本發(fā)明涉及一種電力電子變換器的控制方法，尤其涉及一種間接矩陣變換器簡化采樣的模型預(yù)測控制方法方法。
背景技術(shù)：
：間接矩陣變換器是一種新型電力電子變換器，相對(duì)于傳統(tǒng)的AC-DC-AC變換器，具有拓?fù)浜唵巍⒔Y(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大且能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)構(gòu)成交流調(diào)速系統(tǒng)。特別是航天、軍工等需要帶載運(yùn)轉(zhuǎn)但空間容量有限的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中。在間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)傳統(tǒng)的模型預(yù)測控制策略中，由于需同時(shí)滿足電機(jī)負(fù)載及電網(wǎng)的要求，則需對(duì)磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和輸入無功功率進(jìn)行控制。然而其存在檢測量眾多，采樣調(diào)理成本高、時(shí)延長、控制算法復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，限制了模型預(yù)測控制方法在間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)上的應(yīng)用。圖1是間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由三相交流電源(1)、輸入LC濾波器(2)、三相橋式虛擬整流電路(3)、箝位電路(4)、三相橋式虛擬逆變電路(5)、異步電機(jī)(6)和兩條直流母線組成。其中虛擬整流電路由六個(gè)雙向開關(guān)Sr1，Sr2，Sr3，Sr4，Sr5，Sr6組成，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。虛擬整流器輸入電壓區(qū)域劃分如圖2，圖3為不同輸入電壓區(qū)域下虛擬整流級(jí)所有有效的開關(guān)狀態(tài)，以及根據(jù)虛擬逆變器的電壓矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如圖4，間接矩陣變換器在一采樣周期內(nèi)共可有C31C81＝24種有效開關(guān)狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖5所示采用模型預(yù)測控制的方法對(duì)電機(jī)負(fù)載和電網(wǎng)指標(biāo)要求進(jìn)行控制。其控制結(jié)構(gòu)包括電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測、預(yù)測模型、品質(zhì)函數(shù)優(yōu)化三個(gè)部分。其中預(yù)測模型包括定子磁鏈ψ、電磁轉(zhuǎn)矩Te和輸入無功功率Q。基于異步電機(jī)的狀態(tài)方程對(duì)定轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測(A)得到實(shí)際值并對(duì)其歐拉離散化，接著基于預(yù)測模型(B)對(duì)有效開關(guān)狀態(tài)下定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行預(yù)測，然后根據(jù)系統(tǒng)的性能要求對(duì)品質(zhì)函數(shù)優(yōu)化(C)，最后選出間接矩陣變換器最優(yōu)電壓矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)。具體控制算法按以下三步進(jìn)行：A.電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測根據(jù)異步電機(jī)的定子電壓方程，利用歐拉公式進(jìn)行離散化來對(duì)定轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測，公式如下：ψ→sE(k)=ψ→s(k-1)+v→o(k)Ts-TsRsi→o(k)---(1)]]>ψ→rE(k)=LrLmψ→sE(k)+(Lm-LsLrLm)i→o(k)---(2)]]>Rs，Rr，Ls，Lr，Lm——電機(jī)定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、定子電感、轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子互感。在電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測時(shí)，輸出電壓vo(k)是由輸入電壓檢測值和當(dāng)前時(shí)刻開關(guān)狀態(tài)重組得出，即：B.預(yù)測模型首先進(jìn)行定子磁鏈預(yù)測。定轉(zhuǎn)子磁鏈預(yù)測在觀測完成之后，可確定定子磁鏈預(yù)測公式如下：ψ→sp(k+1)=ψ→sE(k)+v→o(k)Ts-TsRsi→o(k)---(4)]]>然后進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測。根據(jù)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的關(guān)系得：要實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測，首先需要對(duì)定子電流io的預(yù)測。通過異步電機(jī)定子動(dòng)態(tài)方程確定定子電流預(yù)測公式如下：io(k+1)=(1+Tsτσ)·i→o(k)+Tsτσ+Ts·{1Rσ·(krτr-jkrω)ψ→r(k)+v→o(k)}---(5)]]>上式中：τσ＝Lσ/Rσ，Lσ＝σLs，τr＝Lr/Rr，kr＝Lm/Lr.因此根據(jù)定子磁鏈及電流的預(yù)測，可確定電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測公式為：Tep(k+1)=32p(ψ→sp(k+1)×i→op(k+1))---(6)]]>上述定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測模型中，輸出電壓預(yù)測值vo(k)是由輸入電壓觀測器的觀測值和所有開關(guān)狀態(tài)重組，即：v→o(k)=v→oP(k)=v→iE(k)*S(k+1)---(7)]]>最后進(jìn)行輸入無功功率預(yù)測。根據(jù)間接矩陣變換器輸入濾波器模型，我們以此確定濾波器輸入電流is的預(yù)測公式為：i→xp(k+1)=Φ3v→i(k)+Φ4i→s(k)+Γ3v→s(k)+Γ4i→i(k)---(8)]]>其中：A=11Cf-1Lf-RfLf,B=0-1Cf1Lf0.]]>因此，輸入側(cè)的瞬時(shí)無功功率的預(yù)測表達(dá)式：Qp(k+1)=|v→sβp(k+1)i→sαp(k+1)+v→sαp(k+1)i→sβp(k+1)|---(9)]]>C.目標(biāo)優(yōu)化對(duì)變量的目標(biāo)優(yōu)化是通過一個(gè)簡單的品質(zhì)函數(shù)，選擇使品質(zhì)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài)為下一時(shí)刻最優(yōu)控制。品質(zhì)函數(shù)表達(dá)式如下：g=λ1|Te*-TeP(k+1)|+λ2||ψ→s*|-|ψ→sP(k+1)||+λ3|Qp(k+1)-Q*|---(10)]]>λ1、λ2、λ3、λ4和λ5為各變量的權(quán)重系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測控制，需要當(dāng)前時(shí)刻電源電壓vs、電源電流is、輸入電壓vi、輸出電流io、轉(zhuǎn)速n五組13路信號(hào)檢測，則需較繁多的傳感器及調(diào)理電路，造成采樣調(diào)理硬件電路成本較高；并且，AD采樣時(shí)間與數(shù)字濾波時(shí)延，及DSP處理時(shí)間較長，會(huì)進(jìn)一步惡化MPC控制方法中運(yùn)算量大、計(jì)算復(fù)雜、控制頻率較低而導(dǎo)致不易硬件實(shí)現(xiàn)的問題。最終導(dǎo)致采用目前常用的基于DSP的控制器控制周期長，而影響控制性能和效果。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)
背景技術(shù)：
中間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型預(yù)測控制方法存在采樣復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出一種新的簡化采樣方法-輸入電壓觀測模型預(yù)測控制策略，利用輸入濾波器模型來設(shè)計(jì)并構(gòu)建輸入電壓觀測器以減少系統(tǒng)采樣；該方法包括如下步驟：步驟(1)，分析出IMC-IM調(diào)速系統(tǒng)的模型預(yù)測控制方法中采樣信號(hào)需求量。具體為：間接矩陣變換器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)采用模型預(yù)測控制方法進(jìn)行控制。此控制方法為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)電機(jī)的穩(wěn)定調(diào)速及網(wǎng)測單位功率因數(shù)的目標(biāo)，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，選擇電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈及輸入無功功率因數(shù)進(jìn)行模型預(yù)測，并通過品質(zhì)函數(shù)最小化尋取最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)。具體的，1)根據(jù)電機(jī)狀態(tài)方程對(duì)定轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測，觀測模型需要IMC的輸出電壓vo和輸出電流io檢測值。2)建立定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和輸入無功功率預(yù)測模型，其中定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型也需間接矩陣變換器輸出電壓vo和輸出電流io，輸出電壓vo由輸入電壓vi檢測值和開關(guān)狀態(tài)重組得出；而輸入無功功率預(yù)測模型需要電源電壓vs、電源電流is、輸入電壓vi、輸入電流ii，而輸入電流ii由輸出電流io和開關(guān)狀態(tài)重組得出。綜上可得，此方法需要電源電壓vs、電源電流is、輸入電壓vi、輸出電流io、轉(zhuǎn)速n共五組13路信號(hào)檢測。則較繁多的傳感器及調(diào)理電路，會(huì)造成采樣調(diào)理硬件電路成本較高；并且，AD采樣時(shí)間與數(shù)字濾波時(shí)延，及DSP處理時(shí)間較長，會(huì)進(jìn)一步惡化MPC控制方法中運(yùn)算量大、計(jì)算復(fù)雜、控制頻率較低而導(dǎo)致不易硬件實(shí)現(xiàn)的問題。步驟(2)，針對(duì)分析步驟(1)中控制方法的缺點(diǎn)，提出簡化采樣電路，首先分析輸入電壓采樣在控制方法中的作用。分析輸入電壓采樣在模型預(yù)測方法中的作用有三：①需要輸入電壓的觀測值通過數(shù)據(jù)重組來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的vo的觀測，最終實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測、定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測。②需要輸入相電壓vi的觀測值實(shí)現(xiàn)劃分區(qū)域的判斷，從而通過定子電流io觀測值的數(shù)據(jù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸入電流ii的觀測，最終實(shí)現(xiàn)輸入無功功率的預(yù)測。③需要輸入電壓vi的觀測值實(shí)現(xiàn)電源電流is的預(yù)測，滿足輸入無功功率預(yù)測模型的需要。步驟(3)，根據(jù)步驟(2)中輸入電壓在模型預(yù)測控制方法中的作用①②，基于間接矩陣變換器輸入濾波器模型設(shè)計(jì)輸入電壓觀測器，替代傳統(tǒng)采樣。具體為：根據(jù)輸入濾波器的數(shù)學(xué)模型，通過公式推導(dǎo)變換，vi的觀測值用電源電壓和電源電流的觀測值表示，此時(shí)間接矩陣變換器不同的開關(guān)狀態(tài)下的輸出電壓的vo，通過vi的觀測值表示出來，實(shí)現(xiàn)了其在步驟(1)中的作用①；同時(shí)，把輸入電壓在一個(gè)周期內(nèi)的波形劃分為六個(gè)區(qū)域，通過vi的觀測值判斷其所在區(qū)域，確定其開關(guān)狀態(tài)，從而確定相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)下輸入電流ii的觀測值，實(shí)現(xiàn)了其在步驟(1)中的作用②。步驟(4)，根據(jù)步驟(1)中輸入電壓對(duì)無功功率預(yù)測模型的作用③，基于間接矩陣變換器輸入濾波器的數(shù)學(xué)模型，重新構(gòu)建新型電源電流is的預(yù)測模型，用于輸入無功功率的預(yù)測，省略了輸入電壓在輸入無功功率預(yù)測的需求。具體為：根據(jù)輸入濾波器的數(shù)學(xué)模型，通過公式推導(dǎo)變換，vi可用電源電壓和電源電流的檢測值表示，然后帶入電源電流的is的預(yù)測公式，最終實(shí)現(xiàn)輸入無功功率預(yù)測。故輸入無功功率只需電源電壓vs、電源電流is、輸入電流ii，摒棄了輸入電壓vi在輸入無功功率預(yù)測模型中的作用③。步驟(5)，把步驟(3)中輸入電壓觀測器的觀測值及步驟(4)中的新型輸入無功功率預(yù)測模型帶入模型預(yù)測控制方法中，簡化采樣。附圖說明圖1是間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2是虛擬整流器輸入電壓區(qū)域劃分圖。圖3是虛擬整流器有效開關(guān)狀態(tài)表。圖4是虛擬逆變器有效開關(guān)狀態(tài)圖。圖5是間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型預(yù)測控制框圖。圖6是間接矩陣變換器輸入濾波器結(jié)構(gòu)圖。圖7是間矩陣變換器輸入電壓區(qū)間與輸入電流ii、輸出電壓vo對(duì)應(yīng)表。圖8是基于輸入電壓觀測的間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型預(yù)測控制框圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種間接矩陣變換器模型預(yù)測控制簡化采樣的方法，以克服模型預(yù)測控制方法中采樣導(dǎo)致采樣調(diào)理硬件電路復(fù)雜、成本較高、AD采樣時(shí)間和數(shù)字濾波時(shí)延長、DSP處理時(shí)間長的缺點(diǎn)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的方案是利用輸入濾波器的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行變量的推導(dǎo)和替換，設(shè)計(jì)了新型輸入電壓觀測器替代傳統(tǒng)采樣電路，同時(shí)利用二階差商方法建立新型電源電流is預(yù)測模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入無功功率預(yù)測與輸入電壓進(jìn)行解耦，以降低預(yù)測控制對(duì)觀測模型的依賴。1.輸入電壓觀測器的設(shè)計(jì)從圖5所示的間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳統(tǒng)模型預(yù)測控制策略中可以看出，為了實(shí)現(xiàn)間接矩陣變換器輸出側(cè)電機(jī)的良好運(yùn)行調(diào)速及輸入功率因數(shù)為1的目的，模型預(yù)測控制策略包括三部分：A、電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測；B、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和輸入無功功率預(yù)測；C、品質(zhì)函數(shù)優(yōu)化。在此控制方法中，需要對(duì)系統(tǒng)的多路信號(hào)進(jìn)行采樣，在硬件實(shí)現(xiàn)中會(huì)造成較復(fù)雜的采樣電路和繁雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。因此，采樣電路的簡化是必要趨勢。在多路采樣中，選取輸入電壓vi為采樣簡化目標(biāo)，輸入電壓的采樣目的之二為：①需要輸入電壓的觀測值和開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)重組出輸出電壓的vo，最終實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測、定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測。②需要輸入相電壓vi的觀測值實(shí)現(xiàn)劃分區(qū)域的判斷，從而通過定子電流io觀測值和開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)重組出輸入電流ii，最終實(shí)現(xiàn)輸入無功功率的預(yù)測。本發(fā)明通過利用間接矩陣變換器輸入濾波器的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)并構(gòu)建輸入電壓vi觀測器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)采樣電路。如圖6所示，間接矩陣變換器的輸入濾波器主要由一個(gè)電感和一個(gè)電容并聯(lián)組成，可以濾除因間接矩陣變換器因高頻開關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生的高頻諧波，在電網(wǎng)和變換器連接中是不可或缺的部分。已知其二階系統(tǒng)可被描述為：di→sdt=1Lfv→s-1Lfv→i-RfLfi→s---(11)]]>dv→idt=1Cfi→s-1Cfi→i---(12)]]>根據(jù)公式(11)，采用歐拉公式對(duì)其進(jìn)行離散化，如公式(13)所示：Lfis(k)-Lfis(k-1)＝Tsvs(k-1)-TSvi(k-1)-TSRfis(k-1)(13)經(jīng)整理可得如下公式(14)：vi(k-1)=vs(k-1)-LfTsis(k)+(LfTs-Rf)is(k-1)---(14)]]>可知vi(k-1)通過公式(14)觀測得出。由于輸入相電壓vi為連續(xù)信號(hào)，且采樣頻率較高，可以認(rèn)為vi(k)≈vi(k-1).即本發(fā)明所設(shè)計(jì)的輸入電壓觀測器如公式(15)所示：vi(k)=vi(k-1)=vs(k-1)-LfTsis(k)+(LfTs-Rf)is(k-1)---(15)]]>圖7為間矩陣變換器輸入電壓區(qū)間與直流電壓vdc、輸入電流ii對(duì)應(yīng)關(guān)系表?；谏鲜鰯?shù)據(jù)觀測公式(15)，首先通過觀測器觀測出輸入電壓vi的tk時(shí)刻的值；然后利用此觀測值，判定輸入電壓所在區(qū)間(1-6)；最后實(shí)現(xiàn)觀測輸入電壓的其中兩個(gè)目的：(1)基于輸入電壓vi的觀測值和所在區(qū)間，推導(dǎo)直流電壓vdc的值，最終求得輸出電壓vo的值。(2)基于輸入電壓所在區(qū)間，推導(dǎo)輸入電流ii和直流母線電流Idc的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中Idc是由輸出電流io數(shù)據(jù)重構(gòu)而得。由此，如圖8所示的輸入電壓觀測器，輸入電壓的觀測值替代了原輸入電壓采樣在模型預(yù)測控制方法中的作用①②，替代了傳統(tǒng)輸入電壓采樣，很大程度的簡化了硬件采樣調(diào)理電路，從而減小AD采樣時(shí)間和數(shù)字濾波時(shí)延及DSP處理時(shí)間。2.新型電源電流is預(yù)測模型設(shè)計(jì)輸入電壓采樣值的作用③為：從圖5所示的間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳統(tǒng)模型預(yù)測控制策略需要對(duì)輸入無功功率進(jìn)行控制。在對(duì)無功功率的預(yù)測公式(9)中，需要電源電壓vs和電源電流is的預(yù)測模型；而在電源電流is的預(yù)測公式(8)中需要三組變量電源電壓vs、電源電流is、輸入電壓vi的采樣值，因此至少需要9路采樣調(diào)理電路才能實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提出一種新型電源電流is預(yù)測模型，直接摒棄傳統(tǒng)預(yù)測模型中輸入電壓的采樣值作用，僅需要電源電流is一組變量采樣值即可預(yù)測出is(k+1)?；谳斎霝V波器的數(shù)學(xué)模型式(11)確定輸入電壓vi的表達(dá)式(16)：v→i=v→s-Rfi→s-Lfdi→sdt---(16)]]>把式(16)帶入式(12)式得如下公式(17)：Cfd(vs-Rfi→s-Lfdi→sdt)dt=i→s-i→i---(17)]]>為了實(shí)現(xiàn)電源電流的預(yù)測，對(duì)公式(17)進(jìn)行離散化：對(duì)公式(17)中的一階微分項(xiàng)采用一階前差商(前項(xiàng)歐拉公式)進(jìn)行離散，二階微分項(xiàng)采用二階中心差商進(jìn)行離散后得：i→sP(k+1)=(RfTs+2Lf-TS2/Cf)i→s(k)-Lfi→s(k-1)+(TS2/Cf)i→iP(k)RfTs+Lf---(18)]]>公式(18)即為本發(fā)明中新型電源電流的預(yù)測模型，在此式中is(k-1)和is(k)為電源電流的采樣值，而ii(k)是通過對(duì)輸出電流io數(shù)據(jù)重構(gòu)得出。然后把式(18)帶入輸入無功功率預(yù)測模型式(9)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)間接矩陣變換器的輸入無功功率的預(yù)測。新型電源電流的預(yù)測模型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)k+1時(shí)刻的變量預(yù)測，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠降低預(yù)測控制對(duì)觀測模型的依賴。當(dāng)前第1頁1 2 3