一种新型整流器预测直接功率控制方法与流程

1.本发明涉及特种车辆或其他类似领域的整流器控制技术领域；具体是指一种新型的基于电流观测器的整流器预测直接功率控制方法。


背景技术：

2.随着我国对特种装备的机动性、轻型化等方面提出更高需求，加强特种装备全电化技术研究与应用具有更加重要的现实意义。其中大功率交流传动技术是特种装备全电化的核心，与传统机械传动相比，交流传动具有显著的技术优势，比如：结构更简单、调速范围更宽，动态响应更快、传动效率更高。与此同时，功率器件的高功率密度小型化和集成一体化、电机控制器的多核化和微型化、控制理论技术的不断发展推动交流传动技术的快速发展，为交流传动技术在特种装备上的应用奠定了物质基础。
3.以特种车辆电驱动系统来说，采用大功率交流传动技术的功率器件，三相电压源脉宽调制(pwm)整流器已装车应用。其中整流器控制技术也已经在电动汽车、双向变换、供电及输变电等领域广泛应用。在所述的功率器件的控制方法方面，目前主要包括有电压定向控制法、直接功率控制法和预测功率控制法这几种。其中电压定向控制法，具有良好的稳态性能和固定的开关频率等优点，但为了防止超调并降低对噪声的敏感性，使得其难以实现快速动态响应。直接功率控制法则具有功率响应快、实现简单、对参数变化具有良好的鲁棒性等优点，但会受到功率纹波、高采样频率和可变开关频率的限制。预测功率控制法因其快速的动态响应、较好的稳态性能以及处理状态约束的简单性而受到广泛关注，但由于需要基于模型的控制方案，则需要更为精确的控制参数来实现。
4.考虑到上述三种常规方法各有利弊，有人在上述三种方法的基础上提出了预测直接功率控制法，预测直接功率控制法结合了预测控制法和直接功率控制法各自的优点，包括响应速度快，恒定的开关频率等。在预测控制部分，利用系统模型预测电流及功率值，并通过最小化成本函数选择一种最优的开关状态；直接功率控制则是电力系统中一种广泛应用的控制技术；外环主要用于补偿直流侧电压误差，内环主要跟踪瞬时有功功率及无功功率。在现有的技术中，预测直接功率控制法已应用于电力系统的控制中，但此种控制方法并没有很好地提高系统的抗干扰性能，和系统参数失配的条件下的稳定性。
5.为满足轻型特种装备车辆的机动性、轻型化、多能化、静默行驶等方面提出的更高要求，进一步扩充和完善地面装备系列，补齐原来装备体系的短板，推进装备小型化、通用化、多能化、一体化发展，现在各相关单位启动了特种车辆多电机一体化集成控制器的研制。研制过程中发现：现有的预测直接功率控制法在系统参数失配或模型不确定时，无法稳定运行，控制精度会受到影响，而目前针对这一问题，仍缺少有效的解决方案。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，提供一种即使在系统参数失配、模型不确定等情况下，也可以提供准确的预测，且设计精简，实际控制效果更好的基于电流观测器的新型整流
器预测直接功率控制方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种新型整流器预测直接功率控制方法，它包括如下步骤，
8.第一步，在两相静止坐标系下，整流器预测直接功率控制系统采用相电压源脉宽调制整流器，将网侧电压矢量、网侧电流矢量、以及电压矢量用复数矢量进行数学转换；
9.第二步，在系统匹配的两相静止坐标系中，将网侧滤波器的电阻值及电感值作为标量，建立系统对应的数学模型方程；
10.第三步，在不平衡电网电压情况下，控制系统将不对称电压及不对称电流设定为一个正序旋转的向量和一个负序旋转的向量之和，分别得出不对称电压与不对称电流的数学表达式；
11.第四步，根据第三步中的表达式，转换得出网侧复功率的数学表达式；
12.第五步，结合系统参数不匹配带来的影响，引入网侧电感估测值，并定义为电感标量值减去估测误差；
13.第六步，结合第二步中的方程将控制系统矢量公式进行转化，并引入电流观测器实时补偿由于系统参数变化所带来的扰动，最后得出最终校正后的整流器预测直接功率控制方程；
14.第七步，将上一步中所述的直接功率控制方程导入特种车辆电驱动系统中，实现对整流器的控制。
15.作为优选，第一步中的具体转换方法为：在两相静止αβ坐标系下，系统采用相电压源脉宽调制整流器的网侧电压矢量ug、网侧电流矢量ig以及电压矢量ur可以用复数矢量表示为：
[0016][0017]
第二步中的数学建模方法为：根据系统匹配两相静止αβ坐标系中，网侧滤波器的电阻值rg及电感值lg作为标量，系统数学模型方程为：
[0018][0019]
第三步中不对称电压与不对称电流的具体数学表达式为：
[0020][0021]
第四步中，网侧复功率s计算公式为：
[0022][0023]
第五步中，考虑到在实际运行过程中，网侧电感会受到系统饱和、环境温度等因素
影响而发生改变，在系统设计时参数不匹配，将会导致实际功率偏离目标设计值故导致功率的控制精度受到严重影响；因此将整流器中使用的估测的电感值方程设定如下：
[0024][0025]
式中，δl是估测电感的误差；为电感估测值；
[0026]
第六步中的具体公式推演方法为：结合公式(2)推导出控制系统的矢量公式如下所示：
[0027][0028]
上标k表示第k时刻的变量，当电感与电阻发生变化时式(6)将被改写成如下形式：
[0029][0030]
式子中表示变化后的电感数值，是被设计出来的补偿值；
[0031]
因为是电感的估测值属于变化量，无法通过公式直接计算得到，此时需要通过预测直接功率控制的电流观测器得到具体操作为：以为初始值，通过与估计值叠加最终通过pi控制器得到其中网侧电感及电阻值都会由于系统饱和及环境温度等随着时间推移而改变，系统的参数不匹配问题将导致实际功率偏离参考值；变化后的电感数值与估计值之间的关系可对照公式7表述如下：
[0032][0033]
将式(8)减去式(7)，得到如下公式：
[0034][0035]
结合上述公式，通过推导得出经过电流观测器最终校正后的控制方程如下：
[0036][0037]
上述公式中为经过电流观测器修正后sk的值，为电网侧电压的正交分量，sref
为功率参考值，ts为采样时间，ωg为电网角频率；在实际的带负载的状态下，通过电流观测器获取值后经公式计算后得到功率计算值，以解决预测直接功率控制精度问题。
[0038]
采用上述方法后，本发明具有如下有益效果：创造性的引入了电流观测器，在电流观测器中，首先通过预测控制方法估测出由于系统参数失配造成的系统扰动，然后补偿系统扰动，最后通过电流预测计算得到下一采样时刻的预测电流值。因此，与传统的预测直接功率控制策略相比，所提出的控制算法能在系统参数失配的条件下稳定运行；能够保障在系统电感及电阻值受环境影响发生变化的情况下，仍然稳定运行。通过重新设计的电流观测器补偿的系统扰动，解决预测直接功率控制精度问题，可推广应用于4x4、6x6、8x8等特种车辆电驱动系统中，提高车辆电源质量。
[0039]
综上所述，本发明提供了一种即使在系统参数失配、模型不确定等情况下，也可以提供准确的预测，且设计精简，实际控制效果更好的基于电流观测器的新型整流器预测直接功率控制方法。
附图说明
[0040]
图1是本发明中涉及的电流观测器的控制框图。
[0041]
图2是本发明中预测功率控制系统的框图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0043]
结合附图1和附图2，本发明公开了一种新型整流器预测直接功率控制方法，它包括如下步骤。
[0044]
第一步，在两相静止坐标系下，整流器预测直接功率控制系统采用相电压源脉宽调制整流器，将网侧电压矢量、网侧电流矢量、以及电压矢量用复数矢量进行数学转换；
[0045]
第二步，在系统匹配的两相静止坐标系中，将网侧滤波器的电阻值及电感值作为标量，建立系统对应的数学模型方程；
[0046]
第三步，在不平衡电网电压情况下，控制系统将不对称电压及不对称电流设定为一个正序旋转的向量和一个负序旋转的向量之和，分别得出不对称电压与不对称电流的数学表达式；
[0047]
第四步，根据第三步中的表达式，转换得出网侧复功率的数学表达式；
[0048]
第五步，结合系统参数不匹配带来的影响，引入网侧电感估测值，并定义为电感标量值减去估测误差；
[0049]
第六步，结合第二步中的方程将控制系统矢量公式进行转化，并引入电流观测器实时补偿由于系统参数变化所带来的扰动，最后得出最终校正后的整流器预测直接功率控制方程；
[0050]
第七步，将上一步中所述的直接功率控制方程导入特种车辆电驱动系统中，实现对整流器的控制。
[0051]
本发明在具体实施时，首先在两相静止αβ坐标系下，系统采用相电压源脉宽调制整流器的网侧电压矢量ug、网侧电流矢量ig以及电压矢量ur可以用复数矢量表示为：
[0052][0053]
同时，根据系统匹配两相静止αβ坐标系中，网侧滤波器的电阻值rg及电感值lg作为标量，系统数学模型方程为：
[0054][0055]
在不平衡电网电压情况下，不对称电压及不对称电流可以看作一个正序旋转的向量和一个负序旋转的向量之和，因而得到相应方程如下：
[0056][0057]
网侧复功率s可计算为
[0058][0059]
在实际运行过程中，网侧电感会受到系统饱和、环境温度等因素影响而发生改变。在系统设计时参数不匹配，将会导致实际功率偏离目标设计值故导致功率的控制精度受到严重影响。
[0060]
考虑到系统参数不匹配带来的影响，影响，整流器中使用的估测的电感值方程如下：
[0061][0062]
式中，δl是估测电感的误差。为电感估测值。
[0063]
由式(2)可知，系统的矢量公式如下所示：
[0064][0065]
上标k表示第k时刻的变量，当电感与电阻发生变化时式(6)将被改写成如下形式：
[0066][0067]
式子中表示变化后的电感数值，是要被设计出来的补偿值。
[0068]
因为是电感的估测值属于变化量，则无法通过公式直接计算得到，本文设计的预测直接功率控制的电流观测器控制框图如附图1所示。
[0069]
可以看出，是初始值，通过与估计值叠加最终通过pi控制器得到其中网侧电感及电阻值都会由于系统饱和及环境温度等随着时间推移而改变，系统的参数不匹配问题将导致实际功率偏离参考值。
[0070][0071]
将式(8)减去式(7)，得到如下公式：
[0072][0073]
通过电流观测器能够有效的实时补偿由于系统参数变化所带来的扰动，将会使得控制精度问题得到更好的解决。
[0074]
根据控制方程，本节通过推导能够得出经过电流观测器最终校正后的控制方程如下:
[0075][0076]
式子中为经过电流观测器修正后sk的值，为电网侧电压的正交分量，s
ref
为功率参考值，ts为采样时间，ωg为电网角频率。在实际的带负载的状态下，可通过电流观测器获取值后经公式计算后得到功率计算值，最终用于算法控制中。电流观测器控制参数滑动模态渐进稳定，且具有良好的动态品质。
[0077]
传统预测直接功率算法对于非平衡电网条件下，还需要在(k+1)时刻对sk、和s
ref
进行预测，以补偿延迟。不同之处在于，在传统方法中，根据估计的系统模型直接预测功率sk。当存在模型不匹配时，这将导致系统受影响。然而，在本文中，k时刻的功率是通过闭环控制算法获得的，即使在模型不确定的情况下，它也可以提供准确的预测。由于延迟补偿和干扰估计被集成在一起，因此与传统预测直接功率算法相比，复杂度没有实质性地增加，且具有更好的实际控制效果，具体预测功率控制系统框图可参照图2实施。
[0078]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的实施方法并不局限于此；比如：三相pwm整流器的数学模型可采用其它公开的同类建模方法来实现；电流观测器的设计方案也可采用其它公开的同类方法来实现。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。