[发明专利]优化电压矢量的维也纳整流器的模型预测控制方法及系统

说明书

本公开提出了优化电压矢量的维也纳整流器的模型预测方法及系统，包括：对当前时刻的维也纳整流器进行采样，得到当前时刻的维也纳整流器的三相输入电流和电压以及电网电压；将当前时刻的维也纳整流器的三相输入电流和电压以及电网电压输入维也纳整流器的数学模型，得到下一时刻参考预测输入电压；基于有限集模型分析所有不同种类候选空间电压矢量对中点平衡的影响，构建不含权重因子的价值函数，得到价值函数的最小值；进行中点浮动判断，根据价值函数的最小值，计算出候选矢量最佳的作用时间，进行占空比计算，以此控制整流器开关管的动作。

技术领域

本公开涉及开关变换器技术领域，特别是涉及优化电压矢量的维也纳整流器的模型预测方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

为了解决传统燃油汽车消耗化石能源，以电作为清洁能源的电动汽车进入人们的视野，而维也纳整流器作为AC/DC变换器，也已经被运用在电动汽车充电桩中。

在高压大功率场合，二极管箝位三电平整流器由于其耐压等级高、输出电压电平数多、交流电流谐波少、开关器件的电压应力低等优势得到了广泛应用。但与传统两电平整流器比较，三电平整流器包含开关器件多，调控复杂。所以，为了将三电平优质输出波形的特点，与两电平开关器件少的优点相结合，三电平维也纳整流器应运而生。维也纳整流器由于效率高、开关数量少，已被广泛应用于电动汽车充电系统和工业应用中，极具应用前景。

但是由于维也纳整流器每相含有两个二极管，这就必须要求输入电流和电压同相位，否则会产生严重的过零点畸变，并且这种畸变与直流侧中点平衡的控制存在耦合性。不恰当的调控会增大输入电流谐波，降低系统效率。增大电感虽然可以减少电流谐波，但是会增大体积，提高可视成本。除此之外，较大的开关损耗会减少系统寿命，不确定的开关频率会增加滤波器的设计难度。这些问题都影响着维也纳整流器安全、稳定、高效、可靠运行，大大增加系统损耗。

随着微处理器技术的发展，模型预测控制(model predictive control,MPC)能够实现多目标同步优化控制，且无需PWM模块或比例积分(PI)控制器。它是一种通过建立受控过程的在线模型来预测和优化控制策略，在价值函数中计算所需对象和预测对象之间的误差，并在每个采样周期中施加约束条件。基于MPC 的优点，可以实现对维也纳整流器的多目标控制。然而，随着变换器电压水平的增加，MPC的计算量呈指数增长。例如，对于三相整流器，两电平中有8(2³) 个矢量，三电平中有27(3³)个矢量。此外，在进行多目标MPC时，通常在价值函数中引入权重因子。权重因子不仅增加了MPC的计算负担，而且其选择和调试的过程通常是一项繁琐的任务。为了提高计算效率，现有技术提出了基于简化模拟退火的MPC方法，该方法对权重因子进行了在线优化，而不是去除权重因子。然而，剩余的权重因子依然增加了计算负担。因此，MPC需要克服的问题之一是在实现多目标优化控制的同时，减少计算量和消除权重因子，提高控制器响应速度。

近年来，有许多学者对维也纳整流器的多目标MPC控制策略进行了大量研究。如下：

(1)提出了一种改进型MPC来处理多个控制目标。然而，上述方法在一个采样时间内只选取一个空间矢量来跟踪参考电压，增大了电流谐波。

(2)提出了双矢量MPC方法来改善电流质量。不幸的是，由于维也纳整流器拓扑的特殊性，当电压和电流不在同一个方向时，会发生严重的电流过零点畸变。因此，传统的双矢量MPC方法不能直接移植到维也纳整流器。

(3)提出了一种不含加权因子的针对维也纳整流器拓扑的双矢量MPC方法。但电流谐波的减少很大程度受电感大小的影响，最重要的是，该方法无法固定在每个周期内的开关频率，也没有考虑减少开关损耗。