《电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法.pdf（16页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103036462 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103036462 A *CN103036462A* (21)申请号 201210491537.3 (22)申请日 2012.11.26 H02M 7/219(2006.01) H02M 1/14(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人 夏长亮 何湘宁 李瑞来 周发强 王志强 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 程毓英 (54) 发明名称 电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测 控制方法。
2、 (57) 摘要 本发明属于功率变换器控制领域， 涉及一种 电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制 方法， 包括 ： (1) 将三相电网电压和电流经 abc/ 坐标变换为两相静止坐标系下的电网电压 和电流 ； (2) 对两相静止坐标系下的电网电压进 行正负序分量分离得到电网正序电压和负序电 压 ； (3) 计算有功功率参考值 ； (4) 计算整流器在 两相静止坐标系下的电流参考值 ； (5) 进行模型 预测电流控制选择最优开关状态。本发明可以在 两相静止坐标下保证对电流快速精确跟踪的同时 有效消除直流侧电压的波动， 改善系统的电能质 量 ； 同时实现整流器在暂态电网电压不平衡时的 可靠并网。
3、运行， 提高整个系统的动态性和稳定性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 11 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法， 其特征在于， 包括下列 步骤 ： (1) 设三相电网电压分别为 ea、 eb、 ec， 三相电网电流分别为 ia、 ib、 ic， 直流侧电压为 Udc， 分别将三相电网电压和电流经 abc/ 坐标变换为两相静止坐标系下的电网电压 e、 e 和电流 i、 i； (2) 对两相静止坐标系下的电网电。
4、压 e、 e进行正负序分量分离得到电网正序电压 和负序电压 (3) 使用数字陷波器滤除实际直流电压 Udc中存在的二次谐波干扰， 然后计算 Udc与参 考值 Udc， ref之间的误差， 将此误差经过 PI 调节器运算后转化为系统有功功率参考值 Pav， ref； (4) 整流器参考电流计算 ： 令电压源型整流器系统平均无功功率参考值Qav， ref为0， 由下列表达式计算两相静止坐 标下的参考电流正、 负序分量 ： 其中， 式中，为在两相 静止坐标系下的电网正序相电压 ； 为在两相 静止坐标系下的电网负序相电压 ； 为两相 静止坐标系下整流器正序电流参考值 ； 为两相 静止坐标系下整流器负序。
5、电流参考值 ； L 为网侧进线滤波电感 ； 分别将上述参考电流的正序分量和负序分量相加， 得出两相 静止坐标系下的系 统电流参考值 i， ref、 i， ref； (5) 进行模型预测电流控制 , 方法如下 ： (a)根据当前tk时刻检测的电网电压和电流， 由以下预测模型计算tk+1时刻的电流值: 式中， R 为进线电感内阻 ； Ts为采样周期 ； i(tk)、 i(tk) 是 tk时刻在两相 静止坐标系下的实际电流值 ； i(tk+1)、 i(tk+1) 是 tk+1时刻在两相 静止坐标系下的电流估算值 ； e(tk)、 e(tk) 是 tk时刻在两相 静止坐标系下的实际电网电压值 ； u(。
6、tk)、 u(tk) 是第 k 个采样周期内应用的开关状态所对应交流侧电压的 分量， 初始时刻值可以设为 0 ； 权 利 要 求 书 CN 103036462 A 2 2/2 页 3 （b） 利用下式计算第 k+1 个采样周期内的每个开关状态所对应的交流侧电压 u(tk+1)、 u(tk+1)， 即 式中， Sa、 Sb、 Sc为电压源型整流器三个上桥臂的开关状态 ； Udc(tk+1) 是 tk+1时刻的直流侧电压 ； （c） 由上述交流侧电压 u(tk+1)、 u(tk+1)， 按照前述预测模型向前进一步预测 tk+2时刻 在两相静止坐标系下的电流值 i(tk+2)、 i(tk+2) ； 。
7、（d） 构造一个价值函数 g ： g |i， ref(tk+2)-i(tk+2)|+|i， ref(tk+2)-i(tk+2)| 式中， i， ref(tk+2)、 i， ref(tk+2) 是 tk+2时刻电流参考值， 通过价值函数 g 对每一个开关状 态进行评估， 选出使得价值函数最小的预测电流值所对应的开关状态 ； （e） 根据步骤 （d） 中选出的开关状态， 对电压源型整流器三个上桥臂上的开关进行控 制， 实现整流器的稳定运行。 2. 根据权利要求 1 所述的电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法， 其特 征在于， 步骤 （2） 中采用下式所示的分解法对电网电压 e、 e进行正。
8、、 负序分量分离得到电 网正序电压和负序电压即 式中， 为相移角度 ； 为电网电压角频率 ； 上标 p、 n 分别代表正、 负序分量 ； e(t)、 e(t) 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网相电压 ； 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网正序相电压 ； 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网负序相电压 ； 为时刻两相 静止坐标系下的电网相电压。 权 利 要 求 书 CN 103036462 A 3 1/11 页 4 电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法 技术领域 0001 本发明涉及一种在不平衡电网电压下电压源型整流器的控制方法， 属于功率变换 器控制领域。 背景技术 0002 。
9、电压源型脉宽调制整流器具有网侧电压正弦化、 单位功率因素、 能量双向流动及 恒定直流电压控制的优点， 能够实现电能 “绿色变换” ， 因此在工业直流电源、 变频调速系 统、 无功功率补偿、 新能源 （如太阳能、 风力发电） 等领域有着广泛的应用前景。上述整流器 优点是在假设电网电压平衡的前提下， 利用电流内环和电压外环的双闭环线性控制策略和 非线性控制策略实现的。 但在工程实际中， 电压源型整流器工作于不平衡状态 （如幅相不平 衡、 电压突降、 参数不平衡等） ， 交流负序电流以及负序电压的存在， 导致直流电压中将出现 2、 4、次谐波， 交流电流中将出现 3、 5、次谐波， 对整流器的性能产。
10、生不良影响， 严重时 会引起整个系统的急剧恶化。 0003 目前国内外电网电压不平衡时电压源型整流器的控制策略， 主要是设法消除或者 抑制网侧电流的基波负序分量和有限次谐波分量以及直流电压中的谐波分量。 在忽略进线 电抗器的功率交换的情况下， 抑制网侧输出有功功率的波动可以保持直流侧电容电压恒定 且无二倍频波动 ； 当电压源型整流器应用在大功率场合时， 由于电力电子器件自身损耗的 限制， 其开关频率一般较低， 进线电抗器上的功率波动不能忽略， 此时若采用抑制网侧有功 功率波动的控制策略， 则电抗器上的有功功率波动需要直流侧功率波动来抵消， 造成直流 侧电容电压波动无法消除， 造成电容的频繁充放。
11、电， 严重时甚至影响整个系统的稳定运行。 目前传统的方法是通过控制电压源型整流器交流端功率， 理论上可消除直流电压波动， 但 是却存在电流指令的求解复杂， 更多的变量引入使控制系统不易实现等， 因此有必要寻求 一种简单有效的增强直流侧电压稳定控制的方法。 0004 此外， 目前不平衡控制策略中一般采用比例积分 （PI） 、 比例谐振 （PR） 控制器或者 一些非线性控制器的电流内环， 上述方法存在以下问题 ： 1） 需要通过滤波器或延时算法独 立检测正负序电流， 存在稳态误差或者时间延迟 ； 2） 采用锁相环获取同步信号， 存在相移偏 差和时间延迟 ； 3） PI 或者 PR 控制器的参数设计。
12、比较复杂， 很难实现较好的电流跟踪精度和 响应速度 ； 4） 非线性控制器参数依赖性大， 同时计算量大导致实时性差， 限制了该策略的使 用等。因此， 当电网电压发生暂态不平衡时， 为了能使电压源型整流器能稳定可靠运行， 对 控制系统的响应速度和精确跟踪等性能要求更高， 电流内环控制应能够提供一个相对高的 带宽， 保证对电流的快速精确跟踪， 尽可能地减少瞬态跟踪时间。 模型预测控制由于具有很 好的动态特性， 可以实现对参考值的精确跟踪， 具有计算量小， 易于数字化实现等优点， 因 此可以设计一种模型预测控制方法， 将其应用到电网电压不平衡控制中， 从而简化系统控 制算法， 改善系统的控制性能。 。
13、发明内容 说 明 书 CN 103036462 A 4 2/11 页 5 0005 本发明目的在于解决电网电压不平衡时电压源型整流器控制的现有问题， 提供一 种简单易于实现的增强直流侧电压稳定控制的模型预测电流控制方法， 可以在静止坐标下 保证对电流快速精确跟踪的同时有效消除直流侧电压的波动， 改善系统的电能质量 ； 同时 实现电压源型整流器在暂态电网电压不平衡时的可靠并网运行， 提高整个系统的动态性和 稳定性。为了实现上述目的， 本发明提出的电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控 制方法， 采用以下技术方案 ： 0006 一种电网电压不平衡时电压源型整流器模型预测控制方法， 包括下列步骤 。
14、： 0007 (1) 设三相电网电压分别为 ea、 eb、 ec， 三相电网电流分别为 ia、 ib、 ic， 直流侧电压 为 Udc， 分别将三相电网电压和电流经 abc/ 坐标变换为两相静止坐标系下的电网电压 e、 e和电流 i、 i； 0008 (2)对两相静止坐标系下的电网电压e、 e进行正负序分量分离得到电网正序电 压和负序电压 0009 (3) 使用数字陷波器滤除实际直流电压 Udc中存在的二次谐波干扰， 然后计算 Udc 与参考值 Udc， ref之间的误差， 将此误差经过 PI 调节器运算后转化为系统有功功率参考值 Pav， ref； 0010 (4) 整流器参考电流计算 ： 。
15、0011 令PWM整流器系统平均无功功率参考值Qav， ref为0， 由下列表达式计算两相静止坐 标下的参考电流正、 负序分量 ： 0012 0013 0014 其中， 0015 0016 式中，为在两相 静止坐标系下的电网正序相电压 ； 0017 为在两相 静止坐标系下的电网负序相电压 ； 0018 为两相 静止坐标系下电压源型正序电流参考值 ； 0019 为两相 静止坐标系下电压源型负序电流参考值 ； 0020 L 为网侧进线滤波电感 ； 0021 分别将上述参考电流的正序分量和负序分量相加， 得出两相 静止坐标系下 的系统电流参考值 i， ref、 i， ref； 0022 (5) 进行。
16、模型预测电流控制 , 方法如下 ： 0023 (a) 根据当前 tk时刻检测的电网电压和电流， 由以下预测模型计算 tk+1时刻的电 流值 : 说 明 书 CN 103036462 A 5 3/11 页 6 0024 0025 式中， R 为进线电感内阻 ； Ts为采样周期 ； 0026 i(tk)、 i(tk) 是 tk时刻在两相 静止坐标系下的实际电流值 ； 0027 i(tk+1)、 i(tk+1) 是 tk+1时刻在两相 静止坐标系下的电流估算值 ； 0028 e(tk)、 e(tk) 是 tk时刻在两相 静止坐标系下的实际电网电压值 ； 0029 u(tk)、 u(tk)是第k个采样。
17、周期内应用的开关状态所对应交流侧电压的分 量， 初始时刻值可以设为 0 ； 0030 （b）利用下式计算第 k+1 个采样周期内的每个开关状态所对应的交流侧电压 u(tk+1)、 u(tk+1)， 即 0031 0032 式中， Sa、 Sb、 Sc为电压源型整流器三个上桥臂的开关状态 ； 0033 Udc(tk+1) 是 tk+1时刻的直流侧电压 ； 0034 （c） 由上述交流侧电压 u(tk+1)、 u(tk+1)， 按照前述预测模型向前进一步预测 tk+2 时刻在两相静止坐标系下的电流值 i(tk+2)、 i(tk+2) ； 0035 （d） 构造一个价值函数 g ： 0036 g |。
18、i， ref(tk+2)-i(tk+2)|+|i， ref(tk+2)-i(tk+2)| 0037 式中， i， ref(tk+2)、 i， ref(tk+2) 是 tk+2时刻电流参考值， 通过价值函数 g 对每一个开 关状态进行评估， 选出使得价值函数最小的预测电流值所对应的开关状态 ； 0038 （e） 根据步骤 （d） 中选出的开关状态， 对电压源型整流器三个上桥臂上的开关进行 控制， 实现整流器的稳定运行。 0039 作为优选实施方式， 步骤 （2） 中采用下式所示的分解法对电网电压 e、 e进行正、 负序分量分离得到电网正序电压和负序电压即 0040 0041 0042 式中， 为。
19、相移角度 ； 为电网电压角频率 ； 上标 p、 n 分别代表正、 负序分量 ； 0043 e(t)、 e(t) 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网相电压 ； 0044 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网正序相电压 ； 0045 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网负序相电压 ； 说 明 书 CN 103036462 A 6 4/11 页 7 0046 为时刻两相 静止坐标系下的电网相电压。 0047 本发明具有如下的技术效果 ： 0048 1、 本发明所提出的控制方法通过考虑在不平衡电网电压下电压源型整流器进线 电感上的功率波动， 提出了一个增强直流侧电压稳定控制的方法， 有效解决了直流侧。
20、电压 波动问题， 同时实现电压源型整流器在不平衡电网电压下的并网运行， 改善系统的电能质 量， 提高整个系统的稳定性和可靠性。 0049 2、 本发明的控制方法采用了一种正负序分量快速分解法， 相比滤波器或者四分之 一电网周期延时算法进行正负序分离， 减少了分解误差和时间延迟问题， 提高了控制系统 的稳定性和响应速度， 特别适合于暂态电网不平衡情况。 0050 3、 本发明将模型预测电流控制应用到电网电压不平衡控制中， 实现了对参考电流 的快速精确跟踪， 具有动态特性好、 计算量小、 易于数字化实现等优点， 适合于暂态电网电 压不平衡情况。 0051 4、 本发明的控制方法均在两相静止坐标下实。
21、现， 不需要锁相环获取同步信号以及 电流的正负序分解， 控制结构简单更易于实现， 避免了可能存在的相移偏差和时间延迟问 题， 提高了系统的可靠性。 附图说明 0052 图 1 是电压型电压源型整流器主电路拓扑结构图 ； 0053 图 2 是电压正负序分量快速分解法原理示意图 ； 0054 图 3 是模型预测电流控制算法流程图 ； 0055 图 4 是不平衡电网电压下电压源型整流器的控制系统框图。 具体实施方式 0056 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。 0057 本发明是针对电网电压不平衡情况下电压源型整流器并网运行所提出的一种新 型控制策略， 可以在两相静止坐标系下实现直流侧电。
22、压二次谐波分量的有效抑制， 简化控 制系统算法， 提高系统响应速度和可靠性。 以下将从不平衡电网电压下的功率模型、 电压正 负序分量分离、 参考电流值计算、 模型预测控制算法设计等四方面作进一步说明。 0058 （1） 电网电压不平衡下电压源型整流器的功率模型 0059 电压源型整流器作为功率变换器， 其主要作用是从电网侧获得特定的有功功率和 无功功率以满足负载的需要， 因此电压源型整流器对输入电流以及直流侧电压的控制实际 上是对输入和输出功率的控制。如果瞬时有功和无功功率得到了快速有效的控制， 电压源 型整流器就能获得良好的动静态特性。 因此有必要从功率角度方面来分析电压不平衡下电 压源型整。
23、流器的运行特性， 进而有效地确定和设计控制方法。下面将介绍不平衡电网电压 下电压源型整流器的功率模型。 0060 图 1 为电压型电压源型整流器主电路拓扑结构图， 图中 ea、 eb、 ec为电网相电压 ； ia、 ib、 ic为交流侧相电流 ； ua、 ub、 uc为整流器交流侧相电压 ； Udc为直流侧电压 ； L、 R 为进线 电抗器及其内阻， Pg、 Pc分别为网侧输入有功功率和交流侧输入有功功率。电压源型整流器 说 明 书 CN 103036462 A 7 5/11 页 8 在两相静止坐标下的矢量方程为 0061 0062 式中， E、 U和 I分别为电网电压、 整流器交流侧相电压和。
24、输入电流在两相 静止坐标系下的合成矢量。 0063 当电网电压不平衡时， 电网电压 E和电流 I均含有正序分量、 负序分量和零 序分量。对于三相无中线系统， 可以不考虑零序分量， 此时在旋转坐标系中， 除了逆时针旋 转的正序分量外， 还包括顺时针旋转的负序分量， 则 E、 U以及 I可以表示为 0064 0065 式中 ： 上标 p、 n 分别代表正、 负序分量 ； 下标 d、 q 分别代表旋转坐标系 d、 q 轴分 量 ； 为电网电压的同步角速度。 0066 因此当电网电压不平衡时， 网侧输入的复功率 S 可以表示为 0067 0068 将式 (2) 代入式 (1) 可得 0069 0070。
25、 式中， 0071 0072 同理， 电压源型整流器交流端输入功率可以表述为 0073 0074 式中， 说 明 书 CN 103036462 A 8 6/11 页 9 0075 0076 由式 (4) 可以看出， 电网电压不平衡时， 在正、 负序双旋转坐标系中， 网侧输入的 有功功率 Pg和无功功率 Qg由直流分量和二倍频分量组成。其中， 为有功功率直流分量 ； 和为有功功率的二倍频分量幅值 ； 为无功功率直流分量 ； 和为无功功率二倍 频分量幅值 ； 同理， 电压源型整流器交流端输入功率 Pc和 Qc由类似的定义 ；和 为电网正 序电压 dq 轴分量 ；和 为电网负序电压 dq 轴分量 ；。
26、 和为交流端正序电压 dq 轴分量 ； 和为电网负序电压 dq 轴分量 ；和 为交流端正序电流 dq 轴分量 ；和 为交流端负序 电流 dq 轴分量。 0077 （2） 电网电压正、 负序分量分离 0078 当三相电网电压不平衡时， 特别是暂态不平衡情况， 为了实现对整流器输入电流 的控制， 需要对电网电压进行正负序分量分离以便计算正负序电流参考值， 常用方法是使 用陷波滤波器和四分之一电网周期延时法进行分离， 此时就存在分离误差和时间延迟问 题。 因此本发明采用了一种快速正负序分量分解法， 其两相静止坐标系下的电压正、 负序分 量分解原理可以表示如下 ： 0079 0080 式中， 为相移角。
27、度 ； 0081 e(t)、 e(t) 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网相电压 ; 0082 为时刻两相 静止坐标系下的电网相电压 ； 0083 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网相电压正序分量 ; 0084 为 t 时刻两相 静止坐标系下的电网相电压负序分量。 0085 具体的实施方式可以用图 2 表示， 通过采样网侧电压经过 Clark 变换得到两相 静止坐标系下的电网电压 e、 e， 然后采用式 (6) 计算得到电网正序电压和负 序电压该算法可以在 n（n 1） 个采样周期内完成， 当系统采样周期很短时， 这种 分离方法可以提高控制系统的稳定性和响应速度。 0086 （3） 两相静。
28、止坐标系下的参考电流值计算 0087 当三相电网电压不平衡时， 对电压源型整流器的控制主要是抑制系统有功功率波 说 明 书 CN 103036462 A 9 7/11 页 10 动以消除直流侧电压的二次谐波。受控制自由度的影响， 系统一般仅对 Pav、 Qav、 Pc2和 Ps2进 行控制， 而对Qc2和Qs2不进行控制。 控制系统需选择合适的功率参考值， 从而得到所需的参 考电流。 为了简化系统控制算法， 本发明中参考电流的计算均在两相静止坐标系下实现， 因 此不需要电网正负序电压矢量的角度锁相环节和坐标旋转变换， 避免了可能存在的相移偏 差和时间延迟， 提高了系统的可靠性。 0088 由于。
29、 Pav， ref与直流侧负载有关， 其可以通过直流侧电压外环 PI 调节得到， 即将直 流电压参考值与实际采样值相减后的差值输入 PI 控制器， PI 控制器输出值与直流电压参 考值的乘积则作为系统瞬时有功功率给定值 ： 0089 0090 式中， Kvp、 Kvi分别为电压外环 PI 调节器的比例和积分增益 ； Udc为直流侧电压参考 值。另外一般要求电压源型整流器单位功率因素运行， 此时平均无功功率参考值 Qav， ref设 为 0。 0091 在进线电抗器电感值较小条件下， 可以不考虑进线电抗器的功率波动， 认为 Pc Pg， 因此抑制网侧有功功率的波动， 则可以保持直流侧电容电压恒定。
30、且无二倍频波动。当电 压源型整流器应用在大功率场合时， 其进线电感值相对较大， 电网电压发生不平衡时进线 电抗器上的功率波动不能忽略， 此时若采用抑制网侧有功功率波动的控制策略， 则电抗器 上的有功功率波动需要直流侧功率波动来抵消， 造成直流侧电压波动无法消除。为了有效 消除直流侧电压的二倍频波动， 则需要考虑电抗器上的功率波动， 此时应该控制整流器交 流端输入功率代替控制网侧输入功率， 即应该使和分别等于有功功率参考值和 0， 同 时使等于 0。此时系统无功功率由于不可控， 仍然会有二倍频波动， 但其平均值为 0。 因此由式 (5) 可得直流侧电压无波动控制时在同步旋转坐标系下参考电流正负序。
31、分量表 达式为 0092 0093 0094 式中， 0095 为在正序 dq 旋转坐标系下线电流参考值的正序分量 ; 0096 为在负序 dq 旋转坐标系下线电流参考值的负序分量。 0097 设坐标旋转变换矩阵 Mdq+ -和 Mdq- -为 0098 0099 0100 式中， p和 n分别为网侧电压矢量正负序旋转角度。则式 (8) 和式 (9) 两边同 时乘以矩阵Mdq+-和Mdq-， 则可得两相静止坐标系下的参考电流正负序分量表 达式 说 明 书 CN 103036462 A 10 8/11 页 11 0101 0102 0103 式中， 0104 为在两相 静止坐标系下线电流参考值的。
32、正序分量 ; 0105 为在两相 静止坐标系下线电流参考值的负序分量 ； 0106 为两相 静止坐标系下整流器交流侧电压正序分量 ; 0107 为两相 静止坐标系下整流器交流侧电压负序分量。 0108 从上式可以看出， 参考电流正负序分量需要由电压源型整流器的交流端电压正负 序分量求得， 而交流侧电压往往较难获得。 由于电网电压正弦度高且波形光滑容易测量， 因 此可以利用电网电压和交流端电压之间关系对式(12)和式(13)进行改进， 具体过程如下 ： 由于进线电感电阻较小， 为了简化计算量， 可以忽略其电阻的影响， 则由式 (1) 和式 (2) 可 得如下关系 ： 0109 0110 0111。
33、 令则由式 (12)(15) 可得到如下关系 0112 0113 0114 式中， 0115 从式 (16)、 式 (17) 可以看出， 在考虑电抗器上的功率波动后， 参考电流正负序分 量的计算中含有两部分， 从网侧输入功率的角度来看， 第一部分可视作提供直流侧负载所 需的平均有功功率， 第二部分可视作补偿电抗器上吸收的有功功率波动。因此该控制方法 可以很好地控制整流器交流端的输入功率恒定， 保证直流侧电压稳定且无二倍频波动。同 时可以发现， 在实际应用中， 由于在电感上的压降并不大， 系统功率因素近似等于 1， 可以满 足应用需求。 0116 （4） 模型预测控制算法设计 0117 要实现电。
34、网不平衡时电压源型整流器直流侧电压的无纹波控制， 则必须对求得的 正负序电流参考值进行无静差跟踪控制。目前不平衡控制策略中一般采用 PI、 PR 或者一些 非线性控制器的电流内环， 但是存在以下问题 ： 1） 需要通过滤波器或延时算法独立检测正、 负序电流， 存在稳态误差或者时间延迟 ； 2） 采用锁相环获取同步信号， 存在相移偏差和时间 说 明 书 CN 103036462 A 11 9/11 页 12 延迟 ； 3） PI 或者 PR 控制器的参数设计比较复杂， 很难实现较好的电流跟踪精度和响应速 度 ； 4） 非线性控制器参数依赖性大， 同时计算量大导致实时性差等。当电网电压发生暂态 不。
35、平衡时， 为了能使电压源型整流器能稳定可靠运行， 对控制系统的响应速度和精确跟踪 等性能要求更高， 因此电流内环控制应能够提供一个相对高的带宽， 保证对电流的快速精 确跟踪， 尽可能地减少瞬态跟踪时间。 模型预测控制由于具有很好的动态特性， 可以实现对 参考值的精确跟踪， 具有计算量小， 易于数字化实现等优点， 因此本发明提出了一种模型预 测控制方法， 并将其应用到电网电压不平衡控制中， 从而可以简化系统控制算法， 改善系统 的控制性能。 0118 常见的模型预测控制方式为建立一个系统离散化预测模型， 然后构造一个价值函 数， 在每一个采样周期内， 通过预测模型对每一个开关电压矢量进行评估， 。
36、使价值函数最小 对应的开关矢量在下一个采样周期被采用， 从而实现最优跟踪控制。 0119 在一个采样周期 Ts内， 根据式 (1) 可得电压源型整流器的离散化预测模型为 0120 0121 式中， L、 R 为进线电感及其电阻 ； Ts为采样周期。 0122 i(tk+1)、 i(tk+1) 是 tk+1时刻在两相 静止坐标系下的电流预测值 ； 0123 i(tk)、 i(tk) 是 tk时刻在两相 静止坐标系下的实际电流采样值 ； 0124 e(tk)、 e(tk) 是 tk时刻在两相 静止坐标系下的实际电网电压采样值 ； 0125 u(tk)、 u(tk) 是第 k 个采样周期内应用的开关。
37、状态所对应的交流端电压在两相 静止坐标系下的 分量， 其值可以由下式求得 ： 0126 0127 式中， Sa、 Sb、 Sc为电压源型整流器三个上桥臂的开关状态 （共有 8 种开关状态） ； 0128 Udc(tk) 是 tk时刻的直流侧电压。 0129 在实际控制系统中， 通常会存在计算时间和控制延时的影响， 为了提高模型预测 控制器的性能， 须进行延时补偿。假定被选择的开关状态在第 k+1 个采样周期应用， 必须去 预测 tk+2采样时刻的电流。因此需要将式 (18) 向前推算一步， 可以得到如下预测模型 0130 0131 式中， i(tk+2)、 i(tk+2) 是 tk+2时刻在两。
38、相 静止坐标系下的电流预测值 ； 0132 e(tk+1)、 e(tk+1) 是 tk+1时 刻在两相 静止坐标系下的电网电压预 测 值， 由于采样频率远大于电网频率， 可认为电网电压在一个采样周期内保持不变， 即 e(tk+1) e(tk) ； 0133 u(tk+1)、 u(tk+1) 是第 k+1 个采样周期内预测的开关状态所对应的交流端电压在 说 明 书 CN 103036462 A 12 10/11 页 13 两相静止坐标系下的 分量， 其值可以根据 tk+1时刻的直流侧电压 Udc(tk+1) 及开关状态 Sa、 Sb和 Sc( 共 8 种开关状态 ) 通过式 (19) 求得。 0。
39、134 当 tk+2时刻的电流被预测后， 构造一个价值函数 g 去评估整流器各个电压矢量， 即 选择使价值函数最小的电流预测值所对应的开关状态在下一个采样周期被采用。如此循 环， 从而获得理想的输入电流。不同的控制标准将采用不同的价值函数 g， 常见方法采用电 流误差的绝对值之和作为价值函数， 其表达式为 ： 0135 g |i， ref(tk+2)-i(tk+2)|+|i， ref(tk+2)-i(tk+2)| （21） 0136 式中， i， ref(tk+2)、 i， ref(tk+2) 是 tk+2时刻在两相 静止坐标系下的电流参考 值， 其值可以由前几个时刻的参考电流值通过欧拉二阶递。
40、推法求得了， 即 0137 0138 式中， i， ref(tk+1)、 i,ref(tk+1) 为 tk+1时刻两相 静止坐标系下的电流参考值 值 ； 0139 i,ref(tk)、 i,ref(tk) 为 tk时刻两相 静止坐标系下的电流参考值 ； 0140 i,ref(tk-1)、 i,ref(tk-1) 为 tk-1时刻两相 静止坐标系下的电流参考值。 0141 根据以上的分析， 模型预测控制的实施可以用图 3 所示的算法流程图表示 ： 0142 （a）首先采集 tk时刻的三相电流 i(tk)、 三相电网电压 e(tk) 以及直流侧电压 Udc(tk) ； 0143 （b） 应用上一时。
41、刻计算的开关状态 S(tk)， 通过式 (18) 所示的预测模型去估算 tk+1 时刻的电流值 i(tk+1) ； 0144 （c） 分别使用 8 种开关状态 （Sa、 Sb和 Sc） ， 以及式 (19) 和式 (20) 所示的预测模型， 进一步计算出 tk+2时刻的 8 种电流预测值 i(tk+2) ； 0145 （d） 构造一个如式 (21) 所示的价值函数 g 并计算其 8 种结果 gj， 选择使价值函数 值最小的电流预测值所对应的开关状态S(tk+1)在下一时刻被采用， 如此循环进行电流的精 确跟踪控制。 0146 综上所述， 本发明所提出的控制方法的最佳实施方式可以系统地表示为图 。
42、4， 具体 包括以如下步骤 ： 0147 1) 采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压 ea、 eb、 ec和网侧三相输 入电流 ia、 ib、 ic， 分别经 abc- 坐标变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压 e、 e 和输入电流 i、 i； 0148 2) 将步骤 (1) 中的电网电压 e、 e通过图 2 所示的快速正负序分量分解法， 得到 在两相静止坐标系下的电网正序电压和负序电压 0149 3) 采用电压传感器检测直流侧电容电压 Udc， 使用数字陷波器滤除其二次谐波分 量， 再计算直流参考电压 Udc， ref与滤波后的 Udc的差值， 经过 PI 控制器的输出值与滤波后。
43、直 流电压 Udc的乘积作为直流侧输出的参考有功功率 Pav， ref， 此时参考无功功率设为 0。 0150 4)由步骤(3)中的两相静止坐标下的电网正序电压和负序电压以及 步骤 (2) 中得到的平均参考功率 Pav， ref和 Qav， ref， 通过式 (20)、 式 (21) 所示的参考电流计算 方法， 计算两相静止坐标系下的参考电流 i,ref、 i,ref； 0151 5) 由步骤 (1) 中的电网电压 e、 e和输入电流 i、 i， 步骤 (4) 中的电流参考值 说 明 书 CN 103036462 A 13 11/11 页 14 i， ref、 i,ref以及直流侧电压 Udc。
44、， 采用如图 3 所示的模型预测电流控制算法， 可以得到电压 源型整流器三个上桥臂的开关信号 Sa、 Sb和 Sc， 实现控制功率器件的开断。 0152 综上所述， 本发明的控制方法在电网电压不平衡情况下， 可保证对电流快速精确 跟踪的同时有效消除直流侧电压波动， 改善系统的电能质量， 同时可实现电压源型整流器 在暂态电网电压不平衡时的可靠并网运行。所提的控制系统算法简单， 仅需在两相静止坐 标系下实现， 无坐标旋转变换、 锁相环以及电流的正负序分解， 减少了控制系统的时间延迟 和稳态误差， 提高了整个系统的动态性、 稳定性和可靠性。 说 明 书 CN 103036462 A 14 1/2 页 15 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103036462 A 15 2/2 页 16 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103036462 A 16 。