[发明专利]一种非理想电网条件下多矢量快速模型预测控制方法

权利要求书

1.一种非理想电网条件下多矢量快速模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集网侧三相电压、网侧三相电流以及直流侧电容电压，利用Clarke变换分别将网侧三相电压、网侧三相电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下，从而得到两相静止坐标系下的电压与电流；

步骤2：基于瞬时功率理论定义网侧复功率矢量S；

步骤3：对网侧复功率矢量S求导；

步骤4：对以负共轭复功率矢量-S^*为控制变量进行求导；

步骤5：将负共轭复功率矢量-S^*的变化率的公式离散化，并求得在一个采样周期结束后由电压矢量v造成的功率误差；

步骤6：计算由零电压矢量造成的误差矢量的相角与幅值；

步骤7：计算需要补偿的功率大小；

步骤8：分别计算各电压矢量下的作用时间，用于根据开关信号控制非理想电网条件下PWM整流器的运行；

步骤1中所述网侧三相电压为：

通过所述三相电压传感器采集A相电压e_a，B相电压e_b，C相电压e_c；

步骤1中所述网侧三相电流为：

通过所述三相电流传感器采集A相电流i_a，B相电流i_b，C相电流i_c；

步骤1中所述直流侧电容电压为：

通过所述直流电压传感器采集所述直流侧电容电压U_dc；

利用Clarke变换分别将网侧三相电压的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，e_α为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，e_β为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值；

利用Clarke变换分别将网侧三相电流的abc坐标系转换到αβ坐标系下为：

其中，i_α是三相电网电流对应到α轴上的电网电流值，i_β是三相电网电流对应到β轴上的电网电流值；

网侧三相电压矢量e可表示为：

e＝e_α+je_β

网侧三相电流矢量i可表示为：

i＝i_α+ji_β

此外，网侧三相电压矢量的幅值与相角分别为：

其中，E是网侧三相电压矢量的幅值，θ₁是网侧三相电压矢量的相角；

步骤2中所述网侧复功率矢量为：

其中，i^*为网侧三相电流矢量i的共轭，e为网侧三相电压矢量，S为网侧复功率矢量；

步骤3中所述对网侧复功率矢量S求导为：

其中，e'表示网侧三相电压矢量e延时1/4个电网周期后得到的电压矢量，R是网侧滤波器的寄生电阻值，L是网侧滤波器的电感值，ω是电网角频率，v为整流器输出电压矢量；

步骤3中所述的整流器输出电压矢量共有8个电压矢量，其中六个非零电压矢量为：

V₁＝(1,0,0),V₂＝(1,1,0),V₃＝(0,1,0),V₄＝(0,1,1),V₅＝(0,0,1),V₆＝(1,0,1)；

步骤3中两个零电压矢量为

V₀＝(0,0,0),V₇＝(1,1,1)；

步骤4中所述对以负共轭复功率矢量-S^*为控制变量进行求导为：

其中，e^*表示网侧三相电压矢量e的共轭，(e')^*表示延时1/4个电网周期后电压矢量e'的共轭；

步骤5中所述一个采样周期结束后由电压矢量v造成的功率误差为：

其中，-S^*ref表示负共轭复功率矢量-S^*的参考值，表示在(k+1)T_s时刻结束后由非零电压矢量v(v＝1,…,6)造成的功率误差，表示在在(k+1)T_s时刻结束后由零电压矢量v(v＝0,7)造成的功率误差，表示在(k+1)T_s时刻预测的负共轭复功率的大小，表示在(k+1)T_s时刻零矢量作用时负共轭复功率的大小，T_s表示控制周期的大小；

步骤5中所述在(k+1)T_s时刻零矢量作用时负共轭复功率的大小为

其中，(-S^*)^k表示负共轭复功率矢量-S^*的在kT_s时刻的采样值，i^k是i在kT_s时刻的采样值，e'^k是e'在kT_s时刻的采样值，-S^*ref表示负共轭复功率矢量-S^*的参考值，(S^*)^k表示共轭复功率矢量S^*的在kT_s时刻的采样值，R是网侧滤波器的寄生电阻值，L是网侧滤波器的电感值，ω是电网角频率；

步骤6中所述计算由零电压矢量造成的误差矢量的相角与幅值为：

获取整流器输出电压矢量的所在扇区，根据步骤5所得的零电压矢量v(v＝0,7)造成误差的表达式，其实部与虚部为

其中，s₁与s₂分别表示由零电压矢量造成的功率误差矢量的实部与虚部，P^ref与Q^ref分别为有功功率与无功功率的参考值，P^k与Q^k分别为有功功率与无功功率在kT_s时刻的大小，是i_α在kT_s时刻的采样值，是i_β在kT_s时刻的采样值，是e'_α在kT_s时刻的采样值，是e'_β在kT_s时刻的采样值；

其中，e'_α与e'_β分别为e_α与e_β分别延时1/4个电网周期后所得到的电压矢量，具体表达式为：

e'_α＝e_α(t-T/4)

e'_β＝e_β(t-T/4)

其中，t是当前时间，T是电网的周期，e'_α为延时后α轴上的电网电压值，e'_β为延时后β轴上的电网电压值；

步骤6所述的扇区在每个周期内共有6个扇区，如果0≤θpi/3，则电压矢量处于第一扇区；如果pi/3≤θ2*pi/3，则电压矢量处于第二扇区；如果2*pi/3≤θpi，则电压矢量处于第三扇区；如果pi≤θ4*pi/3，则电压矢量处于第四扇区；如果4*pi/3≤θ5*pi/3，则电压矢量处于第五扇区；如果5*pi/3≤θ2*pi，则电压矢量处于第六扇区；

其中，θ₂表示由零电压矢量造成的误差矢量的相角，|b|表示由零电压矢量造成的误差矢量的幅值，s₁与s₂分别表示由零电压矢量造成的功率误差矢量的实部与虚部；

步骤7中所述计算需要补偿的功率大小为：

以消除网侧电流谐波、消除有功功率脉动并且保持平均单位功率因数为目标，可得静止坐标系下的电流参考值为

其中，表示矢量的叉积，i^ref表示电网侧电流参考值的大小，P^ref为有功功率参考值，e为网侧三相电压矢量，e'表示网侧三相电压矢量e延时1/4电网周期后得到的电压矢量；

在非理想电网条件下，新的复功率大小可以计算为：

其中，i^ref*表示电网侧电流参考值的共轭，e表示网侧三相电压矢量，表示以消除网侧电流谐波、消除有功功率脉动并且保持平均单位功率因数为目标的新的复功率大小；

因此，需要补偿的功率大小为：

其中，表示矢量的叉积，S^comp表示需要补偿的复功率大小，e为网侧三相电压矢量，e'表示网侧三相电压矢量e延时1/4电网周期后得到的电压矢量，P^ref为有功功率参考值；

将补偿的复功率S^comp展开成有功分量与无功分量的形式为：

其中，P^comp与Q^comp分别表示以消除网侧电流谐波、消除有功功率脉动并且保持平均单位功率因数为目标需要补偿的有功分量与无功分量大小，P^ref为有功功率参考值，e_α为三相电网电压对应到α轴上的电网电压值，e_β为三相电网电压对应到β轴上的电网电压值，e'_α与e'_β分别为e_α与e_β分别延时1/4个电网周期后所得到的电压矢量；

步骤8中所述分别计算各电压矢量下的作用时间为：

利用每个扇区中两个相邻非零电压矢量与一个零电压矢量消除网侧电流谐波与有功功率脉动，则根据正弦定理可得：

其中，下标i表示扇区，如果期望误差矢量b在第一扇区，则所使用的非零电压矢量为V₁与V₂；如果期望误差矢量b在第二扇区，则所使用的非零电压矢量为V₂与V₃；以此类推，当期望误差矢量b在第六扇区时，则所使用的非零电压矢量为V₆与V₁；此外，θ为期望电压矢量与非零电压矢量的夹角，其大小为网侧电压矢量的相角与由零电压矢量造成的误差矢量b的相角之和，即为θ＝θ₁+θ₂，其中θ₁表示网侧电压矢量的相角，θ₂表示由零电压矢量造成的误差矢量的相角，|b|表示由零电压矢量造成的误差矢量的幅值；

根据整流器交流侧输出电压矢量v与直流侧电容电压的关系

其中，下标i表示扇区，v_i表示整流器第i个扇区输出的电压矢量，U_dc表示直流侧电容电压的大小，j表示虚数单位；

则可知两个非零电压矢量的作用时间为

其中，t₁表示第一非零电压矢量的作用时间，t₂表示第二非零电压矢量的作用时间；

假如t₁+t₂T_s，则

此外，求得第一非零电压矢量与第二非零电压矢量的作用时间之后，则零电压矢量的作用时间t₀为

t₀＝T_s-t₁-t₂

确定电压矢量v₁,v₂,v₀和t₁,t₂,t₀后，利用开关信号控制非理想电网条件下PWM整流器的运行。