[发明专利]一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种矩阵变换器，尤其涉及一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法，该方法同样适用于传统矩阵变换器，属于矩阵变换器控制技术领域。

背景技术

矩阵变换器(Matrix Converter，MC)是一种直接AC-AC功率变换器，具有正弦输入/输出、能量可双向流动、结构紧凑无需直流储能元件和可靠性高的优点，被认为是传统AC-AC变换器的一种具有发展前景的替代品。本发明研究的MC拓扑为间接式矩阵变换器(Indirect Matrix Converter，IMC)。典型的IMC应用结构如图1所示，主要包括电源、输入侧LC滤波器、变换器主电路、负载、反馈检测及控制电路。

相对于传统的AC-AC变换器，矩阵变换器的开关数量较多，而且输入和输出相互耦合，其调制和控制策略复杂得多。研究人员为此提出了多种方案。如Venturini算法、载波调制、空间矢量调制(SVM)、直接转矩控制等。其中，SVM是迄今为止在实际的矩阵变换器系统中应用最为广泛的一种方法。它在每个采样周期内，选择多个基本矢量合成期望的输入电流和输出电压矢量。它以较低的采样频率和开关频率，就能产生正弦的输入和输出波形，具有较大的实用价值。

随着数字处理器的快速发展，SVM受到了预测控制的挑战。预测控制的原理简单、易于理解、动态性能快，适用于不同种类的功率变换器。预测控制已被广泛应用于MC系统中，通过设计合适的指标函数，十分容易控制输入无功功率、提升效率、减小共模电压等。因而被认为是一种非常有发展前景的MC控制方法。

然而，MC目前常采用的预测控制存在如下两方面问题。一方面，MC的输入侧一般采用预测无功功率控制，而输出侧采用预测电流/转矩控制。为了保证良好输出性能的同时提高输入性能，已有控制策略需要在指标函数中设定输入无功功率偏差的权重。增大权重有助于提高输入性能，但可能降低输出性能。为获得较好的折中效果，需根据经验调整权重系数。而且，不同的工作条件下，最佳的权重系数不同，这增加了控制策略的实现难度。

另一方面，相对于SVM等已有调制算法，预测控制容易引起输入滤波器振荡，电源电流波形质量较差。无源阻尼控制和有源阻尼控制均可解决这一问题，其中有源阻尼不增加功率损耗和电源电流中的高次谐波，因此具有较大的应用价值。已有预测控制将经过高通滤波后的输入电压注入到输出电流dq分量的给定值中，有源阻尼控制的完全实现要求对输入侧和输出侧的控制变量同时进行修正。因此已有有源阻尼控制方法虽然能够在一定程度上能够抑制振荡，但并未完全实现有源阻尼，降低了抑制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法，对负载有功功率、无功功率和输入无功功率进行预测，并选择使预测值与它们的给定值之间的误差绝对值之和(即指标函数)最小的MC开关状态，从而获得较好的输入和输出电流性能；另外，对输入无功功率和负载有功功率的给定值同时进行修正，完全实现了有源阻尼，抑制了输入滤波器的振荡。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有有源阻尼功能的矩阵变换器预测控制方法，包括如下步骤：

步骤1，采集第k个周期矩阵变换器的输出电流i_o[k]和负载电压u_L[k]的值，根据i_o[k]和u_L[k]，预测出第k+2个周期内负载有功功率的平均值和负载无功功率的平均值

步骤2，采集第k个周期的电源电压u_s[k]和电源电流i_s[k]，以及矩阵变换器的输入电压u_i[k]的值，根据u_s[k]、i_s[k]和u_i[k]，预测出第k+2个周期内输入无功功率的平均值

步骤3，对负载有功功率和输入无功功率的给定值进行修正，产生修正后的给定值，利用修正后的给定值和无需修正的负载无功功率的给定值，以及步骤1和步骤2得到的平均值，计算指标函数，选择使指标函数的值最小的开关脉冲作用对矩阵变换器进行有源阻尼预测控制；所述指标函数g的计算公式为：

其中，λ_pL、λ_qL和λ_qi分别为权重系数，且取值均为1，分别为修正后负载有功功率和输入无功功率的给定值，为无需修正的负载无功功率给定值。