一種具有有源阻尼功能的矩陣變換器預測控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種矩陣變換器，尤其涉及一種具有有源阻尼功能的矩陣變換器預測 控制方法，該方法同樣適用于傳統(tǒng)矩陣變換器，屬于矩陣變換器控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 矩陣變換器(Matrix Converter，MC)是一種直接AC-AC功率變換器，具有正弦輸 入/輸出、能量可雙向流動、結(jié)構(gòu)緊湊無需直流儲能元件和可靠性高的優(yōu)點，被認為是傳統(tǒng) AC-AC變換器的一種具有發(fā)展前景的替代品。本發(fā)明研究的MC拓撲為間接式矩陣變換器 (Indirect Matrix Converter，IMC)。典型的IMC應用結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電源、輸入 側(cè)LC濾波器、變換器主電路、負載、反饋檢測及控制電路。
[0003] 相對于傳統(tǒng)的AC-AC變換器，矩陣變換器的開關(guān)數(shù)量較多，而且輸入和輸出相互耦 合，其調(diào)制和控制策略復雜得多。研究人員為此提出了多種方案。如Venturini算法、載波調(diào) 制、空間矢量調(diào)制（SVM)、直接轉(zhuǎn)矩控制等。其中，SVM是迄今為止在實際的矩陣變換器系統(tǒng) 中應用最為廣泛的一種方法。它在每個采樣周期內(nèi)，選擇多個基本矢量合成期望的輸入電 流和輸出電壓矢量。它以較低的采樣頻率和開關(guān)頻率，就能產(chǎn)生正弦的輸入和輸出波形，具 有較大的實用價值。
[0004] 隨著數(shù)字處理器的快速發(fā)展，SVM受到了預測控制的挑戰(zhàn)。預測控制的原理簡單、 易于理解、動態(tài)性能快，適用于不同種類的功率變換器。預測控制已被廣泛應用于MC系統(tǒng) 中，通過設計合適的指標函數(shù)，十分容易控制輸入無功功率、提升效率、減小共模電壓等。因 而被認為是一種非常有發(fā)展前景的MC控制方法。
[0005] 然而，MC目前常采用的預測控制存在如下兩方面問題。一方面，MC的輸入側(cè)一般采 用預測無功功率控制，而輸出側(cè)采用預測電流/轉(zhuǎn)矩控制。為了保證良好輸出性能的同時提 高輸入性能，已有控制策略需要在指標函數(shù)中設定輸入無功功率偏差的權(quán)重。增大權(quán)重有 助于提高輸入性能，但可能降低輸出性能。為獲得較好的折中效果，需根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整權(quán)重系 數(shù)。而且，不同的工作條件下，最佳的權(quán)重系數(shù)不同，這增加了控制策略的實現(xiàn)難度。
[0006] 另一方面，相對于SVM等已有調(diào)制算法，預測控制容易引起輸入濾波器振蕩，電源 電流波形質(zhì)量較差。無源阻尼控制和有源阻尼控制均可解決這一問題，其中有源阻尼不增 加功率損耗和電源電流中的高次諧波，因此具有較大的應用價值。已有預測控制將經(jīng)過高 通濾波后的輸入電壓注入到輸出電流dq分量的給定值中，有源阻尼控制的完全實現(xiàn)要求對 輸入側(cè)和輸出側(cè)的控制變量同時進行修正。因此已有有源阻尼控制方法雖然能夠在一定程 度上能夠抑制振蕩，但并未完全實現(xiàn)有源阻尼，降低了抑制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種具有有源阻尼功能的矩陣變換器預測控 制方法，對負載有功功率、無功功率和輸入無功功率進行預測，并選擇使預測值與它們的給 定值之間的誤差絕對值之和（即指標函數(shù))最小的MC開關(guān)狀態(tài)，從而獲得較好的輸入和輸出 電流性能；另外，對輸入無功功率和負載有功功率的給定值同時進行修正，完全實現(xiàn)了有源 阻尼，抑制了輸入濾波器的振蕩。
[0008] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0009] -種具有有源阻尼功能的矩陣變換器預測控制方法，包括如下步驟：
[0010] 步驟1，采集第k個周期矩陣變換器的輸出電流i〇[k]和負載電壓udk]的值，根據(jù)i。
[k]和udk]，預測出第k+2個周期內(nèi)負載有功功率的平均值^ [U2j和負載無功功率的平均 值心[奸2];
[0011] 步驟2,采集第k個周期的電源電壓us[k]和電源電流Uk]，以及矩陣變換器的輸入 電壓m[k]的值，根據(jù) Us[k]、is[k]和m[k]，預測出第k+2個周期內(nèi)輸入無功功率的平均值
[0012] 步驟3,對負載有功功率和輸入無功功率的給定值進行修正，產(chǎn)生修正后的給定 值，利用修正后的給定值和無需修正的負載無功功率的給定值，以及步驟1和步驟2得到的 平均值，計算指標函數(shù)，選擇使指標函數(shù)的值最小的開關(guān)脈沖作用對矩陣變換器進行有源 阻尼預測控制;所述指標函數(shù)g的計算公式為：
[0013]
[0014] 其中，λρ?、λ<^和Aqi分別為權(quán)重系數(shù)，且取值均為1，O ?{分別為修正后負載有功 功率和輸入無功功率的給定值，為無需修正的負載無功功率給定值。
[0015] 優(yōu)選的，所述修正后負載有功功率和輸入無功功率的給定值g'的計算公式分 別為你其中，Re( ·)和Im( ·)分別表示實部和虛部，Ui為矩 陣變換器的輸入電壓，上標c表示共輒，ivd為阻尼電流，^、這分別為負載有功功率、輸入 無功功率的給定值。
[0016] 優(yōu)選的，所述阻尼電流ivd的表達式為：
其中，j為虛數(shù)單 位，ω s為電源電壓頻率，Lfi為濾波電感，Rvd為虛擬阻尼電阻，Lvf為虛擬濾波電感，Us為電源 電壓，電源電流is = + ，<、分別為負載有功功率、輸入無功功率的給定值。
[0017] 優(yōu)選的，所述第k+2個周期內(nèi)負載有功功率的平均值負載無功功率的平 均值匕[丨+2]和輸入無功功率的平均值^ |>+2]的計算公式為：
[0018]
[0019]其中，PL[k+l]、qL[k+l]和qi[k+l]分別為第k+Ι個周期結(jié)束時負載有功功率、負載 無功功率和輸入無功功率的值，R[k+2]、qL[k+2]和qi[k+2]分別為第k+2個周期結(jié)束時負載 有功功率、負載無功功率和輸入無功功率的值。
[0020]優(yōu)選的，所述pL[k+l]、qL[k+l]、qi[k+l]、piik+2]、qL[k+2]和qi[k+2]的計算公式 為：
[0021]
[0022] qi[k+l ] = Φ iqi[k]+Γ i[qiis[k] qUis[k] ]T，qi[k+2] = Φ iqi[k+l ]+Γ i[qiis[k+l ] qUis[k+l]]T；
[0023] 其中，[k]、[k+l]、[k+2]分別表示第k、k+l、k+2個周期的值，pL、qL、 qi分別為負載有 功功率、負載無功功率和輸入無功功率的值，κ , η =』/丨，Φρ+ ,
y ·)和Im( ·)分別表示實部和虛部，I為單位矩陣，Ts為采樣時間，
其中，Lfi為輸入濾波電感， Rf i為輸入濾波電阻，Cf i為輸入濾波電容，Rf。為輸出濾波電阻，Lf。為輸出濾波電感，Cl為負載 電容，Rl為負載電阻，ii為輸入電流，Ui為輸入電壓，is為電源電流，Us為電源電壓，i。為輸出 電流，u。為輸出電壓，U 1為負載電壓，上標c、T分別表示共輒、轉(zhuǎn)置。
[0024] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0025] 1、本發(fā)明所提出的矩陣變換器預測控制，對功率進行直接控制，且選擇第k+2個開 關(guān)周期的負載有功功率和無功功率、輸入無功功率平均值進行計算評價(指標）函數(shù)，即可 補償數(shù)字控制器的延時作用并提高控制精度。
[0026] 2、本發(fā)明所提出的矩陣變換器預測控制，將有功和無功偏差的權(quán)重系數(shù)均設為1， 即使輸出頻率發(fā)生改變，也可獲得較好的輸入電流和輸出電流、負載電壓波形，無需根據(jù)經(jīng) 驗對權(quán)重系數(shù)進行調(diào)整。
[0027] 3、本發(fā)明所提出的有源阻尼控制，根據(jù)虛擬阻尼電流對輸入無功功率和負載有功 功率的給定值修正，即可精確實現(xiàn)有源阻尼控制，從而抑制LC濾波器振蕩；當負載為無源負 載時，所提出的預測控制技術(shù)只能間接控制負載電壓和頻率，因此負載電壓和頻率存在控 制誤差，而這可通過提高預測控制的控制精度改善；當負載為電壓源等有源負載時，無需控 制負載電壓和頻率，因此所提控制方法將具有較好的適用性和較高的理論研究意義。
【附圖說明】
[0028]圖1是矩陣變換器的典型應用結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖2是本發(fā)明所提的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制框圖。
[0030]圖3(a)-圖3(b)分別是目前已有的及本發(fā)明采用的輸入有源阻尼控制方法的等效 電路圖。
[0031 ]圖4是Lvf = 2mH，Rvd由1 Ω增大到100 Ω時，Gis (s)的幅頻特性圖。
[0032] 圖5是Rvd=16Q，Lvf由O.lmH增大到IOmH時，G is(S)的幅頻特性圖。
[0033]圖6是無阻尼控制時，電源電流（isA)、電源電壓(usA)、輸出電流（Lu)和負載電壓 (UUI)的波形圖。
[0034] 圖7(a)-圖7(d)是有源阻尼控制時，負載電壓幅值給定值仇/為75V，輸出頻率f。設 為80Hz的實驗結(jié)果圖，其中，圖7(a)是電源電流（i sA)、電源電壓(Usa)、輸出電流（iou)和負載 電壓(Ulu)的波形；圖7(b)是isA的諧波分布；圖7(c)是^的諧波分布；圖7(d)是Ulu的諧波分 布。
【具體實施方式】
[0035] 下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性 的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0036]本發(fā)明提出的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖可得輸出電流i。和負載電壓α的微分 方程為：
[0037] (1).
[0038] (2)
[0039]負載的瞬時視在功率&表達