[发明专利]一种基于扩展有功理论的三矢量预测优化的增强控制方法

权利要求书

1.一种基于扩展有功理论的三矢量预测优化的增强控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

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：根据网侧两相静止坐标系的电压与电流，基于扩展瞬时有功功率理论建立其新型有功功率与无功功率的数学模型，分别求导并进行离散化；

所述基于扩展瞬时有功理论的新型有功功率定义是电流信号与电压四分之一周期延迟信号叉积的相反数；

所述基于扩展瞬时有功功率理论的无功功率定义与传统瞬时功率理论所定义的无功功率保持一致；

步骤2中所述基于扩展瞬时有功功率理论建立其新型有功功率与无功功率的数学模型，其表达式为：

其中，i^*为网侧三相电流矢量i的共轭，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，P^new表示步骤2中所述基于扩展瞬时有功功率理论的新型有功功率，Q表示步骤2中所述基于扩展瞬时有功功率理论的无功功率，Im表示对矢量取虚部；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，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；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2中所述新型有功功率与无功功率求导分别为：

其中，e为网侧三相电压矢量，e^*为网侧三相电压矢量e的共轭，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，v为变换器输出电压矢量，v^*为变换器输出电压矢量v的共轭，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；

将新型有功功率与无功功率的导数离散化为：

其中，k_pi表示电压矢量为v_i(i＝0,1,2,…,7)时新型有功功率变化量大小，k_qi表示电压矢量为v_i(i＝0,1,2,…,7)时无功功率变化量大小，e^*k为网侧三相电压矢量e^k的共轭在kT_s时刻的大小，e'^k表示网侧三相电压矢量e^k延时1/4个电网周期后得到的电压矢量在kT_s时刻的大小，e^k为网侧三相电压矢量在kT_s时刻的大小，v_i^*k为变换器输出电压矢量v_i^k的共轭在kT_s时刻的大小，P^new,k表示基于扩展有功功率理论的新型有功功率在kT_s时刻的大小，Q^k表示基于扩展有功功率理论的无功功率在kT_s时刻的大小，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3：基于新型有功功率与无功功率的数学模型，分析不平衡电网条件下AC/DC变换器的平均功率与二倍频分量的构成；

步骤4：基于不平衡电网条件下变换器的功率分析，以消除有功功率二倍频波动及保证网侧电流正弦为控制目标，建立新型有功功率偏差与无功功率偏差平方和最小成本函数模型；

步骤5：利用所定义的新型有功功率偏差与无功功率偏差平方和最小成本函数模型，确定第一作用非零电压矢量、第二作用非零电压矢量以及零电压矢量；

步骤6：分别对所定义的新型有功功率偏差与无功功率偏差平方和最小成本函数模型求偏导，得到第一作用非零电压矢量、第二作用非零电压矢量以及零电压矢量的最优作用时间大小；

步骤7：利用空间矢量调制方法，发出开关信号抑制不平衡电网电压条件下AC/DC变换器的新型有功功率的二倍频分量并减小网侧电流谐波含量；

步骤1中所述网侧三相电压为：

通过三相电压传感器采集所述网侧三相电压；

A相电网电压为e_a,B相电网电压为e_b,C相电网电压为e_c；

通过三相电流传感器采集所述网侧三相电流；

步骤1中所述网侧三相电流为：

A相电网电流为i_a,B相电网电流为i_b,C相电网电流为i_c；

步骤1中所述直流侧电容电压为：

通过直流电压传感器采集所述直流侧电容电压；

所述直流侧电容电压为u_dc；

将所述的网侧三相电压、网侧三相电流以及直流侧电容电压传输至主控制器；

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为网侧三相电压对应到α轴上的电网电压值，e_β为网侧三相电压对应到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是网侧三相电流对应到α轴上的电网电流值，i_β是网侧三相电流对应到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3中分析不平衡电网条件下AC/DC变换器的平均功率与二倍频分量的构成具体为：

不平衡电网电压条件下新型有功功率与无功功率可以表达为：

新型瞬时有功功率的平均功率与二倍频分量为：

其中，e_dq⁺为正序旋转坐标系下电网电压的正序分量，i_dq⁺为正序旋转坐标系下电网电流的正序分量，e_dq^-为负序旋转坐标系下电网电压的负序分量，i_dq^-为负序旋转坐标系下电网电流的负序分量，为新型有功功率的直流分量，为新型有功功率的二倍频分量的余弦项系数，为新型有功功率的二倍频分量的正弦项系数；

则瞬时无功功率的平均功率与二倍频分量为：

其中，e_dq⁺为正序旋转坐标系下电网电压的正序分量，i_dq⁺为正序旋转坐标系下电网电流的正序分量，e_dq^-为负序旋转坐标系下电网电压的负序分量，i_dq^-为负序旋转坐标系下电网电流的负序分量，Q₀为无功功率的直流分量，Q_c2为无功功率的二倍频分量余弦项的系数，Q_s2为无功功率的二倍频分量正弦项的系数；

通过对比可知，与也即是说，在不平衡电网条件下，消除新型有功功率2倍频波动同时也会消除无功功率的2倍频波动；

步骤4中为了消除有功功率脉动并获得单位功率因数，保证电网电流正弦，其方程可描述为：

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，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；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，i'_α为延时后α轴上的电网电压值，i'_β为延时后β轴上的电网电压值；为新型有功功率的参考值；

解得其对应的参考电流的大小为：

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，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，为新型有功功率的参考值，为三相电网电流对应到α轴上电网电流的参考值，为三相电网电流对应到β轴上电网电流的参考值；

根据计算可得电流参考值，基于扩展瞬时有功功率理论消除有功功率脉动并获得单位功率因数，并保证电网电流正弦，则其功率补偿大小为：

其中，为新型有功功率的参考值，Q^ref为无功功率的参考值，P^comp为新型有功功率的补偿量大小，Q^comp为无功功率的补偿量大小；通过对比可知，在不平衡电网条件下基于扩展瞬时有功功率理论，以消除有功功率脉动、获得单位功率因数并保证电网电流正弦为控制目标，无需额外的功率补偿；

步骤4中所述建立新型有功功率偏差与无功功率偏差平方和最小成本函数模型具体为：

在每个控制周期内，两个相邻的非零电压矢量与一个零电压矢量被用来合成期望矢量，利用新型有功与无功功率的斜率大小，在每个控制周期结束后期新型有功功率与无功功率大小可以表示为：

其中，P^new(k+1)为新型有功功率在(k+1)T_s的大小，P^new(k)为新型有功功率在kT_s时刻的大小，k_p1为第一作用非零电压矢量对新型有功功率的变化量，k_p2为第二作用非零电压矢量对新型有功功率的变化量，k_p0为零矢量对新型有功功率的变化量；Q(k+1)为无功功率在(k+1)T_s时刻的大小，Q(k)为无功功率在kT_s时刻的大小，k_q1为第一作用非零电压矢量对无功功率的变化量，k_q2为第二作用非零电压矢量对无功功率的变化量，k_q0为零矢量对无功功率的变化量；t₁为第一作用非零电压矢量的作用时间大小，t₂为第二作用非零电压矢量的作用时间大小，t₀为零矢量的作用时间大小；

在每个控制周期结束后，新型有功功率与无功功率误差量分别为

其中，ΔP^new为新型有功功率的误差量大小，ΔQ为无功功率的误差量大小，为新型有功功率的参考值，Q^ref为无功功率的参考值；

因此，步骤4中建立新型有功功率偏差与无功功率偏差平方和成本函数为：

J(t₁,t₂)＝(ΔP^new)²+(ΔQ)²；

步骤5中确定第一作用非零电压矢量、第二作用非零电压矢量以及零矢量具体为：

首先，通过所定义的成本函数，遍历六个非零电压矢量确定成本函数的最小值记为J_r，并记录下对应的电压矢量V_r，即为第一作用非零电压矢量；

确定第二作用非零电压矢量时，考虑到V_t必定是与V_r相邻的两个非零电压矢量V_r-1和V_r+1，则分别计算V_r-1,V_r+1成本函数值J_r-1和J_r+1，如果非零电压矢量V_r-1对应的成本函数值J_r-1大于非零电压矢量V_r+1对应的成本函数值J_r+1，则V_t＝V_r+1,否则，V_t＝V_r-1；

其中，零矢量的选择是根据开关最小为基本原则，当确定的第二作用非零电压矢量为V₂，V₄与V₆时候，则最开始t₀/4与最后t₀/4的电压矢量为V₀，在t₀/4+t₁/2+t₂/2+t₀/2时刻零电压矢量为V₇；当确定的第二作用非零电压矢量为V₁，V₃与V₅时，则最开始t₀/4与最后t₀/4的电压矢量为V₀，在t₀/4+t₁/2+t₂/2+t₀/2时刻零电压矢量为V₀；

步骤5中确定的电压变量共有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5中两个零电压矢量为：

V₀＝(0,0,0),V₇＝(1,1,1)；

步骤6中所述第一作用非零电压矢量、第二作用非零电压矢量以及零电压矢量的最优作用时间大小为：

其中，

且有

Θ＝k_q0k_p2-k_q1k_p2-k_q2k_p0+k_q1k_p0-k_q0k_p1+k_q2k_p1

其中，k_p1为第一作用非零电压矢量对新型有功功率的变化量，k_p2为第二作用非零电压矢量第二作用非零电压矢量，k_p0为零矢量对新型有功功率的变化量；k_q1为第一作用非零电压矢量对无功功率的变化量，k_q2为第二作用非零电压矢量对无功功率的变化量，k_q0为零矢量对无功功率的变化量；t₁为第一作用非零电压矢量的作用时间大小，t₂为第二作用非零电压矢量的作用时间大小，t₀为零矢量的作用时间大小；为新型有功功率的参考值，Q^ref为无功功率的参考值，T_s表示控制周期；P^new(k)为新型有功功率kT_s时刻的大小，Q(k)为无功功率kT_s时刻的大小；

假如t₁+t₂T_s，则其修正公式为：

因此，零电压矢量的作用时间为：

t₀＝T_s-t₁-t₂；

步骤7中所述，确定第一作用非零电压矢量、第二作用非零电压矢量、零电压矢量的作用时间后，利用空间矢量调制方法，发出开关信号抑制不平衡电网电压条件下AC/DC变换器的新型有功功率的二倍频分量并减小网侧电流谐波含量。