[发明专利]适用于直流微电网的单相级联整流器的MPC控制方法

说明书

本发明公开了一种适用于直流微电网的单相级联整流器的新型MPC控制方法，该级联整流器主电路前级为单相PWM整流器，后级为Buck电路，其控制方法采用模型预测控制的思想，根据电路开关周期数学模型预测关键电路参数，舍弃代价函数的计算，根据控制目标，直接计算开关管占空比，结合PWM实现开关管定频控制；本发明采用双级电路结构，突破了单级电路限制，解决了单相整流电路在负载突变时暂态与稳态调控的矛盾，并且消除了单相PWM整流器出口电压的二倍基频波动。同时采用新型模型预测控制方法，简化了算法计算量，降低了电路控制芯片的计算成本。该发明电路结构简单，控制算法简便，使得电路在发生负载突变时，出口电压能快速恢复，显著提升整流器出口电压质量。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于直流微电网的单相级联整流器的新型MPC(Model Predictive Control,MPC)控制方法。

背景技术

近年来，随着“微电网”概念的提出和光伏发电，风力发电等清洁能源发电技术的发展，直流微电网得到大力发展。目前国内外对直流微电网的研究重点主要集中在系统的电压控制、保护和分布式电源管理等方面，对微电网电能质量问题的研究较少。随着工业技术的发展，电能质量的要求变得越来越高。为了给用户提供高质量的直流电能以及发展直流供电技术、推广实际工程，研究直流变流电路及其控制技术意义重大。

模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)是产生于20世纪70年代后期的一种计算机控制算法，它的概念直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计，对克服工业控制过程中的非线性及不确定性等问题有非常好的效果。随着微处理器的发展和应用，模型预测控制逐渐地被应用到电力电子系统中，其中离散状态的有限控制集模型预测控制(Finite Control Set-MPC,FCS-MPC)直接利用了变换器的离散特性和开关状态有限的特性，这些显著的优点让其成为电力电子系统模型预测控制研究的热点。

单相PWM整流器是直流微电网中最为基本且常见的变流器，目前单相PWM整流器常用的MPC控制策略主要分为交流侧电流控制和直接功率控制两种，前者控制交流侧电流信号，保证其幅值及正弦度，例如瞬态电流控制、电压定向控制；而后者控制交流功率，通过功率保持稳定保证直流侧电压稳定。大部分涉及交流侧电流控制的MPC策略都需要构造虚拟正交向量或对电流进行dq轴解耦、坐标变换等复杂操作以计算交流侧有功功率和无功功率。这些MPC控制策略控制结构复杂，算法计算量大，又涉及到代价函数的选取设计，电路控制效果往往与代价函数直接相关。

发明内容

针对上述现有控制方法存在的问题，本发明提供一种适用于直流微电网的单相级联整流器的新型MPC控制方法，该控制算法简化了控制结构和计算量，优化了动态过程，设计的级联整流器通过此控制算法能快速实现负载投切时的动态电压恢复，并消除直流出口电压二倍基频波动。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于MPC的单相级联整流器，由单相PWM整流器后增加一级Buck电路构成，用以突破单级电路限制，在负载突变时能加快动态恢复过程，以及消除整流器直流出口电压的二倍基频波动。

本发明还提供了根据电路模型和控制目标设计的基于MPC的单相级联整流器的控制方法，包括以下步骤：

(1)对单相级联整流器中的输入电压u_s(k)，输入电流i_s(k)，中间级电容电压u₂(k)，后级电感电流i_L2(k)，输出电压u_dc(k)，输出电流i_dc(k)进行实时采样,其中，k表示采样时刻。

(2)实时计算电路负载R₀、级联整流器后级Buck电路开关管的占空比n₂和单相PWM整流器的开关管PWM调制占空比n_ab：