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主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210459727.7

申请日:

2012.11.15

公开号:

太阳城集团CN103001509B

公开日:

2015.01.07

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情: 未缴年费专利权终止号牌文件类型代码:1605号牌文件序号:101695981259IPC(主分类):H02M 7/219专利号:ZL2012104597277申请日:20121115授权太阳城集团日:20150107终止日期:20151115|||授权|||著录事项变更IPC(主分类):H02M 7/219变更事项:发明人变更前:王萌 高金辉 施艳艳变更后:施艳艳 高金辉 王萌|||实质审查的生效号牌文件类型代码:1604号牌文件序号:101444321899IPC(主分类):H02M 7/219专利申请号:2012104597277申请日:20121115|||公开
IPC分类号: H02M7/219 主分类号: H02M7/219
申请人: 河南师范大学
发明人: 施艳艳; 高金辉; 王萌
地址: 453007 河南省新乡市建设东路46号
优先权:
专利代理机构: 新乡市平原专利有限责任公司 41107 代理人: 于兆惠
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210459727.7

授权太阳城集团号:

太阳城集团|||103001509B|||||||||

法律状态太阳城集团日:

2017.01.04|||2015.01.07|||2014.12.31|||2013.04.24|||2013.03.27

法律状态类型:

专利权的终止|||授权|||著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明公开了一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法。本发明的技术方案要点为:一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法,该方法在控制对象模型参数与实际参数不匹配时,计算预测电流与系统实际电流的差值作为电流预测误差,并实时用电流预测误差对预测模型进行补偿,进而消除模型预测控制误差。本发明的参数自补偿预测控制方法可消除模型参数不匹配对控制系统造成的影响,增强模型预测控制系统的鲁棒性,实现主动前端整流器在预测模型存在较大误差情况下的稳定运行,算法简单,易于实现。

权利要求书

权利要求书一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法,其特征在于包括以下步骤:(1)、检测主动前端整流器系统三相电网电压、三相输入电流和直流母线电压;(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值;(3)、将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角;将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压和输入电流以电网电压位置角进行Park变换,得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和输入电流;(4)、将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差,经过PI控制器得到同步旋转坐标系下d轴电流参考值,设q轴电流参考值为0;(5)、将整流器d、q轴输入电流实际值与上一时刻最优输出电压对应的d、q轴输入电流预测值相减,作为d、q轴预测误差;(6)、将主动前端整流器模型作为预测模型、将步骤(4)中计算得到的同步旋转坐标系下的d、q轴电流参考值、步骤(3)中计算得到的同步旋转坐标系下的d、q轴电网电压和输入电流,以及各开关组合作用下整流器在两相旋转坐标系下的输入电压作为预测模型的输入;(7)、通过预测模型来预测各电压矢量对应的输入电压作用下的预测电流,将d、q轴预测误差分别与d、q轴预测电流相加,得到补偿后的预测电流;(8)、选择使电流参考值与补偿后的电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量对应的电压值作为最优输出电压;(9)、用步骤(8)得到的输出电压对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

说明书

说明书主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法
技术领域
    本发明涉及主动前端整流器的控制方法,属于电力电子功率变换装置控制领域,特别涉及一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法。
背景技术
模型预测控制(MPC)运行过程采用循环寻优,直接输出的不定频运行方式。该控制算法通过数学模型预测对象下一时刻的运行状态,其对模型的准确性要求较高。在主动前端整流器电路中含有电阻、电感等器件,温度的变化、磁路的饱和程度和其他环境条件变化均会使电路中的电阻、电感等器件参数发生改变。电路参数的变化将导致控制系统参数标称值与系统实际参数值不匹配,进而影响MPC控制的稳定性和鲁棒性,降低系统的控制品质。针对MPC控制系统预测模型不匹配产生的扰动,有学者采用扩张状态观测器估计实际扰动并通过前馈补偿。有学者将模型参数不匹配对系统造成的影响作为扰动量,采用观测器通过前馈补偿来消除系统扰动,增强控制系统鲁棒性。有学者采用积分滑模控制策略消除了模型预测结果与实际闭环系统的误差,提高了MPC控制系统的鲁棒性。
然而,由于MPC采用不定频的运行方式,其采样频率较高,运行性能受系统延迟影响较为明显。以上算法虽然可以消除模型误差对控制系统的影响,但算法均较为复杂,大大增加了程序的运算太阳城集团,进而影响控制效果。因此,有必要设计一种算法简单的模型参数自补偿预测控制方法,在较短的采样周期内可实时对模型参数不匹配问题进行修正,提高系统的鲁棒性。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法,该方法在对象模型参数不匹配时,通过计算预测电流与系统实际电流的差值作为电流预测误差,并实时用电流预测误差对预测模型进行补偿,保证系统的控制品质,算法运算量小、结构简单、易于实现,可有效提高系统运行的鲁棒性。
本发明的技术方案为:一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法,其特征在于包括以下步骤:一种主动前端整流器模型参数自补偿预测控制方法,其特征在于包括以下步骤:(1)、检测主动前端整流器系统三相电网电压、三相输入电流和直流母线电压;(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值;(3)、将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角;将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压和输入电流以电网电压位置角进行Park变换,得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压和输入电流;(4)、将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差,经过PI控制器得到同步旋转坐标系下d轴电流参考值,设q轴电流参考值为0;(5)、将整流器d、q轴输入电流实际值与上一时刻最优输出电压对应的d、q轴输入电流预测值相减,作为d、q轴预测误差;(6)、将主动前端整流器模型作为预测模型、将步骤(4)中计算得到的同步旋转坐标系下的d、q轴电流参考值、步骤(3)中计算得到的同步旋转坐标系下的d、q轴电网电压和电流采样值,以及各开关组合作用下整流器在两相旋转坐标系下的输入电压作为预测模型的输入;(7)、通过预测模型预测各电压矢量作用下的预测电流,将d、q轴预测误差分别与d、q轴预测电流相加,得到补偿后的预测电流;(8)、选择使电流参考值与补偿后的电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量对应的电压值作为最优输出电压;(9)、用步骤(8)得到的输出电压对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。
本发明的模型参数自补偿预测控制方法在不改动硬件结构的情况下,通过计算电流预测误差,消除了模型参数不匹配对控制系统造成的影响,增强了模型预测控制系统的鲁棒性,实现主动前端整流器在预测模型存在较大误差情况下的稳定运行。
附图说明
图1为主动前端整流器主电路结构图;图2为基于模型预测控制的主动前端整流器控制结构图;图3为主动前端整流器模型参数自补偿预测控制结构原理图;图4为电感参数不匹配时的电流跟踪实验波形图; 
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明。主动前端整流器主电路拓扑结构如图1所示。图中,uga、ugb、ugc为交流侧三相电压源;iga、igb、igc为三相交流侧电流;uca、ucb、ucc为整流桥输入侧三相电压;udc为直流侧电压;Lg和Rg分别为进线电感及其等效电阻;C为直流滤波电容;O为电网中点;iL为负载电流,直流侧负载由电阻RL等效表示。
主动前端整流器的数学模型可通过坐标变换转换到同步旋转坐标系中,表示为
                                                                                                          (1)
ugd、ugq分别为电网电压的d、q轴分量;igdigq分别为交流侧电流的d、q轴分量;ucducq分别为整流桥交流侧输入电压的d、q轴分量;wg为电网电压旋转角速度。
对式(1)进行离散化,可得
  (2)
定义价值函数如下式所示
            (3)
式中:imdi(k+1)、imqi(k+1)为不同电压矢量作用下的预测电流值;下标i=1,2,...7。
模型预测控制策略充分利用功率变换器件的非线性特性,根据控制对象的离散模型预测系统下一时刻不同开关状态下的动态行为。通过价值函数对所有预测结果进行评估,最终选择使价值函数最小的电压矢量。因此,算法能够在每个采样周期预测到最优的开关状态作为控制器的输出。
采用MPC控制算法的主动前端整流器系统控制结构如图2所示。系统运行时首先采集电网电压和输入电流;将采集到的电压通过锁相环得到电网电压角度;将三相电压、电流信号通过3/2变换和Park变换得到两相旋转坐标系下的电压、电流信号;通过整流器预测模型,对下一时刻不同开关状态对应的输出电压作用下的电流动态行为进行预测;将预测的结果通过价值函数进行评估和优化,并选择最优输出电压对应的开关状态作为下一时刻功率开关的控制信号。以上算法在每个开关周期循环一次,因此,系统需有较高的采样频率。
设预测模型中电感标称值为Lm,电感误差为ΔL,有
                                                                                                      (4)
因此模型预测控制中的预测模型可表示为
   (5)
式中,下标i=1,2,...7。由式中可以看出,当电感标称值为Lm与电感实际值Lg不同时,将引起预测误差,则在最优输出电压确定后,d、q轴电流预测误差可由下式表示
                                                  (6)
式中,imd(k+1)、imq(k+1)为最优输出电压对应的d、q轴电流预测值。
由式(6)可得,当前时刻的电流预测误差为
                                                                          (7)
设系统运行稳定,d、q轴电流给定值在相邻采样周期内无变化,则将式(7)表示的d、q轴电流预测误差补偿到下一时刻的电流预测结果中即可对模型预测误差进行修正
                                                              (8)
图3为主动前端整流器模型参数自补偿预测控制结构原理图,其控制方法具体包括如下步骤:
(1) 检测主动前端整流器系统三相电网电压uga(k)、ugb(k)、ugc(k),三相输入电流iga(k)、igb(k)、igc(k)和直流母线电压udc(k);
(2) 将检测到的三相电网电压uga(k)、ugb(k)、ugc(k)和三相输入电流iga(k)、igb(k)、igc(k)经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压ugα(k)、ugβ(k)和输入电流igα(k)、igβ(k);
(3) 将三相电网电压信号uga(k)、ugb(k)、ugc(k)经过软件锁相环(PLL),得到电网电压位置角θ(k);将步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压ugα(k)、ugβ(k)和输入电流igα(k)、igβ(k)以电网电压位置角θ(k)进行Park变换,得到同步旋转坐标下d、q轴电网电压ugd(k)、ugq(k)和输入电流igd(k)、igq(k);
(4) 将直流母线电压参考值udc*(k)与步骤(1)得到的直流母线电压实际值udc(k)做差,经过PI控制器得到同步旋转坐标系下d轴电流参考值igd*(k),设q轴电流参考值igq*(k)为0;
(5) 将整流器d、q轴输入电流实际值igd(k)、igq(k)与上一时刻最优输出电压对应的d、q轴输入电流预测值imd(k)、imq(k)相减,作为d、q轴预测误差Δigd(k)、Δigq(k);
(6) 将主动前端整流器模型作为预测模型、将步骤(4)中计算得到的同步旋转坐标系下的d、q轴电流参考值igd*(k)、igq*(k)、步骤(3)中计算得到的同步旋转坐标系下的d、q轴电网电压ugd(k)、ugq(k)和输入电流igd(k)、igq(k),以及各开关组合作用下整流器在两相旋转坐标系下的输入电压ucdi(k)、ucqi(k)作为预测模型的输入,下标i=1,2,...7。;
(7) 通过预测模型来预测各电压矢量对应的输入电压ucdi(k)、ucqi(k)作用下的预测电流imdi(k+1)、imqi (k+1),将d、q轴预测误差Δigd(k)、Δigq(k)分别与d、q轴预测电流相加imdi(k+1)、imqi(k+1),得到补偿后的预测电流imdci(k+1)、imqci(k+1);
(8) 选择使电流参考值igd*(k)、igq*(k)与补偿后的电流预测值imdci(k+1)、imqci(k+1)之差的绝对值最小的电压矢量对应的电压值ucd(k)、ucq(k)作为最优输出电压。
(9) 用步骤(8)得到的输出电压ucd(k)、ucq(k)对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。
图4为模型电感标称值由准确值8mH减小到2mH时整流器d、q轴电流波形,由图中可以看出,由于电感的误差,q轴电流不能精确跟踪给定值。当采用模型参数自补偿预测控制方法后,q轴电流为零,可以准确跟踪给定值。
太阳城集团综上所述,与传统MPC控制算法相比,本发明的控制方法可以有效消除模型误差对控制系统的影响,实现对参考电流的准确跟踪,具有良好的控制品质和较强的鲁棒性,算法结构简单、计算量小、易于实现。

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主动 前端 整流器 模型 参数 补偿 预测 控制 方法
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