一种Vienna整流器的模型预测电流控制方法与流程

一种vienna整流器的模型预测电流控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子变流控制技术领域，涉及一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，尤其是基于超螺旋滑模控制器和龙伯格观测器的vienna整流器的模型预测电流控制方法。


背景技术：

2.目前，滑模变结构控制方法与模型预测控制方法在电力电子领域得到了广泛的关注和研究。滑模控制有着结构简单，鲁棒性强，收敛速度快等优点被广泛应用，将其用在vienna整流器的电压环可以保证整流电压的稳定；模型预测控制因其原理简单，响应快速，易于实现多目标优化等优点受到学界广泛关注，用在vienna整流器的电流环可以很快地跟踪上电压环输出的给定电流。现有方案中常用到滑模控制与模型预测控制这两种控制方案，但都只采用其中一种作为控制手段。传统滑模控制存在滑模面设计和趋近律构造复杂、抖振等问题，模型预测控制也存在着vienna整流器工作在风力、光伏发电等复杂工况下带来的鲁棒性问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，在外环基于超螺旋滑模电压控制与内环基于龙伯格观测器的预测电流控制级联结构中，融合预测模型控制与高阶滑模控制二者的优点，从而实现系统响应的鲁棒性与快速性。
4.本发明一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，设计外环基于超螺旋滑模电压控制器，内环基于龙伯格扰动观测器的模型预测电流控制器的级联控制结构，包括如下步骤：
5.步骤1、根据vienna整流器电压环模型设计超螺旋滑模控制器进行vienna整流器的电压环控制，将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋控制器中，获得有功功率参考值，无功功率参考值在超螺旋滑模电压控制器中进行给定；
6.步骤2、在d-q电流坐标系下，建立龙伯格观测器，将龙伯格观测器在线估计的扰动值补偿到模型预测电流控制器中，遍历寻优后得到最优电压矢量。
7.该超螺旋滑模电压控制器由如下步骤设计得到：
8.(1)建立vienna整流器电压环模型：
[0009][0010]
其中，v
dc
为直流侧电压，id和iq为网侧电流在d-q轴上的分量，i
dc
为负载电流、sd和sq为控制信号；
[0011]
(2)将电压环模型改写为：
[0012]
[0013]
其中，p＝edid+e
qiq
、ed和eq分别为网侧电压在d-q轴上的分量，d＝2v
dcidc
；
[0014]
(3)选择电压的偏差信号作为滑模面，从而将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋滑模控制器中：
[0015]
s0＝z
*-z (3)
[0016]
其中，v
dc*
为参考电压，
[0017]
(4)确定滑模面与电压环模型的相对阶：
[0018][0019]
根据相对阶的定义，此时滑模面与电压环模型的相对阶为1；
[0020]
(5)根据超螺旋滑模的特性，当滑模面与电压环模型的相对阶为1时，直接得出超螺旋滑模电压控制器输出有功功率参考值p
*
的表达式为：
[0021]
p
*
＝-λ0|s0|
0.5 sign(s0)
‑÷
w0sign(s0)dt
ꢀꢀ
(4)
[0022]
其中，λ0、w0分别为超螺旋滑模电压控制器中的可调参数。
[0023]
所述龙伯格观测器设计如下：
[0024]
(1)建立d-q电流坐标系下电流环数学模型：
[0025][0026]
其中，ed和eq分别为网侧电压在d-q轴上的分量，l为系统输入电感，r为等效电阻，ω为电网角频率，id和iq为网侧电流在d-q轴上的分量，ud和uq为电压矢量在d-q轴下的分量，fd和fq为系统扰动量在d-q轴下的分量；
[0027]
(2)电流方程的扰动量表示为：
[0028][0029]
其中，δr、δl分别为实际电阻值、电感值与标称值间的差值；
[0030]
(3)电流环数学模型的状态方程表示为：
[0031][0032]
其中x＝[i
d i
q f
d fq]
t
，y＝[i
d i
q i
d iq]
t
，u＝[e
d-e
q u
d-uq]
t
，
[0033][0034]
(4)根据电流环数学模型的状态方程得出龙伯格观测器的表达式为：
[0035][0036]
其中，为状态变量估计值，通过调整l1，l2的值，可以使龙伯格观测器达到稳定，此时，观测值与实际值相等；
[0037]
所述模型预测电流控制器设计如下：
[0038]
(1)将给定功率转换成给定电流进行预测电压控制，转换公式表示为：
[0039][0040]
其中，和是电流参考值在d-q轴下的分量；p
*
是有功功率参考值，q
*
是无功功率参考值；
[0041]
(2)欧拉前向公式为：
[0042][0043]
其中，ts为系统控制周期，z(k)、z(k+1)为在k时刻与k+1时刻的系统状态；
[0044]
(3)根据欧拉前向公式建立vienna整流器离散的预测模型：
[0045][0046]
(4)建立包含电流和中电点位差的成本函数：
[0047][0048]
其中，γ为成本函数的权重系数,v
c1
(k+1)、v
c2
(k+1)分别为上下电容电压在k+1时刻的值；
[0049]
(5)以成本函数为评价标准，对所有开关状态进行遍历优化，选择最优开关状态，使系统输入电流尽可能准确地跟踪给定电流，从而在遍历寻优后得到最优电压矢量。
[0050]
由于vienna整流器控制结构是内外环级联的形式，内外环对控制器的要求并不相同，本发明在电压控制器的设计中，利用整流器电压模型构建超螺旋滑模电压控制器结构，在保持传统滑模控制鲁棒性的同时削弱了抖振；在d-q坐标系下的电流控制器的设计中，将龙伯格观测器融入模型预测控制结构，建立基于龙伯格观测器的预测电流控制结构，不仅保留了模型预测控制响应速度快的优点，同时避免了由于参数变化导致的模型精度问题。该外环基于超螺旋滑模电压控制与内环基于龙伯格观测器的预测电流控制级联结构，在结
构上，将模型预测控制与高阶滑模控制相结合，综合了两种控制方法的优点；在功能上，外环超螺旋滑模电压控制器，可以抑制干扰，具有良好的鲁棒性，能够很好地稳定母线电压；内环通常对控制器带宽的要求较高，故基于龙伯格观测器的预测电流控制器能快速跟踪外环给定，提高整个系统的响应速度，实现系统响应的鲁棒性与快速性。
附图说明
[0051]
图1是本发明中三相vienna整流器电路拓扑结构示意图；
[0052]
图2为本发明中超螺旋滑模控制结构图；
[0053]
图3为本发明的系统控制框图；
[0054]
图4为本发明与pi-mpc的电压阶跃响应仿真结果对比图；
[0055]
图5为本发明与pi-mpc的负载突变仿真结果对比图；
[0056]
图6为本发明系统稳态仿真结果。
具体实施方式
[0057]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0058]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0060]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0061]
图1为本发明的三相vienna整流器电路拓扑结构示意图，其中ea、eb、ec为三相输入电压；ia、ib、ic为电感电流；l1、l2、l3为升压电感，感值均为l；r1、r2、r3为等效电阻，阻值均为r；d1～d6为6个快速恢复二极管；c1、c2为直流侧滤波电容；u
c1
、u
c2
分别为两个电容上的电压；r
l
为负载电阻；v
dc
为直流侧电压；i
dc
为直流侧电流，s1、s2、s3为三组反向串联开关管。
[0062]
如图3所示，本发明一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，设计外环基于超螺旋滑模电压控制器，内环基于龙伯格扰动观测器的模型预测电流控制器的级联控制结构，包括如下步骤：
[0063]
步骤1、根据vienna整流器电压环模型设计超螺旋滑模控制器进行vienna整流器的电压环控制，将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋控制器中，获得有功功率参考值p
*
，无功功率参考值q
*
在超螺旋滑模电压控制器中进行给定，如图2所示，该超螺旋滑模电压控制器由如下步骤设计得到：
[0064]
(1)建立vienna整流器电压环模型：
[0065][0066]
其中，v
dc
为直流侧电压，id和iq为网侧电流在d-q轴上的分量，i
dc
为负载电流、sd和sq为控制信号；
[0067]
(2)将电压环模型改写为：
[0068][0069]
其中，p＝edid+e
qiq
、ed和eq分别为网侧电压在d-q轴上的分量，d＝2v
dcidc
；
[0070]
(3)选择电压的偏差信号作为滑模面，从而将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋滑模控制器中：
[0071]
s0＝z
*-z (3)
[0072]
其中，v
dc*
为参考电压，
[0073]
(4)确定滑模面与电压环模型的相对阶：
[0074][0075]
根据相对阶的定义，此时滑模面与电压环模型的相对阶为1；
[0076]
(5)根据超螺旋滑模的特性，当滑模面与电压环模型的相对阶为1时，直接得出超螺旋滑模电压控制器输出有功功率参考值p
*
的表达式为：
[0077]
p*＝-λ0|s0|
0.5 sign(s0)-∫w0sign(s0)dt (4)
[0078]
其中，λ0、w0分别为超螺旋滑模电压控制器中的可调参数；
[0079]
步骤2、在d-q电流坐标系下，建立龙伯格观测器，将龙伯格观测器在线估计的扰动值补偿到模型预测电流控制器中，遍历寻优后得到最优电压矢量；
[0080]
所述龙伯格观测器设计如下：
[0081]
(1)建立d-q电流坐标系下电流环数学模型：
[0082][0083]
其中，l为系统输入电感，r为等效电阻，ω为电网角频率，id和iq为网侧电流在d-q轴上的分量，ud和uq为电压矢量在d-q轴下的分量，fd和fq为系统扰动量在d-q轴下的分量；
[0084]
(2)电流方程的扰动量表示为：
[0085][0086]
其中，δr、δl分别为实际电阻值、电感值与标称值间的差值；
[0087]
(3)电流环数学模型的状态方程表示为：
[0088][0089]
其中x＝[i
d i
q f
d fq]
t
，y＝[i
d i
q i
d iq]
t
，u＝[e
d-e
q u
d-uq]
t
，
[0090][0091]
(4)根据电流环数学模型的状态方程得出龙伯格观测器的表达式为：
[0092][0093]
其中，为状态变量估计值，通过调整l1，l2的值，可以使龙伯格观测器达到稳定，此时，观测值与实际值相等；
[0094]
所述模型预测电流控制器设计如下：
[0095]
(1)将给定功率转换成给定电流进行预测电压控制，转换公式表示为：
[0096][0097]
其中，和是电流参考值在d-q轴下的分量；p
*
是有功功率参考值，q
*
是无功功率参考值；
[0098]
(2)欧拉前向公式为：
[0099][0100]
其中，ts为系统控制周期，z(k)、z(k+1)为在k时刻与k+1时刻的系统状态；
[0101]
(3)根据欧拉前向公式建立vienna整流器离散的预测模型：
[0102][0103]
(4)建立包含电流和中电点位差的成本函数：
[0104][0105]
其中，γ为成本函数的权重系数,v
c1
(k+1)、v
c2
(k+1)分别为上下电容电压在k+1时刻的值；
[0106]
(5)以成本函数为评价标准，对所有开关状态进行遍历优化，选择最优开关状态，使系统输入电流尽可能准确地跟踪给定电流，从而在遍历寻优后得到最优电压矢量。
[0107]
最后，通过仿真平台为验证本发明stsm-mpc在参考电压阶跃变化条件下的性能，设计给定电压从250v到300v再到280v。图4显示了仿真结果。与pi-mpc方法(65ms,9.28v)相
比，stsm-mpc具有更快的恢复时间(28ms)和更小的电压超调(0.12v)。相比之下，stsm-mpc方法在参考电压变化下的控制性能更好。
[0108]
为验证本发明stsm-mpc在负载阶跃变化下的性能，设计了一个仿真对比实验，其中负载电阻在0.3s时从100ω变化到150ω，然后在0.45s时恢复到100ω。仿真结果如图5所示，与pi-mpc方法(69ms，4.92v)相比，stsm-mpc具有更快的恢复时间(45ms)和更少的电压过冲(2.56v)。相比之下，stsm-mpc的控制性能更好。
[0109]
图6为本发明在稳态时的仿真结果，图中电压电流同相位运行，说明本发明能实现单位功率因数。
[0110]
vienna整流器控制结构是内外环级联的形式，本发明在电压控制器的设计中，利用整流器电压模型构建超螺旋滑模电压控制器结构，在保持传统滑模控制鲁棒性的同时削弱了抖振；在d-q坐标系下的电流控制器的设计中，将龙伯格观测器融入模型预测控制结构，建立基于龙伯格观测器的预测电流控制结构，不仅保留了模型预测控制响应速度快的优点，同时避免了由于参数变化导致的模型精度问题。该外环基于超螺旋滑模电压控制与内环基于龙伯格观测器的预测电流控制级联结构，在结构上，将模型预测控制与高阶滑模控制相结合，综合了两种控制方法的优点；在功能上，外环超螺旋滑模电压控制器，可以抑制干扰，具有良好的鲁棒性，能够很好地稳定母线电压；内环通常对控制器带宽的要求较高，故基于龙伯格观测器的预测电流控制器能快速跟踪外环给定，提高整个系统的响应速度，实现系统响应的鲁棒性与快速性。
[0111]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，其特征在于：设计外环基于超螺旋滑模电压控制器，内环基于龙伯格扰动观测器的模型预测电流控制器的级联控制结构，包括如下步骤：步骤1、根据vienna整流器电压环模型设计超螺旋滑模控制器进行vienna整流器的电压环控制，将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋控制器中，获得有功功率参考值，无功功率参考值在超螺旋滑模电压控制器中进行给定；步骤2、在d-q电流坐标系下，建立龙伯格观测器，将龙伯格观测器在线估计的扰动值补偿到模型预测电流控制器中，遍历寻优后得到最优电压矢量。2.根据权利要求1所述的一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，其特征在于：该超螺旋滑模电压控制器由如下步骤设计得到：(1)建立vienna整流器电压环模型：其中，v
dc
为直流侧电压，i
d
和i
q
为网侧电流在d-q轴上的分量，i
dc
为负载电流、s
d
和s
q
为控制信号；(2)将电压环模型改写为：其中，p＝e
d
i
d
+e
q
i
q
、e
d
和e
q
分别为网侧电压在d-q轴上的分量，d＝2v
dc
i
dc
；(3)选择电压的偏差信号作为滑模面，从而将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋滑模控制器中：s0＝z
*-z
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，v
dc*
为参考电压，(4)确定滑模面与电压环模型的相对阶：根据相对阶的定义，此时滑模面与电压环模型的相对阶为1；(5)根据超螺旋滑模的特性，当滑模面与电压环模型的相对阶为1时，直接得出超螺旋滑模电压控制器输出有功功率参考值p
*
的表达式为：p
*
＝-λ0|s0|
0.5
sign(s0)-∫w0sign(s0)dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，λ0、w0分别为超螺旋滑模电压控制器中的可调参数。3.根据权利要求1所述的一种vienna整流器的模型预测电流控制方法，其特征在于：所述龙伯格观测器设计如下：(1)建立d-q电流坐标系下电流环数学模型：
其中，e
d
和e
q
分别为网侧电压在d-q轴上的分量，l为系统输入电感，r为等效电阻，ω为电网角频率，i
d
和i
q
为网侧电流在d-q轴上的分量，u
d
和u
q
为电压矢量在d-q轴下的分量，f
d
和f
q
为系统扰动量在d-q轴下的分量；(2)电流方程的扰动量表示为：其中，δr、δl分别为实际电阻值、电感值与标称值间的差值；(3)电流环数学模型的状态方程表示为：其中x＝[i
d i
q f
d f
q
]
t
，y＝[i
d i
q i
d i
q
]
t
，u＝[e
d-e
q u
d-u
q
]
t
，(4)根据电流环数学模型的状态方程得出龙伯格观测器的表达式为：其中，为状态变量估计值，通过调整l1，l2的值，可以使龙伯格观测器达到稳定，此时，观测值与实际值相等；所述模型预测电流控制器设计如下：(1)将给定功率转换成给定电流进行预测电压控制，转换公式表示为：其中，和是电流参考值在d-q轴下的分量；p
*
是有功功率参考值，q
*
是无功功率参考值；(2)欧拉前向公式为：其中，t
s
为系统控制周期，z(k)、z(k+1)为在k时刻与k+1时刻的系统状态；(3)根据欧拉前向公式建立vienna整流器离散的预测模型：
(4)建立包含电流和中电点位差的成本函数：其中，γ为成本函数的权重系数,v
c1
(k+1)、v
c2
(k+1)分别为上下电容电压在k+1时刻的值；(5)以成本函数为评价标准，对所有开关状态进行遍历优化，选择最优开关状态，使系统输入电流尽可能准确地跟踪给定电流，从而在遍历寻优后得到最优电压矢量。

技术总结
本发明一种Vienna整流器的模型预测电流控制方法，设计外环基于超螺旋滑模电压控制器，内环基于龙伯格扰动观测器的模型预测电流控制器的级联控制结构，根据Vienna整流器电压环模型设计超螺旋滑模控制器进行Vienna整流器的电压环控制，将参考母线电压平方项与实际母线电压平方项的误差信号送入超螺旋控制器中，获得有功功率参考值，无功功率参考值在超螺旋滑模电压控制器中进行给定；在d-q电流坐标系下，建立龙伯格观测器，将龙伯格观测器在线估计的扰动值补偿到模型预测电流控制器中，遍历寻优后得到最优电压矢量。本发明将模型预测控制与高阶滑模控制相结合，综合两种控制方法的优点；可以抑制干扰，具有良好的鲁棒性，提高整个系统的响应速度。高整个系统的响应速度。高整个系统的响应速度。


技术研发人员：于新红 陈军希 汪凤翔 杨奥 黄东晓 柯栋梁
受保护的技术使用者：泉州装备制造研究所
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/31