Vienna整流器的少电压传感器模型预测控制策略.pdf

20上海电气技术2023,16(2)Vienna整流器的少电压传感器模型预测控制策略张淑荣孟代江同济大学电子与信息工程学院完上海2 0 18 0 4摘要：Vienna整流器是一种三电平电路拓扑整流器，传统控制策略为在电网已知的情况下进行。提出一种Vienna整流器的少电压传感器模型预测控制策略，采用比例积分控制器调节直流电压，采用模型预测控制策略控制输入电流。在此基础上，减少电压传感器的使用，并使用Luenberger状态观测器来观测电压。所提出的Vienna整流器的少电压传感器模型预测控制策略具有多方面优点，通过仿真结果验证了策略的正确性和有效性。关键词：整流器；模型；预测；控制中图分类号：TM461Abstract:Vienna rectifier is a three-level circuit topology rectifier,and the traditional control strategy isimplemented when the power grid is known.A less-voltage sensor model predictive control strategy for Viennarectifier was proposed,which used a proportional integral controller to adjust DC voltage and used a modelpredictive control strategy to control input current.As a result,the number of voltage sensor was reduced,and the Luenberger state observer was employed to monitor voltage.The proposed less-voltage sensor modelpredictive control strategy for Vienna rectifier has multiple advantages,and its correctness and effectivenesshave been verified by simulation result.Keywords:Rectifier;Model;Prediction;Control文献标志码：A文章编号：16 7 4-540 X(2023)02-020-06能够取得很好的控制效果，但是在三电平电路中，中1研究背景性点电位的平衡不容易控制，在模拟电路中也不容Vienna整流器是一种简单的三电平电路拓扑易修改控制算法。文献7-8 提出在自然坐标系下整流器，具有功率因数高、电流总谐波失真小、开关进行滞环电流控制，由迟滞比较器产生一对阈值电器件少、开关应力小、无死区、可靠性高等优点1-2 1。流，采样电流与参考电流比较，经比例积分计算后输由于以上优点，Vienna整流器在工业上得到广泛应人迟滞比较器，当信号大于阈值电流的上限时，开关用，包括微电网、医疗、风力发电、电动汽车充电站等关闭，当信号小于阈值电流的下限时，开关开启。磁领域3-4。滞电流控制简单，鲁棒，动态响应快，但是开关频率许多学者对Vienna整流器进行了深入研究，包不固定，对负载变化敏感，这给滤波器电感的设计带括调制策略和控制方法。文献5-6 提出一种非线来困难。杜雄等9提出平均电流控制，这是一种常性单周期控制算法，通过控制开关的占空比，使开关见的功率因数校正控制，也适用于Vienna整流器。变量在每个控制周期中的平均值等于或正比于参考平均电流控制将采样电流与参考电流进行比较，通值。这种控制方法不包含乘法器，控制器的设计比过比例积分控制器计算出信号，并与载波输出开关较简单，所以很容易通过模拟电路来实现。这种控信号进行比较。这一控制方法稳定性好，但动态响制方法的动态响应速度非常快，在三相整流装置中应速度慢，比例积分控制参数设置麻烦。被动控制收稿日期：2 0 2 3-0 2第一作者简介：张淑荣（1999一），女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统2023,16(2)是一种分析能量的控制方法，与李雅普诺夫函数密切相关。被动控制本质上是一种非线性控制方法，寻求与被控变量相关联的能量函数，使能量函数按照期望值变化，从而实现对系统的控制。这一控制策略直观，可以实现系统的全局稳定，具有较强的鲁棒性。近年来，被动控制广泛应用于电机控制10、光伏变器1、三相整流器12 等领域，并取得了良好的控制效果。模型预测控制是一种计算机控制技术，具有不需要精确模型，易于添加约束，鲁棒性强等优点，被广泛应用于多变量多约束的复杂工业过程中，如石油、化工、冶炼等13。模型预测控制分为连续控制集和有限控制集14-15。与连续状态模型预测控制相比，有限集模型预测控制直接利用变换器离散特性和有限开关状态特性，不需要考虑预测时域和控制时域。当前，有限集模型预测控制已经成为电力电上海电气技术子领域的热门课题。在本次研究中,笔者将有限集模型预测控制和比例积分控制应用于Vienna整流器。在此基础上，将Luenberger观测器应用于三相Vienna整流器的控制，提出Vienna整流器的少电压传感器模型预测控制策略，降低硬件成本，提高系统的鲁棒性。2三相Vienna整流器模型三相Vienna整流器的电路如图1所示。三相Vienna整流器主要由三个升压电感、六个二极管、三个双向开关、两个输出电容组成。usavusb、u s e 为三相输入电压,L为输人电感,R为等效电阻,D1D 6为六个快速恢复二极管，Sal和Sa2反向串联，形成双向开关电源桥臂，Sb1、Sb 2 和Scl、Sc 2 分别形成另外两组双向开关电源桥臂，C1、C 为直流输出滤波电容器,R为载荷。21DI本D3本D5本LRusaLUsbLusaYiCiuelUaNSal兰RiRD2本D4本ID6本Sa2UbNSbIUeNScINSb2iNC2一uc2Sc2RL图1三相Vienna整流器电路根据基尔霍夫电压定律，三相坐标系下Vienna整流器的回路电压动态方程为：dia=usa-Rig uaN-uNoLadtLditb=usb-Ri,-UbN-uNodtLdidt=use-Ri。-u e N-u No式中：ia、i b、i。为输人电流值；uaN、U b N、U e N为半控型电压值；uNo为两电容中点到电网中性点电压值。同理，根据基尔霍夫电压电流定律，输入电压与电流的关系为：(usa+usb+use=olia+ib+i=0由式(1)和式(2)可以推断得到：UNo=-(uaN+UbN+ueN)/3由于Vienna整流器的特殊结构，半控电压不仅与开关管的通断状态有关，而且与相应相的输入电流极性有关。为了简化数学模型，定义三相开关桥(1)臂为Sa、Sb、S。当Sa、Sb、S。为O时，表示对应相开关桥臂为关断状态。当Sa、Sb、S。为1时，表示对应相开关桥臂为开通状态。由此，将uaN、U b N、U e N用方程表示为：uan=(1-S.)sign(ia)ude/2ubN=(1-S,)sign(ib)ude/2(ueN=(1-S)sign(ic)ude/2式中：ude为直流侧输出电压；sign函数用于判断各(2)相输人电流的极性。对于Vienna整流器直流侧，为了防止中点电位波(3)(4)RL22动过大影响系统的控制,对中点电位进行控制是有必要的。基于基尔霍夫电流定律,列出直流侧方程为：dui=i-ioC1dtdu2C2=ide-iodt式中：t、i c 为流经中点的电流；i。为直流侧输出电流；u1、u 2 为两个电容上的电压。Ci和C相等，直流侧电压取决于流过中性点的电流。虽然Vienna整流器在三相坐标系下数学模型直观清晰，但是由于Vienna整流器控制系统的强耦合性、高阶性、非线性，系统的模型预测控制设计较为复杂。对此，笔者通过Clark变换，将Vienna整流电路在三相坐标系下的数学模型转换为在两相坐标系下的数学模型，由此简化控制方案的设计。根据功率相等的原则,Clark变换式为：2b303V32LCc-2YYLusaiabcLuenberger观测器上海电气技术通过Clark变换式，可以得到三相Vienna整流电流在两相坐标系下的连续性状态方程：di=usa-Ri.-uaNdt(5)dip=usp-Rip-upNdt通过坐标变换，将三相交流元件转换为两相交流元件，对两相交流元件解耦，最终使三相Vienna整流器的数学模型得到简化。3三相Vienna整流器控制方案三相Vienna整流器的控制主要包括两个方面，即外环比例积分控制和内环模型预测控制。外环针对直流侧输出电压进行比例积分调控，对直流侧输出电压值与给定参考电压值进行比较，对所得误差进行比例积分控制，使输出侧的电压跟踪给定的参考电压，并为模型预测控制提供参考电流。1122abc2023,16(2)(7)内环采集相应电流、电压值进行模型预测控制，为下一时刻提供开关信号。三相Vienna整流器控(6)制流程框图如图2 所示。本六本SaSbSci有限集模型开关状态预测控制选择u2有限集模型预测控制ui(9)图2 三相Vienna整流器控制流程框图三相Vienna整流器模型预测控制流程如图3所示。三相Vienna整流器模型预测控制以输人电流为控制目标，利用整流开关状态有限组合的特点，基于整流的离散数学模型，通过滚动优化选择函数值最小的开关状态作为输出，直接作用于整流。整流的离散数学模型通过离散化式（7)得到：(i(k+1)=i(k)+T,us(k)-Ri（k)u a n(k)/L(ig(k+1)=ig(k)+T,us(k)-Rig(k)-uan(k)/L(8)ui+u2PI式中：T。为采样周期;k为当前时间；i。（k 十1)、i（k 十1)为两相坐标系中下一时刻的电流预测值。同理，对式（5)离散化处理，可得：u(k+1)=u(k)+T,it-i/C(uz(k+1)=uz(k)+T,ide-io/C式中：ui（k 十1）、uz（k+1)为直流侧两个输出电容电压的预测值。考虑输入电流的控制，构造值函数gk，为：gk=i(k+1)-i(k+1)2023,16(2)+i(k+1)-ig(k+1)根据价值函数控制开关状态测量当前时刻电流、电压值为0预测下一时刻电流、电压值代入价值函数j+1赋予iNj为8Y选择最优开关状态图3三相Vienna整流器模型预测控制流程考虑中性点电位控制，构造值函数Ck，为：Ck=u(k+1)uz(k+1)为了实现多目标优化，需要添加权重因子来平衡不同目标控制的比例。由此，考虑输人电流控制和中性点电位控制，构造值函数Fk，为：Fk=gk+ck式中：入为调整输入电流和电容器电压平衡规则相对重要性的权重因子。系统性能随权重因子的变化而变化，通常，根据经验调整和选择权重因子16。4改进有限集模型预测控制在Vienna整流器有限集模型预测控制的基础上，引人Luenberger观测器，对b、c 两相电网电压进行观测。这样做的优点包括三方面。第一，降低硬件成本，提高系统可靠性。第二，减小系统体积。第三,增强系统鲁棒性。u;(t)是要测量的周期电压信号，由于u;（t)可以看作是直流、基波和n次谐波分量之和，因此输入电压可以用傅里叶级数表示，为：u;(t)=ao+Za,cos(nwt)+b,sin(nwt)(13)n=1式中：w为角频率；a。为直流分量。上海电气技术(10)各谐波分量。仅需要观测出参数(ao,al,bi,ak,be,an,b,)的值，便可以观测得到电压信号ui。设计时变Luenberger观测器，根据状态观测器基本原理，建立系统状态方程和状态估计方程，选取合适的增益矩阵，使状态估计值收敛至状态真实值，即误差值收敛至O。设计Luenberger观测器的闭环状态观测模型，如图4所示。imXBL(ot)B图4Luenberger观测器闭环状态观测模型以b相为例，通过引入b相估计电流的反馈值，以T。为采样时间对b相估计电流离散化处理，便可(11)得到b相电压值。建立系统数学模型，为：i=A-L(wt)(g)(5=Ci此时,为b相电压估计值，y为当前时刻b相(12)电流真实值，为当前时刻b相电流估计值。通过输出电流真实值与估计值之间的误差来矫正观测器的准确性，使b相电压估计值趋近于真实值。当前时刻电流真实值可以直接测量得到，电流估计值则根据对Vienna整流器电路拓扑结构建模得到。式（14)中，矩阵A和矩阵C分别为：A=O2(nr+1)x1M2(a+1(2a+1)C=1 000l cos(wt)sin(wt).cos(nwt)sin(nwt)M=式(14)中，矩阵L（t)是一个（2 n十2）1矩阵，作为误差信号的反馈系数：L(wt)=lolao lal cos(wt)lbi sin(wt)lancos(nwt)lbn sin(nwt)JT由电压傅里叶级数变换式与系统观测器数学模型，可以推得各项系数解析方程：t=ao+a;cos(iwt)+b,sin(iwt)723(14)(15)(16)0(17)acos(nwt)+b,sin(nwt)是频率为nw的i=1-l(5-y)(18)24ao=-lao(-y)a;=-laicos(iwt)(j-y)b;=-lusin(iat)(g-y)y=通过设置各参数初始值，计算出当前时刻电压傅里叶级数变换后各个分量参数值，估测出当前时刻电压值。5仿真为了验证笔者所提出的控制算法的有效性，在MATLAB/Simulink软件仿真环境下建立改进后的Vienna整流器有限集模型预测控制仿真模型。仿真过程中，参数设置见表1。表1参数设置项目usa/Vusb/Vuse/V电网频率f/Hz输出电压参考值u/VR/QL/mHC/uFR/Ts/s入通过仿真，得到三相输入电流波形，如图5所示。从图5中可以看出，b、c 两相电压稳定后，与a相电压的幅值、频率相同，相位各差12 0，交流电压稳定输人。电压跟随电流情况如图6 所示，可知输人电流能够较好地跟随输人电压。输出电压的波形如图7 所示。由图7 可以看出，Vienna整流器电路输出电压快速跟踪上所给定的380V参考电压，能够实现恒定输出电压。上海电气技术(19)300(20)200100(21)0(22)-100(23)-20003002001000-100-2000数值2202202205038050510001001/200000.22023,16(2)0.10.2时间/s图5三相输入电流波形0.10.2时间/s图6电压跟随电流情况600Uo380V/王审400200006结束语笔者研究提出一种适用于Vienna整流器的少电压传感器模型预测控制策略。简述了Vienna整流器控制策略的研究现状，分析其数学模型，并介绍了Vienna整流器的有限集模型预测控制方法。为了降低控制器的成本，减少电压传感器的使用，引入Luenberger观测器来观测电压，并通过仿真和试验验证所提出控制算法的有效性和可行性，在一定程度上提高了有限集模型预测控制的实际应用价值。参考文献1J KOLAR J W,ZACH F C.A Novel Three-phase UtilityInterface Minimizing Line Current Harmonics of High-power Telecommunications Rectifier ModulesJJ.IEEETransactions on Industrial Electronics,1997,44(4):456-0.3usaia0.30.10.2时间/s图7输出电压波形0.32023,16(2)467.2 J HANG L J,ZHANG M,TOLBERT L M,et al.DigitizedFeedforward Compensation Method for High-Power-DensityThree-Phase Vienna PFC ConverterJ.IEEE Transactionson Industrial Electronics,2013,60(4):1512-1519.3 J HARTMANN M,MINIBOECK J,ERTL H,et al.A Three-Phase Delta Switch Rectifier for Use in Modern AircraftJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(9):3635-3647.4RAJAEI A,MOHAMADIAN M,VARJANI A Y.Vienna-Rectifier-Based Direct Torque Control of PMSG for WindEnergy Application J.IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2013,60(7):2919-2929.5韦徽，陈新，樊轶，等.单周期控制的三相三电平VIENNA整流器输出中点电位分析及控制方法研究J.中国电机工程学报，2 0 13，33（15）：2 9-37,18.6 高燃，张维戈，牛利勇，等.基于解耦模式单周控制的VIENNA整流器研究JJ.电源技术，2 0 12，36（3）：392-395.7 张东升，韩波，张东来，等.VIENNA整流器的滞环电流控制研究J.电力电子技术，2 0 0 8 42（6）：1-2，5.8 宋卫章，黄骏，钟彦儒，等.带中点电位平衡控制的Vienna整流器滞环电流控制方法J.电网技术，2 0 13，37（7)：1909-1914.9杜雄，卢昊，周雒维.平均电流控制三相直流侧并联型有源电力滤波器J.中国电机工程学报，2 0 0 9,2 9（33)：上海电气技术47-53.10 KHANCHOUL M,HILAIRET M,NORMAND-CYROTD.A Passivity-based Controller under Low Samplingfor Speed Control of PMSMJJ.Control EngineeringPractice,2014,26:20-27.11王久和，慕小斌.基于无源性的光伏并网逆变器电流控制J.电工技术学报，2 0 12，2 7（11)：17 6-18 2.12王久和，黄立培，杨秀媛.三相电压型PWM整流器的无源性功率控制J.中国电机工程学报，2 0 0 8，2 8（2 1）：20-25.13J RICHALET J,RAULT A,TESTUD J L,et al.ModelPredictive Heuristic Control:Applications to IndustrialProcessesJ.Automatica,1978,14(5):413-428.14 PREINDL M,SCHALTZ E.Sensorless Model PredictiveDirect Current Control Using Novel Second-Order PLLObserver for PMSM Drive SystemsJJ.IEEE Transactionson Industrial Electronics,2011,58(9):4087-4095.15J KOURO S,CORTES P,VARGAS R,et al.ModelPredictive ControlA Simple and Powerful Method toControl Power ConvertersJJ.IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2009,56(6):1826-1838.16 HABIBULLAH M,LU D D-C,XIAO D,et al.ASimplified Finite-State Predictive Direct Torque Control forInduction Motor DriveJJ.IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2016,63(6):3964-3975.25(编辑：尔东）(上接第14页）5沈郭阳.铁路电力牵引供电工程施工质量控制措施优化参考文献J.中小企业管理与科技（下旬刊），2 0 19（8）：142，144.1陈灵敏.铁路电力牵引供电工程施工质量控制探讨J.中国设备工程，2 0 2 1（2 0）：7 0-7 1.2 湛鹏.新建住宅小区供电配套工程电气部分设计J.应用能源技术，2 0 2 0（9）：16-2 0.3杨志东，盛萌，张頔，等.供电工程项目成本控制研究J.中外企业家，2 0 2 0（3）：3-4.4章，吴善坤，张靖华，等.某市小城镇盐城路电力配套工程综合整治方案J.通信电源技术，2 0 19,36（10）：2 35-236.6王锋.非洲某机场航站楼及配套工程供配电系统设计J.电工技术，2 0 18(10)：10 1-10 2,10 4.7 郭孟宁.探究新建住宅供电配套工程建设阶段性难点J.科技传播，2 0 16,8（18）：2 2 7-2 2 8.8 陈佩明.供电企业小区配套工程涉税事项的账务处理J.齐鲁珠坛，2 0 16（2）：51-52.9徐耀华.新建住宅小区的电气工程设计应用实践J.决策探索（中）,2 0 2 0（5)：8 0.(编辑：尔东）