[发明专利]一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法

说明书

本发明公开了一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法，在低开关频率下，通过模型预测功率算法计算出有功功率和无功功率的功率预测值，进而计算使得评价函数最小的最优控制量在旋转坐标系下的分量，再通过伏秒平衡补偿算法求得经过伏秒补偿后的调制波，最后结合脉宽调制策略生成开关控制信号，完成单相脉冲整流器的控制。本发明提高了单相脉冲整流器模型预测功率控制算法的控制精度，无须反复计算评价函数，降低了算法的复杂度，提高了控制和采样频率，具有良好的动态和稳态性能；算法灵活度高，可采用不同的调制策略与控制算法配合，满足不同应用场合的需求。

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动领域中单相PWM变流器控制系统技术领域，具体为一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法。

背景技术

单相脉冲整流器具有能量可双向流动，网侧电压、电流保持单位功率因数，直流侧电压恒定等优点，故而被广泛应用于大功率铁路牵引传动系统、UPS电源等。目前，单相整流器控制算法主要包括间接电流控制，滞环电流控制，瞬态电流控制及dq轴电流解耦控制。

为了提高整流器的控制精度及动态性能，适用于三相整流器的直接功率控制算法以瞬时功率理论为基础，直接控制有功功率和无功功率，使脉冲整流器达到网侧单位功率因数、直流侧电压恒定等性能指标。传统的直接功率控制算法采用滞环开关表控制有功和无功功率，响应速度快，但其开关频率不固定、谐波分布广泛、不利于网侧滤波器设计，故而实际系统中很少采用该算法；对此，提出了基于模型预测的功率控制算法，传统模型预测功率控制算法通过反复计算和比较每一种开关状态对应的评价函数，选择合适的开关状态，进而生成整流器的门极控制信号；然而传统模型预测控制的开关频率不确定，谐波分布广泛，制约了其在实际工程中的应用。

为解决模型预测直接功率控制开关频率不固定的问题，有学者提出两矢量模型预测直接功率控制，通过最优化占空比方法实现定频控制，然而该算法仍然需要反复计算和比较不同开关状态下的评价函数大小，因此增加了算法的计算量，为克服模型预测控制计算量大的缺点，相关学者提出基于最优调制波的模型预测功率控制策略，结合脉冲宽度调制(PWM)，实现定频模型预测控制。虽然该算法能够实现固定开关频率的模型预测控制，然而在低开关频率下的模型预测控制仍然无法实现，控制精度将随着开关频率的降低迅速恶化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种低开关频率模型预测功率控制算法，该算法无须反复计算评价函数，利用模型预测思想，直接计算最优调制函数，通过伏秒平衡补偿算法对低开关频率引起的伏秒不平衡现象进行补偿，进而实现高精度的模型预测直接功率控制，同时降低了控制算法的复杂度。技术方案如下：

一种单相脉冲整流器低开关频率模型预测功率控制算法，包含以下步骤：

步骤1：通过式(1)估算有功功率和无功功率在下一占空比更新周期的瞬时值：

其中，T_s为开关周期，n表示半开关周期(T_s/2)的个数，ω为电网电压角频率，u_abd和u_abq分别表示整流器输入电压在d-q同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；u_m表示网侧电压幅值，L为网侧电感值；A₁和A₂为初始参数，由第n个半开关周期起始时刻有功功率P和无功功率Q的瞬时值决定，其表示为

其中，T_c表示控制周期，k表示最接近第n个半开关周期的控制周期数；

步骤2：定义评价函数J为：