[发明专利]一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法，其特征在于:功率缓冲变换器包括三相电源v_s、交流侧等效线路电阻R_s、交流侧电感L_s、三相整流桥、直流侧电容C_dc、DC/DC变换器、储能元件、恒功率负载和电机类负载；三相整流桥中包括6个IGBT管Q₁～Q₆，其中Q₁和Q₄存在着互补关系、Q₂和Q₅存在着互补关系、Q₃和Q₆存在着互补关系；DC/DC变换器中包括功率管T₁、T₂和电感L₁，当处于BOOST模式时，功率管T₁常闭，功率管T₂处于被控状态；当处于BUCK模式时功率管T₂常闭，功率管T₁处于被控状态；

功率缓冲变换器的控制方法采用有限集的模型预测控制，由于DC/DC变换器工作在不同状态下，系统的模型不同，将模型预测控制算法分为稳态模式、BUCK模式和BOOST模式三种模式:

稳态模式:维持正常电路工作时的模型预测控制模式，即交流侧电压为额定值，电机不处于电流回馈状态时，直流母线电压只需要通过对三相整流桥的控制就能够实现稳压；由于不需要DC/DC变换器进行工作，所以DC/DC变换器的功率管T₁和T₂的控制信号d₁和d₂均为0；在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为8种；

BUCK模式:当母线上的功率超出直流母线上负载的需求功率时的模型预测控制模式，即交流侧电压发生暂升或者电机发生电流回馈；此时需要储能模块对直流母线的功率进行吸收，该模式下的功率管T₂的控制信号d₂为恒定值0，而功率管T₁处于控制状态，在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为16种；

BOOST模式:当母线上的功率低于直流母线上负载的需求功率时的模型预测控制模式，交流侧电压发生骤降时，此时需要储能模块补偿直流母线上的功率缺失，该模式下功率管T₁的控制信号d₁为恒定值0，而功率管T₂处于可控状态；在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为16种；

功率缓冲变换器的控制步骤如下:

步骤1.将测量得到的直流母线电压V_dc与额定参考电压V_{dc_ref}做差值；

步骤2.将步骤1得到的差值经过PI环节后，与参考电压V_{dc_ref}做乘积得到参考有功功率P_{in_ref}；

步骤3.将测量的到的交流侧电压电流、直流母线电压V_dc、电池电压V_bat、电池电流i_bat、电机电流i_motor，交流侧直轴电压V_d信号接入到模型预测控制模块；

步骤4.将步骤3所得的V_d和i_motor信号经过分析后，判断是否交流侧电压发生扰动或者电机发生能量回馈，而后选择合适的模型预测控制的模式，模式分为稳态模式、BUCK模式和BOOST模式；

模型预测控制的程序，其中I_k1和I_k2为第一次预测和第二次预测的交流侧电流矢量，其预测公式如公式(2)所示

其中I(k+1)与I_k1等同，I_k2可以通过将I(k+1)带入公式(2)中的I(k)得到，R_s为交流侧线路电阻阻值，T_s为采样周期，L_s为交流侧电感值，Vs(k)为第k次交流侧电压矢量，V(i)为第i个开关对应的电压矢量；其中V(i)与V_i等同；

i_bat1和i_bat2是(k+1)次和(k+2)次的电池电流，其计算方式根据BUCK模式和BOOST模式的不同而不同，具体如公式(3)；(k+2)次的电池电流值带入方式与步骤4所提到的电流矢量计算方式一致；

其中L₁为DC/DC变换器的电感，D为相应开关管的开关函数，其值为0或1；

V_dc1和V_dc2根据BUCK模式和BOOST模式的不同而不同，具体如公式

C_dc为直流侧电容，P_load为恒功率负载值，i_dc为三相整流器的输出电流，计算公式如公式(5)

i_dc＝i_aS_a+i_bS_b+i_cS_c (5)

输入有功功率P_in和输入无功功率Q_in求取如公式(6)所示

代价函数J_s获取如公式(7)所示

；

步骤5.将步骤3中的信号经过模型的一次预测得到k+1次交流侧电流矢量I_k1、直流母线电压V_dc1和电池电流i_bat1；

步骤6.将该模式下的开关组合依次带入模型，得到二次预测k+2次流侧电流矢量I_k2、直流母线电压V_dc2和电池电流i_bat2，并预测k+2次有功功率P_in；

步骤7.将步骤6所得的结果依次带入代价函数；

步骤8.将步骤7各个开关组合所得的代价函数进行对比，将代价函数值最小的开关组合输出；

步骤9.将步骤8所求的开关组合传输给三相整流器和DC/DC变换器。