi)(qi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)內環的(de)(de)控(kong)制策(ce)略進(jin)行研究。

目前，對(dui)于vienna拓撲結(jie)構控(kong)制(zhi)方法主要有滯環(huan)(huan)控(kong)制(zhi)、基于svpwm的(de)(de)(de)pi控(kong)制(zhi)、單(dan)周(zhou)期控(kong)制(zhi)、滑(hua)膜(mo)變結(jie)構控(kong)制(zhi)器等(deng)(deng)。滯環(huan)(huan)電(dian)流控(kong)制(zhi)是一(yi)種典型的(de)(de)(de)非線性控(kong)制(zhi)方法，它(ta)通過(guo)實時比(bi)較(jiao)(jiao)指(zhi)令(ling)電(dian)流和檢測電(dian)流得(de)到電(dian)流誤差，并將得(de)到的(de)(de)(de)電(dian)流誤差信號(hao)送給預(yu)先設定環(huan)(huan)寬的(de)(de)(de)滯環(huan)(huan)比(bi)較(jiao)(jiao)器，通過(guo)與環(huan)(huan)寬值的(de)(de)(de)比(bi)較(jiao)(jiao)得(de)到變換器開(kai)關(guan)(guan)器件(jian)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)脈沖(chong)信號(hao)，滯環(huan)(huan)電(dian)流控(kong)制(zhi)器具備響應快(kuai)(kuai)速(su)、魯棒性好(hao)、簡單(dan)易行(xing)等(deng)(deng)優(you)點(dian)，但(dan)它(ta)存在(zai)(zai)開(kai)關(guan)(guan)頻(pin)率(lv)不(bu)固定、線路之間的(de)(de)(de)電(dian)流相互影響、負載變化影響開(kai)關(guan)(guan)頻(pin)率(lv)等(deng)(deng)缺(que)點(dian)。基于svpwm的(de)(de)(de)pi控(kong)制(zhi)方法反應速(su)度慢(man)，存在(zai)(zai)超調(diao)等(deng)(deng)缺(que)點(dian)；單(dan)周(zhou)期控(kong)制(zhi)將調(diao)制(zhi)技術與控(kong)制(zhi)技術集一(yi)體(ti)，通過(guo)在(zai)(zai)每個開(kai)關(guan)(guan)周(zhou)期內來(lai)控(kong)制(zhi)輸出變量(liang)的(de)(de)(de)平均值與參考(kao)量(liang)之間相等(deng)(deng)或者成一(yi)定比(bi)例，來(lai)消除輸出量(liang)和參考(kao)量(liang)之間的(de)(de)(de)穩態和動(dong)態誤差。單(dan)周(zhou)期控(kong)制(zhi)具響應速(su)度快(kuai)(kuai)、電(dian)路結(jie)構簡易行(xing)、魯棒性好(hao)、抗電(dian)源擾動(dong)能力強等(deng)(deng)優(you)點(dian)。

技術實現要素：

針對現有(you)技術(shu)中三(san)相vienna整(zheng)流(liu)(liu)器控制(zhi)方法(fa)存在(zai)的(de)(de)不足，本發明提供一種基(ji)于三(san)相vienna整(zheng)流(liu)(liu)器的(de)(de)無差拍(pai)預測(ce)直接功(gong)率控制(zhi)方法(fa)，能(neng)夠(gou)消(xiao)除控制(zhi)延時所帶來的(de)(de)誤(wu)差，改善(shan)控制(zhi)延時對內環控制(zhi)的(de)(de)影響，解決(jue)電網電流(liu)(liu)3次(ci)諧波(bo)和(he)總諧波(bo)失真問題。

本發明采取的技術方案為：

一種基于三相vienna整流(liu)器的無(wu)差拍預測直接功率控制方(fang)法，包括以下(xia)步(bu)驟：

步驟1：基于(yu)基爾霍夫定律及坐(zuo)標變(bian)換技(ji)術，建立αβ坐(zuo)標系下(xia)三相vienna整流器的數學模型；

步驟2：通過電(dian)(dian)流表及電(dian)(dian)壓(ya)(ya)表測量交流側輸入(ru)電(dian)(dian)流ix(x＝a、b、c)、三相電(dian)(dian)網電(dian)(dian)壓(ya)(ya)ex(x＝a、b、c)及直流側上下電(dian)(dian)容電(dian)(dian)壓(ya)(ya)vc1、vc2、負載電(dian)(dian)壓(ya)(ya)vdc；

步(bu)驟3：將步(bu)驟2所測得(de)的abc坐(zuo)標(biao)系下(xia)的交流側(ce)電網電壓、電感(gan)電流經坐(zuo)標(biao)變換得(de)到αβ坐(zuo)標(biao)系下(xia)的eα、eβ、iα、iβ；

步驟(zou)4：在三相電(dian)路瞬時(shi)有功和(he)無(wu)功功率(lv)(lv)原(yuan)理的基礎上，建立無(wu)差(cha)拍(pai)預測直接功率(lv)(lv)控(kong)制(zhi)模型，并(bing)結合拉格朗日線性(xing)插值(zhi)法對第k+2時(shi)刻有功功率(lv)(lv)進行估(gu)算，給出αβ坐標系(xi)下(xia)控(kong)制(zhi)電(dian)壓矢量的表達式；

步驟5：將直流側上下電容電壓差值vc1(k)-vc2(k)導入pi控制器中得到中位點平衡信號r，并將負載電壓vdc(k)導入到電壓外環滑模控制模塊得到有功功率給定值p^*；

步驟6：將步驟3中的電網電壓eα、eβ、電感電流iα、iβ及步驟5中有功功率給定值p^*導入(ru)到步驟4所建(jian)立的無差拍(pai)預測直接功(gong)率控(kong)制(zhi)模塊，計(ji)算出(chu)αβ坐標(biao)系下控(kong)制(zhi)電壓(ya)矢量(liang)vα、vβ。

步驟(zou)7：將步驟(zou)5中的(de)中位點平衡信號r及步驟(zou)6計算所得(de)的(de)控(kong)(kong)制電壓矢量vα、vβ導入(ru)到svpwm中，得(de)到三相vienna整流(liu)器(qi)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管控(kong)(kong)制信息，控(kong)(kong)制開(kai)關(guan)管動作。

步驟1中，ea、eb、ec為三(san)相(xiang)靜止坐標(biao)系(xi)下(xia)的(de)電網(wang)電壓；ia、ib、ic為三(san)相(xiang)靜止坐標(biao)系(xi)下(xia)的(de)電感(gan)電流(liu)；sa、sb、sc為vienna整流(liu)器的(de)開(kai)關函數；eα、eβ、iα、iβ為兩相(xiang)靜止坐標(biao)系(xi)下(xia)的(de)交流(liu)側電壓與(yu)電感(gan)電流(liu)；

為建立vienna整流器數學模型(xing)，首(shou)先(xian)做如下假設：

1)、整(zheng)流器交流側三相(xiang)電源(yuan)對稱；

2)、所有功率器(qi)件(jian)均為理想器(qi)件(jian)且忽略開關(guan)損耗及管壓(ya)降；

3)、整流器以pwm方式工作，開關(guan)頻率遠(yuan)大(da)于電網頻率；

4)、直流側(ce)兩個電容值相等；

為(wei)(wei)建(jian)立vienna整(zheng)(zheng)流器(qi)(qi)的數(shu)學模型，首先定義開(kai)關(guan)狀態函(han)數(shu)sx(x＝a、b、c)為(wei)(wei)x相的開(kai)關(guan)函(han)數(shu)，根(gen)據vienna整(zheng)(zheng)流器(qi)(qi)的工作原理可(ke)知：sx＝0，sx導(dao)通；sx＝1sx關(guan)斷且ix>0；sx＝-1，sx關(guan)斷且ix<0，將sx分解(jie)為(wei)(wei)sxp、sxo、sxn，且有如(ru)下約束(shu)條(tiao)件：

三相vienna整流器等效數學模型在(zai)表達形式上對(dui)稱(cheng)，因此本發明首先(xian)分析(xi)a相回(hui)路，根據vienna整流器的(de)拓(tuo)撲結構和(he)基爾霍夫電壓定律可(ke)得a相回(hui)路的(de)電壓方程為(wei)：

式(shi)中ea為a相交(jiao)流側電(dian)源電(dian)壓(ya)(ya)，ia為交(jiao)流側電(dian)感(gan)電(dian)流，van為開(kai)關管兩端的電(dian)壓(ya)(ya)，vno為直(zhi)流母線中點與電(dian)源中性點間(jian)的電(dian)壓(ya)(ya)。

由于三相(xiang)對稱，則b、c相(xiang)的電壓方程可以表示為：

理想三(san)相電(dian)網有：ea+eb+ec＝0、ia+ib+ic＝0，由式(3)可得：

將式(2)、(3)帶入式(4)中(zhong)可得：

由式(5)可得：

式中vao、vbo、vco為(wei)整流橋(qiao)側(ce)對(dui)電源中性點電壓；vc1、vc2為(wei)直(zhi)流側(ce)電容電壓。

步驟(zou)2中，ea、eb、ec，ia、ib、ic分別為交流(liu)側(ce)(ce)電(dian)網電(dian)壓(ya)、電(dian)感電(dian)流(liu)，vc1、vc2為直(zhi)流(liu)側(ce)(ce)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)，vdc為負載電(dian)壓(ya)。

利(li)用電(dian)(dian)流(liu)表(biao)(biao)、電(dian)(dian)壓(ya)(ya)表(biao)(biao)分(fen)別測量(liang)交流(liu)側(ce)電(dian)(dian)網電(dian)(dian)壓(ya)(ya)ea、eb、ec，電(dian)(dian)感電(dian)(dian)流(liu)ia、ib、ic，直流(liu)側(ce)電(dian)(dian)容電(dian)(dian)壓(ya)(ya)vc1、vc2及負載電(dian)(dian)壓(ya)(ya)vdc。

步驟3中，eα、eβ、iα、iβ分別為兩(liang)相(xiang)(xiang)靜(jing)止(zhi)αβ坐(zuo)標(biao)系(xi)下的(de)電網電壓、交流側電感電流。因為三相(xiang)(xiang)靜(jing)止(zhi)坐(zuo)標(biao)系(xi)中存在相(xiang)(xiang)互(hu)耦合，不(bu)利于控制(zhi)策略的(de)實現，為了簡(jian)化控制(zhi)結構，本(ben)發明通過坐(zuo)標(biao)變(bian)換將三相(xiang)(xiang)靜(jing)止(zhi)坐(zuo)標(biao)系(xi)轉換為兩(liang)相(xiang)(xiang)靜(jing)止(zhi)坐(zuo)標(biao)系(xi)。其(qi)中坐(zuo)標(biao)變(bian)換矩(ju)陣t3s/2s:

利用坐標(biao)變(bian)(bian)換(huan)矩陣t3s/2s，將三相(xiang)(xiang)坐標(biao)系中的變(bian)(bian)量轉(zhuan)換(huan)為(wei)兩相(xiang)(xiang)坐標(biao)系的變(bian)(bian)量，如下式(shi)(8)、(9)所示

對式(6)中的(de)van、vbn、vcn進(jin)行坐(zuo)標變(bian)換，需進(jin)行簡單(dan)的(de)數學(xue)運算：

綜上(shang)各式可得(de)αβ坐標(biao)系下三(san)相vienna整流器的電壓方程為(wei)：

式中(zhong)(zhong)eα、eβ為αβ坐(zuo)標(biao)系(xi)下的電源電壓(ya)；iα、iβ為αβ坐(zuo)標(biao)系(xi)下的電感電流(liu)；vα、vβ為αβ坐(zuo)標(biao)系(xi)下整流(liu)橋側對電源中(zhong)(zhong)性點電壓(ya)。

步驟4中(zhong)，p(k)、q(k)分(fen)(fen)別為(wei)第k采樣時(shi)刻(ke)的(de)瞬時(shi)有(you)功(gong)和無功(gong)功(gong)率；ts為(wei)一個采樣周(zhou)期時(shi)間；ea(k)、eb(k)、ec(k)，ia(k)、ib(k)、ic(k)分(fen)(fen)別為(wei)交流(liu)側電(dian)網電(dian)壓(ya)、電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)。

直接功率控制策略的(de)核心理(li)論(lun)是瞬時(shi)功率理(li)論(lun)，兩相(xiang)靜止αβ坐標系(xi)瞬時(shi)功率表(biao)達式為：

式中：p、q分別(bie)為三相電網瞬時有(you)功和無功功率；

根(gen)據(ju)式(shi)(13)，可得：

式中：

||eαβ||²＝e²α+e²β(15)

設開關頻(pin)率遠大(da)于電網(wang)電壓工(gong)頻(pin)，此時eα、eβ、vα、vβ在一(yi)(yi)個(ge)采樣周期時間(jian)段為定(ding)值，利(li)用正向一(yi)(yi)階前向差分法對式(12)進(jin)行離散(san)化，則(ze)αβ兩(liang)相靜(jing)止(zhi)坐標系下(xia)離散(san)數學模型表達式為：

式中：ts為一(yi)個采樣(yang)周期時間(jian)。

假(jia)設網(wang)側電壓為理想正(zheng)弦信號，電網(wang)電壓eα、eβ在(zai)相鄰(lin)兩個采樣周(zhou)期有(you)：

根據式(shi)(shi)(13)和式(shi)(shi)(17)在連續兩個采(cai)樣時刻k、k+1之(zhi)間瞬時功率(lv)改變量為：

式中：p(k)、q(k)分(fen)別為(wei)第k采樣(yang)時(shi)(shi)刻(ke)的瞬(shun)時(shi)(shi)有功和無功功率；eα(k)、eβ(k)為(wei)第k采樣(yang)時(shi)(shi)刻(ke)的電網(wang)電壓；iα(k)、iβ(k)為(wei)第k采樣(yang)時(shi)(shi)刻(ke)的電感電流。

根據(ju)式(18)，可得：

式中：|eαβ||²＝e²α(k)+e²β(k)。

將式(shi)(19)代入式(shi)(12)，可得：

式中：vα(k)、vβ(k)為第k采樣時刻功率(lv)開關管兩端(duan)電壓。

將式(14)做離散(san)化處理并代入(ru)到式(20)，可得(de)三(san)相vienna整流器直接功率控制的離散(san)數學模型(xing)為：

化簡式(shi)(21)，可得：

在傳統(tong)無(wu)差拍(pai)控制器中由于(yu)采樣時(shi)(shi)間、計算(suan)時(shi)(shi)間等因素(su)影響，會造(zao)成電網功(gong)率的(de)預(yu)測(ce)誤差。為提高(gao)無(wu)差拍(pai)直接功(gong)率控制的(de)性(xing)能(neng)，改進算(suan)法(fa)預(yu)測(ce)了第k+2時(shi)(shi)刻的(de)瞬時(shi)(shi)功(gong)率。

將式(shi)(22)向(xiang)后(hou)推算一(yi)步，可預測出第k+2時刻的有功和無功功率(lv)為(wei)：

將式(22)代(dai)入式(23)，可得：

式中，||eαβ||為(wei)電網電壓矢量幅值(zhi)，其中：

為實現(xian)無差拍(pai)控制(zhi)需使第(di)k+1時(shi)刻(ke)瞬時(shi)功(gong)率實際值(zhi)與給定值(zhi)相等，從而實現(xian)對下一個周期瞬時(shi)功(gong)率給定值(zhi)跟蹤控制(zhi)，即有：

式中：p^*(k+1)、q^*(k+1)分別為第k采樣時刻有(you)功(gong)與(yu)無功(gong)功(gong)率給定(ding)值。

則k+2時刻瞬時功(gong)率實際值(zhi)與給定(ding)值(zhi)也(ye)相(xiang)等，有：

由(you)于拉格朗日插(cha)值(zhi)法(fa)為(wei)線性插(cha)值(zhi)運行(xing)，計算(suan)相(xiang)對簡單并且在(zai)一定范(fan)圍內有較(jiao)高的精度，因此本發(fa)明采(cai)用拉格朗日插(cha)值(zhi)法(fa)來(lai)求解第k+2時(shi)刻(ke)有功功率(lv)參考(kao)值(zhi)。

在k時刻(ke)(ke)或之前(qian)(qian)時刻(ke)(ke)的瞬時有(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)給(gei)定(ding)(ding)(ding)值(zhi)由外(wai)環(huan)電壓控(kong)制器輸出決定(ding)(ding)(ding)。為求解(jie)第k+2時刻(ke)(ke)有(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)參(can)考值(zhi)，可用k時刻(ke)(ke)之前(qian)(qian)的給(gei)定(ding)(ding)(ding)值(zhi)線(xian)性表示，其n階離散(san)表達式為：

p^*(k+2)＝a0p^*(k)+a1p^*(k-1)+...+anp^*(k-n)(28)

式中：a0、a1、...an為(wei)多項(xiang)式系數。

則n階預測表達式為：

經(jing)過綜(zong)合(he)計算比(bi)較分(fen)析(xi)并考慮控制(zhi)的實時性，本(ben)發明采用2階插(cha)值(zhi)(zhi)法來預測參考有功功率值(zhi)(zhi)值(zhi)(zhi)：

p^*(k+2)＝6p^*(k)-8p^*(k-1)+3p^*(k-2)(30)

將(jiang)式(22)代入式(19)，可得：

p^*(k+2)＝6p^*(k)-8p^*(k-1)+3p^*(k-2)

式(31)即為無差拍預測直接功率(lv)控制模型。

步驟5中，k為設定的指數趨近律正參數；為(wei)直流(liu)(liu)側(ce)負(fu)(fu)載電(dian)壓(ya)(ya)給定值；vc1、vc2為(wei)直流(liu)(liu)側(ce)電(dian)容電(dian)壓(ya)(ya)，vdc為(wei)負(fu)(fu)載電(dian)壓(ya)(ya)；pdc為(wei)直流(liu)(liu)側(ce)吸收功率，pac為(wei)交流(liu)(liu)側(ce)輸入功率，p為(wei)有(you)功功率值。

根(gen)據整流(liu)(liu)(liu)器在αβ坐標系下數學模(mo)(mo)型式(12)可(ke)知，經同步旋(xuan)轉坐標變化：兩相靜止αβ坐標變為兩相旋(xuan)轉dq坐標:后，采用(yong)(yong)傳(chuan)統雙pi控(kong)(kong)制策略，直流(liu)(liu)(liu)側總電(dian)(dian)(dian)壓(ya)vdc與電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)id、iq均關聯，當直流(liu)(liu)(liu)側采用(yong)(yong)傳(chuan)統pi控(kong)(kong)制器利(li)用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)id對直流(liu)(liu)(liu)側電(dian)(dian)(dian)壓(ya)實(shi)現實(shi)時跟蹤，難以(yi)(yi)得到較好的控(kong)(kong)制效果。本(ben)發明基(ji)于滑(hua)模(mo)(mo)控(kong)(kong)制基(ji)本(ben)原(yuan)理構造以(yi)(yi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)平方(fang)為控(kong)(kong)制量(liang)間接(jie)實(shi)現電(dian)(dian)(dian)壓(ya)閉環的控(kong)(kong)制策略，以(yi)(yi)提高系統動(dong)態特性(xing)和穩(wen)定精(jing)度。

從直流(liu)(liu)側(ce)分析系統功率流(liu)(liu)動，將式(12)中直流(liu)(liu)側(ce)電(dian)流(liu)(liu)數學方程兩邊同時乘以電(dian)壓(ya)vdc，并將其相(xiang)加，且(qie)電(dian)容電(dian)壓(ya)vcp、vcn用vdc/2代(dai)替(ti)，可得直流(liu)(liu)側(ce)功率方程：

式中：vdc為負(fu)載(zai)電壓；sαp、sαn為開關函數；iα、iβ為交流(liu)側電感電流(liu)；rl為負(fu)載(zai)電阻

由于vienna整(zheng)流(liu)器單(dan)位(wei)功(gong)率(lv)因素特性，有(you)功(gong)功(gong)率(lv)單(dan)向傳輸到直流(liu)側，交流(liu)側與(yu)直流(liu)側因等式(32)左側聯系在一(yi)起，忽略線路等效阻(zu)抗損耗與(yu)開關損耗，交流(liu)側輸入功(gong)率(lv)等于直流(liu)側功(gong)率(lv)，且有(you)功(gong)功(gong)率(lv)為(wei)直流(liu)側兩電容(rong)儲存能(neng)(neng)量(liang)和(he)負載吸收能(neng)(neng)量(liang)之和(he)，則(ze)可以(yi)得到等式：

式中，pdc為直(zhi)流側吸收功(gong)(gong)率，pac為交流側輸(shu)入功(gong)(gong)率，p為有功(gong)(gong)功(gong)(gong)率值(zhi)。

由于vienna整流器的單位功率因素特性，無功功率為零，即q^*＝q＝0；電(dian)壓(ya)外環可(ke)以通過直流側電(dian)壓(ya)來描述(shu)瞬時(shi)有功(gong)(gong)功(gong)(gong)率的動態過程，根據式(33)中所描述(shu)的直流側功(gong)(gong)率數學模型(xing)，則選(xuan)取滑膜(mo)面(mian)為(wei)：

式中：為直(zhi)流側負載電壓給定(ding)(ding)值(zhi)，k為設(she)定(ding)(ding)的指數(shu)趨近律正參數(shu)。

分(fen)析有功功率滑膜面，在(zai)任(ren)何一個采樣周期內，忽略(lve)線(xian)路等效(xiao)阻抗(kang)損耗(hao)與(yu)開關(guan)損耗(hao)，且中(zhong)位點電位平(ping)衡，則由式(33)可得：

一個采樣周期內，相對內環預測直接功率控制，直流電壓給定參考值恒為定值，則有：

在滑膜面上系統將沿著s＝0的軌跡運動。將式(35)代入(ru)式(34)，可(ke)得：

式中：k為(wei)(wei)設定的(de)指數趨近律正參數；s3為(wei)(wei)滑模(mo)面(mian)。

由于電壓外環電壓跟蹤特性，在一個采樣周期內功率給定值有：p^*＝p，結合(he)公式(36)可得(de)：

滑動(dong)模態存(cun)在作為滑模變結(jie)構控制器應用(yong)的(de)必要條件，雖其(qi)在不(bu)同系統中(zhong)具有不(bu)同的(de)可達(da)到的(de)條件表達(da)形(xing)式，但其(qi)滑動(dong)模態存(cun)在的(de)數學(xue)表達(da)式為：

根據式(38)可知，系統將(jiang)于(yu)一(yi)段時間(jian)到達滑模切換(huan)面，則其到達條件亦(yi)可表示為：

sds/dt<0(39)

利用李(li)雅普(pu)諾夫函(han)(han)數(shu)形式(shi)表(biao)示式(shi)(35)所代表(biao)的到達條件，定義v(x)為李(li)雅普(pu)諾夫函(han)(han)數(shu)：

v(x)/dt<0，v(x)＝s²/2(40)

對(dui)滑模面s分析如下(xia)：

當s>0,p^*>p時，需在有限時間內將p的值增大以滿足ds/dt<0；當s<0,p^*<p時，則需在有限時間內減小p以滿足ds/dt>0。為滿足穩定性要求，實際功、率值p要實時跟蹤參考功率給定值p^*。

對(dui)于vienna整(zheng)流(liu)器而言，中點(dian)電(dian)(dian)(dian)網不平衡是其固(gu)有的(de)問題(ti)。中點(dian)電(dian)(dian)(dian)位不平衡指的(de)是直流(liu)側兩電(dian)(dian)(dian)容電(dian)(dian)(dian)壓vc1、vc2不相等(deng)，如其沒有得到(dao)有效(xiao)治理會(hui)(hui)帶來一系列問題(ti)，如：當(dang)不平衡問題(ti)嚴重(zhong)時會(hui)(hui)減(jian)短電(dian)(dian)(dian)容使用壽命(ming)，甚(shen)至破環電(dian)(dian)(dian)容；當(dang)功率傳輸時，電(dian)(dian)(dian)容電(dian)(dian)(dian)壓不平衡會(hui)(hui)造成開關管器件(jian)承受的(de)電(dian)(dian)(dian)壓不平衡，同時會(hui)(hui)降低三電(dian)(dian)(dian)平特性(xing)。

為解決(jue)上述問題，本發(fa)明采用pi控(kong)制。利用直(zhi)流側兩電容(rong)電壓差值△vc，將其導入pi控(kong)制器中得到(dao)中位點信(xin)號r。

步驟6中，將步驟3中的電網電壓eα、eβ、電感電流iα、iβ及步驟5中有功功率給定值p^*導入到步(bu)驟4所建(jian)立的無差拍(pai)預測直接功率(lv)控制模塊，計算出(chu)αβ坐標系(xi)下控制電壓矢量vα、vβ。

步驟(zou)7中(zhong)，將步驟(zou)5中(zhong)的(de)中(zhong)位點(dian)平衡信(xin)號r及步驟(zou)6計算(suan)所(suo)得的(de)控(kong)制(zhi)電壓(ya)矢量(liang)vα、vβ導入到svpwm中(zhong)，得到三相vienna整(zheng)流器功(gong)率開(kai)關(guan)管(guan)控(kong)制(zhi)信(xin)息(xi)，控(kong)制(zhi)開(kai)關(guan)管(guan)動作。

本(ben)發明一種基于(yu)三相vienna整(zheng)流器的(de)無差拍預測直接功率(lv)控(kong)制方法(fa)，優(you)點在于(yu)：

1：三電平變換器的(de)脈寬(kuan)調(diao)制(zhi)方法(fa)(fa)主要有(you)svpwm與spwm兩種，空(kong)間矢(shi)量脈寬(kuan)調(diao)制(zhi)svpwm可以(yi)利(li)用(yong)最(zui)小電壓(ya)(ya)矢(shi)量冗(rong)余對(dui)控(kong)制(zhi)直流(liu)側電壓(ya)(ya)以(yi)及減小開關(guan)(guan)(guan)動(dong)(dong)作次數，與傳(chuan)統(tong)spwm相(xiang)(xiang)比(bi)，開關(guan)(guan)(guan)次數減少(shao)1/3，降低(di)開關(guan)(guan)(guan)損耗(hao)。因其(qi)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)直流(liu)側電壓(ya)(ya)利(li)用(yong)率，與傳(chuan)統(tong)spwm相(xiang)(xiang)比(bi)提(ti)高(gao)15％、輸出電流(liu)諧(xie)波含量低(di)及算法(fa)(fa)簡單易實現等(deng)優點(dian)受到廣(guang)(guang)泛的(de)應用(yong)和推廣(guang)(guang)。本發明(ming)采用(yong)空(kong)間矢(shi)量脈寬(kuan)調(diao)制(zhi)方法(fa)(fa)獲得vienna整流(liu)器開關(guan)(guan)(guan)管控(kong)制(zhi)信號，控(kong)制(zhi)開關(guan)(guan)(guan)管動(dong)(dong)作。

2：盡可能的消除控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)延時(shi)所(suo)帶(dai)來的誤差，改善控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)延時(shi)對(dui)功(gong)率(lv)(lv)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的影響，使電(dian)網(wang)電(dian)流的3次諧波(bo)和總諧波(bo)失真問題(ti)得到有(you)效(xiao)的解決。本發明對(dui)功(gong)率(lv)(lv)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)算(suan)法的第k+2時(shi)刻的功(gong)率(lv)(lv)方程進(jin)行改善，利用(yong)(yong)二階拉格(ge)朗日線性插值(zhi)法將第k+2時(shi)刻的有(you)功(gong)功(gong)率(lv)(lv)用(yong)(yong)臨近兩(liang)個(ge)周期(qi)的有(you)功(gong)功(gong)率(lv)(lv)表示。本發明電(dian)壓外(wai)環采用(yong)(yong)滑模控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器來計算(suan)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)(lv)給定值(zhi)，并利用(yong)(yong)空(kong)間矢量(liang)脈寬調制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)技術控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)開關(guan)管動(dong)作。

附圖說明

圖(tu)1為(wei)三相vienna整流器控制策略流程圖(tu)。

圖2為(wei)三相靜止(zhi)abc坐標系下的等效(xiao)模型圖。

圖3為兩(liang)相靜止αβ坐標(biao)系下的等效模型圖。

圖(tu)4為(wei)三(san)相(xiang)vienna整(zheng)流(liu)器無差拍(pai)預(yu)測直接功(gong)率(lv)控制框圖(tu)。

圖(tu)5為三相vienna整流器無差拍預測直接功率控制(zhi)的穩態實驗波形(xing)圖(tu)。

圖6三相vienna整流器無差拍預測直接功率控制的動態實驗(yan)圖。

具體實施方式

下面(mian)結合實(shi)施例及附圖(tu)，對本發明做(zuo)進一步地詳(xiang)細說(shuo)明，但本發明的實(shi)施方式不限于此。

圖1為(wei)三相vienna整流(liu)器控制策略流(liu)程圖。

步驟1：基于基爾霍夫(fu)定(ding)律及坐標變換技術建(jian)立(li)αβ坐標系下(xia)三相vienna整流器的數學模型。

步驟(zou)2：通過(guo)電(dian)(dian)流(liu)表及電(dian)(dian)壓表測(ce)量(liang)交流(liu)側輸入電(dian)(dian)流(liu)ix(x＝a、b、c)、三相電(dian)(dian)網電(dian)(dian)壓ex(x＝a、b、c)及直流(liu)側上下(xia)電(dian)(dian)容電(dian)(dian)壓vc1、vc2、負載電(dian)(dian)壓vdc。

步(bu)驟3：將步(bu)驟2所測得(de)(de)的abc坐(zuo)標(biao)系(xi)下(xia)的交(jiao)流側電(dian)(dian)網電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)感電(dian)(dian)流經坐(zuo)標(biao)變換得(de)(de)到αβ坐(zuo)標(biao)系(xi)下(xia)的eα、eβ、iα、iβ。

步(bu)驟4：在三相(xiang)電路(lu)瞬時(shi)有(you)(you)功(gong)(gong)(gong)和無功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率原理(li)的基礎上，建(jian)立(li)無差(cha)拍(pai)預(yu)測直接功(gong)(gong)(gong)率控制模型，并結合拉格朗(lang)日線(xian)性(xing)插(cha)值法(fa)對第k+2時(shi)刻有(you)(you)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率進行(xing)估算，給(gei)出αβ坐標系下控制電壓矢(shi)量的表達式。

步驟5：將直流側上下電容電壓差值vc1(k)-vc2(k)導入pi控制器中得到中位點平衡信號r，并將負載電壓vdc(k)導入到電壓外環滑模控制模塊得到有功功率給定值p^*；

步驟6：將步驟3中的電網電壓eα、eβ、電感電流iα、iβ及步驟5中有功功率給定值p^*導入到步驟4所建立(li)的無(wu)差拍預測直(zhi)接(jie)功率控(kong)制(zhi)模塊，計(ji)算出αβ坐(zuo)標系下控(kong)制(zhi)電壓矢(shi)量(liang)vα、vβ。

步驟(zou)7：將步驟(zou)5中(zhong)的中(zhong)位(wei)點平衡信(xin)號r及步驟(zou)6計算所得的控制電(dian)壓矢量vα、vβ導(dao)入到svpwm中(zhong)，得到三相vienna整流器功率開關(guan)管控制信(xin)息(xi)，控制開關(guan)管動作(zuo)。

圖(tu)2三相靜止abc坐標系(xi)下(xia)的等效模型(xing)圖(tu)。

三相電壓(ya)的有(you)效值為220v/50hz；輸出(chu)直流電壓(ya)為650v；開關頻率為20khz；三相輸入(ru)電感為4mh；兩個輸出(chu)電容(rong)為1500μf；交流側線路(lu)電阻r＝0.1ω

為(wei)建(jian)立vienna整(zheng)流器(qi)的數(shu)學模型，首先定義(yi)開(kai)(kai)關(guan)狀態函數(shu)sx(x＝a、b、c)為(wei)x相的開(kai)(kai)關(guan)函數(shu)，根據vienna整(zheng)流器(qi)的工作原理可知：sx＝0，sx導(dao)通(tong)；sx＝1sx關(guan)斷(duan)且(qie)(qie)ix>0；sx＝-1，sx關(guan)斷(duan)且(qie)(qie)ix<0。將sx分(fen)解為(wei)sxp、sxo、sxn，且(qie)(qie)有如下約束條件(jian)：

開(kai)關(guan)狀態(tai)函(han)數sxp、o、n＝0表示開(kai)關(guan)導通，開(kai)關(guan)狀態(tai)函(han)數sxp、o、n＝1表示開(kai)關(guan)閉合，開(kai)關(guan)函(han)數存在一個約束(shu)條件，即(ji)它(ta)們的(de)開(kai)關(guan)狀態(tai)之和應滿足式子sxp+sxo+sxn＝1。

三(san)相vienna整流(liu)器(qi)等效數學模型(xing)在表達(da)形式上(shang)對稱，因此本發(fa)明(ming)首先分(fen)析a相回路，根據vienna整流(liu)器(qi)的(de)拓撲結構和基爾霍夫電(dian)壓定律可(ke)得a相回路的(de)電(dian)壓方程為(wei)：

式中ea為(wei)a相交流(liu)側電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)壓，ia為(wei)交流(liu)側電(dian)(dian)感電(dian)(dian)流(liu)，van為(wei)開關(guan)管兩端的電(dian)(dian)壓，vno為(wei)直流(liu)母線(xian)中點與電(dian)(dian)源(yuan)中性點間的電(dian)(dian)壓。

由于三相對稱，則b、c相的電壓(ya)方程可以表示為：

理想三(san)相(xiang)電網有：ea+eb+ec＝0、ia+ib+ic＝0，由(you)式(3)可得(de)：

將式(2)、(3)帶入式(4)中可得：

由式(5)可得：

式(shi)中vao、vbo、vco為整流橋側對電源中性點電壓；vc1、vc2為直(zhi)流側電容電壓。

圖(tu)3為兩相靜止(zhi)αβ坐標系下的等效模(mo)型圖(tu)。

因(yin)為(wei)(wei)三相靜止(zhi)坐(zuo)標(biao)系中(zhong)存在(zai)相互(hu)耦合(he)，不利于控制(zhi)策略的實現，為(wei)(wei)了簡(jian)化控制(zhi)結構，本(ben)發明通過(guo)坐(zuo)標(biao)變換(huan)將三相靜止(zhi)坐(zuo)標(biao)系轉(zhuan)換(huan)為(wei)(wei)兩相靜止(zhi)坐(zuo)標(biao)系。其中(zhong)坐(zuo)標(biao)變換(huan)矩陣(zhen)t3s/2s:

利用(yong)坐標(biao)變(bian)換矩陣t3s/2s，將(jiang)三(san)相坐標(biao)系中的變(bian)量轉換為兩相坐標(biao)系的變(bian)量，如下式(8)、(9)所示

對式(6)中(zhong)的van、vbn、vcn進(jin)行(xing)坐標變換，需(xu)進(jin)行(xing)簡單的數(shu)學運算：

綜上各(ge)式可(ke)得αβ坐標(biao)系下三相vienna整(zheng)流(liu)器的電壓方(fang)程為：

式中eα、eβ為αβ坐(zuo)標系下的電源電壓；vα、vβ為αβ坐(zuo)標系下整流橋側對電源中性點電壓。

圖(tu)(tu)4為三相vienna整流器無差拍預測(ce)直接功率控制框圖(tu)(tu)。

直接功率控制策略的(de)核(he)心理論(lun)是瞬(shun)時功率理論(lun)，兩相靜止αβ坐標系瞬(shun)時功率表達式為：

式中：p、q分別為三相電網瞬時有功和無功功率；

根據式(13)，可得：

式中：

||eαβ||²＝e²α+e²β(15)

設開關頻(pin)率遠大(da)于電(dian)網(wang)電(dian)壓工頻(pin)，此時(shi)eα、eβ、vα、vβ在一個采樣周期時(shi)間段為(wei)定(ding)值，利用正(zheng)向(xiang)一階前向(xiang)差(cha)分法對式(12)進行離散(san)(san)化，則αβ兩相靜(jing)止坐(zuo)標系下離散(san)(san)數學模型表達式為(wei)：

式中：ts為一個采樣周期(qi)時(shi)間。

假設網(wang)側(ce)電壓為理想正弦信號，電網(wang)電壓eα、eβ在相鄰兩個(ge)采樣(yang)周期有：

根(gen)據式(13)和式(17)在連續兩個采樣時刻(ke)k、k+1之間瞬(shun)時功率改(gai)變量為：

式中：p(k)、q(k)分別為第k采樣時(shi)刻(ke)的瞬時(shi)有(you)功(gong)和(he)無功(gong)功(gong)率。

根據式(18)，可得(de)：

式中：|eαβ||²＝e²α(k)+e²β(k)。

將式(shi)(19)代(dai)入(ru)式(shi)(12)，可(ke)得(de)：

將式(14)做離散(san)化處理并代入到(dao)式(20)，可得三相vienna整流(liu)器直接功率控制的離散(san)數學模型為(wei)：

化(hua)簡式(shi)(21)，可得：

在傳統無(wu)差(cha)拍控制(zhi)器中由于采樣時(shi)間、計算(suan)時(shi)間等因素影響，會(hui)造(zao)成電網功(gong)率的(de)(de)(de)預測誤差(cha)。為(wei)提高無(wu)差(cha)拍直接功(gong)率控制(zhi)的(de)(de)(de)性能，改進(jin)算(suan)法預測了第(di)k+2時(shi)刻(ke)的(de)(de)(de)瞬時(shi)功(gong)率。

將式(22)向后(hou)推算一步，可預(yu)測(ce)出(chu)第k+2時(shi)刻(ke)的有功和無功功率為：

將式(shi)(22)代入式(shi)(23)，可得：

式中，||eαβ||為電(dian)網(wang)電(dian)壓(ya)矢量幅值，其中：

為實現無(wu)差拍控(kong)制需(xu)使第k+1時刻瞬(shun)時功率(lv)實際值與給定值相等，從(cong)而實現對下一個周期(qi)瞬(shun)時功率(lv)給定值跟蹤控(kong)制，即有：

則k+2時刻(ke)瞬時功率實際(ji)值與給定值也相(xiang)等(deng)，有：

由于拉格(ge)朗日(ri)插值法(fa)為線性(xing)插值運行，計算相(xiang)對簡單(dan)并且在一定(ding)范(fan)圍內有較(jiao)高(gao)的精度(du)，因此(ci)本發明采用拉格(ge)朗日(ri)插值法(fa)來求解第k+2時(shi)刻有功功率參考(kao)值。

在k時(shi)刻或之(zhi)前(qian)時(shi)刻的瞬時(shi)有功(gong)功(gong)率給定值由外環電壓控制(zhi)器(qi)輸出決定。為求解(jie)第k+2時(shi)刻有功(gong)功(gong)率參考值，可用(yong)k時(shi)刻之(zhi)前(qian)的給定值線性表(biao)示，其n階離散表(biao)達式為：

p^*(k+2)＝a0p^*(k)+a1p^*(k-1)+...+anp^*(k-n)(28)

則n階預測表達(da)式為：

經過綜合計算(suan)比較分析并(bing)考慮控制的實時性，本發明采(cai)用2階插值(zhi)法來(lai)預測參考有功(gong)功(gong)率值(zhi)值(zhi)：

p^*(k+2)＝6p^*(k)-8p^*(k-1)+3p^*(k-2)(30)

將式(shi)(22)代入式(shi)(19)，可得：

p^*(k+2)＝6p^*(k)-8p^*(k-1)+3p^*(k-2)

式(31)即為(wei)無(wu)差拍預(yu)測直接功(gong)率控制模型。

將步(bu)中位點平衡信(xin)號r及控制電(dian)壓矢量(liang)vα、vβ導入(ru)到svpwm中，得到三相vienna整流器(qi)功率開(kai)(kai)關(guan)管控制信(xin)息，控制開(kai)(kai)關(guan)管動作(zuo)。

圖5為三相vienna整流器無差拍預測直接功(gong)率控制的穩態實驗(yan)波形圖。

圖(tu)5為差(cha)(cha)拍預測(ce)(ce)直接功率控制方法(fa)下(xia)(xia)的(de)vienna整(zheng)流器(qi)穩定運(yun)行(xing)(xing)時的(de)a相(xiang)電(dian)流波(bo)形(xing)(xing)、線(xian)(xian)電(dian)壓和直流側上(shang)下(xia)(xia)電(dian)容的(de)直流電(dian)壓波(bo)形(xing)(xing)圖(tu)。在圖(tu)5中ia表(biao)示a相(xiang)電(dian)流，vab表(biao)示線(xian)(xian)電(dian)壓，vdc1和vdc2表(biao)示上(shang)下(xia)(xia)電(dian)容直流電(dian)壓。從穩態實驗結果(guo)可以看出(chu)(chu)基于無(wu)差(cha)(cha)拍預測(ce)(ce)直接功率控制的(de)vienna整(zheng)流器(qi)系統具(ju)有正弦(xian)度較高的(de)輸入(ru)電(dian)流、且上(shang)下(xia)(xia)電(dian)容電(dian)壓相(xiang)等具(ju)備中點電(dian)位平(ping)衡；線(xian)(xian)電(dian)壓為三個臺階符合三電(dian)平(ping)變流器(qi)的(de)運(yun)行(xing)(xing)特(te)征；從上(shang)述分析結果(guo)得出(chu)(chu)本發明提(ti)出(chu)(chu)的(de)無(wu)差(cha)(cha)拍預測(ce)(ce)直接功率控制方法(fa)具(ju)有較好的(de)穩態性(xing)能，具(ju)有廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用價值。

圖6三相vienna整流器無差拍(pai)預測直接功率控制的動態實驗(yan)圖。

圖6為差拍預測直接功率控制方法下的vienna整流器動態運行時的a相電流波形、有功功率和有功功率的參考給定值、直流電壓波形。在圖6中ia表示a相電流，p^*表示有功功率的參考值，p表示有功功率，vdc表示直流電壓。從動態實驗結果可以看出基于無差拍預測直接功率控制的vienna整流器系統具有較好的動態性能，在有功功率的參考給定值p^*跳變時(shi)，輸出(chu)功率波(bo)形能夠(gou)快速(su)跟蹤參考(kao)給定值，大(da)約僅耗時(shi)0.006s到達穩定；此時(shi)直(zhi)流(liu)電壓波(bo)動較(jiao)(jiao)(jiao)小，輸出(chu)較(jiao)(jiao)(jiao)為穩定；另外輸入電流(liu)能夠(gou)快速(su)達到穩定值，且電流(liu)畸變率較(jiao)(jiao)(jiao)小。從(cong)上述分析結果得出(chu)本發明提(ti)出(chu)的(de)無差(cha)拍預測直(zhi)接功率控制方法(fa)具(ju)有較(jiao)(jiao)(jiao)好(hao)的(de)動態性能，在眾多控制方法(fa)具(ju)有明顯的(de)競爭力，具(ju)有一定實際應(ying)用價值。