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主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210459727.7

申請日:

2012.11.15

公開號:

CN103001509B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止號牌文件類型代碼:1605號牌文件序號:101695981259IPC(主分類):H02M 7/219專利號:ZL2012104597277申請日:20121115授權公告日:20150107終止日期:20151115|||授權|||著錄事項變更IPC(主分類):H02M 7/219變更事項:發明人變更前:王萌 高金輝 施艷艷變更后:施艷艷 高金輝 王萌|||實質審查的生效號牌文件類型代碼:1604號牌文件序號:101444321899IPC(主分類):H02M 7/219專利申請號:2012104597277申請日:20121115|||公開
IPC分類號: H02M7/219 主分類號: H02M7/219
申請人: 河南師范大學
發明人: 施艷艷; 高金輝; 王萌
地址: 453007 河南省新鄉市建設東路46號
優先權:
專利代理機構: 新鄉市平原專利有限責任公司 41107 代理人: 于兆惠
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210459727.7

授權公告號:

|||103001509B|||||||||

法律狀態公告日:

2017.01.04|||2015.01.07|||2014.12.31|||2013.04.24|||2013.03.27

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||著錄事項變更|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法。本發明的技術方案要點為:一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法,該方法在控制對象模型參數與實際參數不匹配時,計算預測電流與系統實際電流的差值作為電流預測誤差,并實時用電流預測誤差對預測模型進行補償,進而消除模型預測控制誤差。本發明的參數自補償預測控制方法可消除模型參數不匹配對控制系統造成的影響,增強模型預測控制系統的魯棒性,實現主動前端整流器在預測模型存在較大誤差情況下的穩定運行,算法簡單,易于實現。

權利要求書

權利要求書一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法,其特征在于包括以下步驟:(1)、檢測主動前端整流器系統三相電網電壓、三相輸入電流和直流母線電壓;(2)、將檢測到的三相電網電壓和三相輸入電流經過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電網電壓和輸入電流采樣值;(3)、將三相電網電壓信號經過軟件鎖相環得到電網電壓位置角;將步驟(2)得到的兩相靜止坐標系下的電網電壓和輸入電流以電網電壓位置角進行Park變換,得到同步旋轉坐標下d、q軸電網電壓和輸入電流;(4)、將直流母線電壓參考值與步驟(1)得到的直流母線電壓實際值做差,經過PI控制器得到同步旋轉坐標系下d軸電流參考值,設q軸電流參考值為0;(5)、將整流器d、q軸輸入電流實際值與上一時刻最優輸出電壓對應的d、q軸輸入電流預測值相減,作為d、q軸預測誤差;(6)、將主動前端整流器模型作為預測模型、將步驟(4)中計算得到的同步旋轉坐標系下的d、q軸電流參考值、步驟(3)中計算得到的同步旋轉坐標系下的d、q軸電網電壓和輸入電流,以及各開關組合作用下整流器在兩相旋轉坐標系下的輸入電壓作為預測模型的輸入;(7)、通過預測模型來預測各電壓矢量對應的輸入電壓作用下的預測電流,將d、q軸預測誤差分別與d、q軸預測電流相加,得到補償后的預測電流;(8)、選擇使電流參考值與補償后的電流預測值之差的絕對值最小的電壓矢量對應的電壓值作為最優輸出電壓;(9)、用步驟(8)得到的輸出電壓對應的開關位置信號作為控制功率器件的開關信號。

說明書

說明書主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法
技術領域
    本發明涉及主動前端整流器的控制方法,屬于電力電子功率變換裝置控制領域,特別涉及一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法。
背景技術
模型預測控制(MPC)運行過程采用循環尋優,直接輸出的不定頻運行方式。該控制算法通過數學模型預測對象下一時刻的運行狀態,其對模型的準確性要求較高。在主動前端整流器電路中含有電阻、電感等器件,溫度的變化、磁路的飽和程度和其他環境條件變化均會使電路中的電阻、電感等器件參數發生改變。電路參數的變化將導致控制系統參數標稱值與系統實際參數值不匹配,進而影響MPC控制的穩定性和魯棒性,降低系統的控制品質。針對MPC控制系統預測模型不匹配產生的擾動,有學者采用擴張狀態觀測器估計實際擾動并通過前饋補償。有學者將模型參數不匹配對系統造成的影響作為擾動量,采用觀測器通過前饋補償來消除系統擾動,增強控制系統魯棒性。有學者采用積分滑模控制策略消除了模型預測結果與實際閉環系統的誤差,提高了MPC控制系統的魯棒性。
然而,由于MPC采用不定頻的運行方式,其采樣頻率較高,運行性能受系統延遲影響較為明顯。以上算法雖然可以消除模型誤差對控制系統的影響,但算法均較為復雜,大大增加了程序的運算時間,進而影響控制效果。因此,有必要設計一種算法簡單的模型參數自補償預測控制方法,在較短的采樣周期內可實時對模型參數不匹配問題進行修正,提高系統的魯棒性。
發明內容
本發明解決的技術問題是提供了一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法,該方法在對象模型參數不匹配時,通過計算預測電流與系統實際電流的差值作為電流預測誤差,并實時用電流預測誤差對預測模型進行補償,保證系統的控制品質,算法運算量小、結構簡單、易于實現,可有效提高系統運行的魯棒性。
本發明的技術方案為:一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法,其特征在于包括以下步驟:一種主動前端整流器模型參數自補償預測控制方法,其特征在于包括以下步驟:(1)、檢測主動前端整流器系統三相電網電壓、三相輸入電流和直流母線電壓;(2)、將檢測到的三相電網電壓和三相輸入電流經過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電網電壓和輸入電流采樣值;(3)、將三相電網電壓信號經過軟件鎖相環得到電網電壓位置角;將步驟(2)得到的兩相靜止坐標系下的電網電壓和輸入電流以電網電壓位置角進行Park變換,得到同步旋轉坐標下d、q軸電網電壓和輸入電流;(4)、將直流母線電壓參考值與步驟(1)得到的直流母線電壓實際值做差,經過PI控制器得到同步旋轉坐標系下d軸電流參考值,設q軸電流參考值為0;(5)、將整流器d、q軸輸入電流實際值與上一時刻最優輸出電壓對應的d、q軸輸入電流預測值相減,作為d、q軸預測誤差;(6)、將主動前端整流器模型作為預測模型、將步驟(4)中計算得到的同步旋轉坐標系下的d、q軸電流參考值、步驟(3)中計算得到的同步旋轉坐標系下的d、q軸電網電壓和電流采樣值,以及各開關組合作用下整流器在兩相旋轉坐標系下的輸入電壓作為預測模型的輸入;(7)、通過預測模型預測各電壓矢量作用下的預測電流,將d、q軸預測誤差分別與d、q軸預測電流相加,得到補償后的預測電流;(8)、選擇使電流參考值與補償后的電流預測值之差的絕對值最小的電壓矢量對應的電壓值作為最優輸出電壓;(9)、用步驟(8)得到的輸出電壓對應的開關位置信號作為控制功率器件的開關信號。
本發明的模型參數自補償預測控制方法在不改動硬件結構的情況下,通過計算電流預測誤差,消除了模型參數不匹配對控制系統造成的影響,增強了模型預測控制系統的魯棒性,實現主動前端整流器在預測模型存在較大誤差情況下的穩定運行。
附圖說明
圖1為主動前端整流器主電路結構圖;圖2為基于模型預測控制的主動前端整流器控制結構圖;圖3為主動前端整流器模型參數自補償預測控制結構原理圖;圖4為電感參數不匹配時的電流跟蹤實驗波形圖; 
具體實施方法
下面結合附圖對本發明做進一步說明。主動前端整流器主電路拓撲結構如圖1所示。圖中,uga、ugb、ugc為交流側三相電壓源;iga、igb、igc為三相交流側電流;uca、ucb、ucc為整流橋輸入側三相電壓;udc為直流側電壓;Lg和Rg分別為進線電感及其等效電阻;C為直流濾波電容;O為電網中點;iL為負載電流,直流側負載由電阻RL等效表示。
主動前端整流器的數學模型可通過坐標變換轉換到同步旋轉坐標系中,表示為
                                                                                                          (1)
ugd、ugq分別為電網電壓的d、q軸分量;igdigq分別為交流側電流的d、q軸分量;ucducq分別為整流橋交流側輸入電壓的d、q軸分量;wg為電網電壓旋轉角速度。
對式(1)進行離散化,可得
  (2)
定義價值函數如下式所示
            (3)
式中:imdi(k+1)、imqi(k+1)為不同電壓矢量作用下的預測電流值;下標i=1,2,...7。
模型預測控制策略充分利用功率變換器件的非線性特性,根據控制對象的離散模型預測系統下一時刻不同開關狀態下的動態行為。通過價值函數對所有預測結果進行評估,最終選擇使價值函數最小的電壓矢量。因此,算法能夠在每個采樣周期預測到最優的開關狀態作為控制器的輸出。
采用MPC控制算法的主動前端整流器系統控制結構如圖2所示。系統運行時首先采集電網電壓和輸入電流;將采集到的電壓通過鎖相環得到電網電壓角度;將三相電壓、電流信號通過3/2變換和Park變換得到兩相旋轉坐標系下的電壓、電流信號;通過整流器預測模型,對下一時刻不同開關狀態對應的輸出電壓作用下的電流動態行為進行預測;將預測的結果通過價值函數進行評估和優化,并選擇最優輸出電壓對應的開關狀態作為下一時刻功率開關的控制信號。以上算法在每個開關周期循環一次,因此,系統需有較高的采樣頻率。
設預測模型中電感標稱值為Lm,電感誤差為ΔL,有
                                                                                                      (4)
因此模型預測控制中的預測模型可表示為
   (5)
式中,下標i=1,2,...7。由式中可以看出,當電感標稱值為Lm與電感實際值Lg不同時,將引起預測誤差,則在最優輸出電壓確定后,d、q軸電流預測誤差可由下式表示
                                                  (6)
式中,imd(k+1)、imq(k+1)為最優輸出電壓對應的d、q軸電流預測值。
由式(6)可得,當前時刻的電流預測誤差為
                                                                          (7)
設系統運行穩定,d、q軸電流給定值在相鄰采樣周期內無變化,則將式(7)表示的d、q軸電流預測誤差補償到下一時刻的電流預測結果中即可對模型預測誤差進行修正
                                                              (8)
圖3為主動前端整流器模型參數自補償預測控制結構原理圖,其控制方法具體包括如下步驟:
(1) 檢測主動前端整流器系統三相電網電壓uga(k)、ugb(k)、ugc(k),三相輸入電流iga(k)、igb(k)、igc(k)和直流母線電壓udc(k);
(2) 將檢測到的三相電網電壓uga(k)、ugb(k)、ugc(k)和三相輸入電流iga(k)、igb(k)、igc(k)經過3/2變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電網電壓ugα(k)、ugβ(k)和輸入電流igα(k)、igβ(k);
(3) 將三相電網電壓信號uga(k)、ugb(k)、ugc(k)經過軟件鎖相環(PLL),得到電網電壓位置角θ(k);將步驟(2)得到的兩相靜止坐標系下的電網電壓ugα(k)、ugβ(k)和輸入電流igα(k)、igβ(k)以電網電壓位置角θ(k)進行Park變換,得到同步旋轉坐標下d、q軸電網電壓ugd(k)、ugq(k)和輸入電流igd(k)、igq(k);
(4) 將直流母線電壓參考值udc*(k)與步驟(1)得到的直流母線電壓實際值udc(k)做差,經過PI控制器得到同步旋轉坐標系下d軸電流參考值igd*(k),設q軸電流參考值igq*(k)為0;
(5) 將整流器d、q軸輸入電流實際值igd(k)、igq(k)與上一時刻最優輸出電壓對應的d、q軸輸入電流預測值imd(k)、imq(k)相減,作為d、q軸預測誤差Δigd(k)、Δigq(k);
(6) 將主動前端整流器模型作為預測模型、將步驟(4)中計算得到的同步旋轉坐標系下的d、q軸電流參考值igd*(k)、igq*(k)、步驟(3)中計算得到的同步旋轉坐標系下的d、q軸電網電壓ugd(k)、ugq(k)和輸入電流igd(k)、igq(k),以及各開關組合作用下整流器在兩相旋轉坐標系下的輸入電壓ucdi(k)、ucqi(k)作為預測模型的輸入,下標i=1,2,...7。;
(7) 通過預測模型來預測各電壓矢量對應的輸入電壓ucdi(k)、ucqi(k)作用下的預測電流imdi(k+1)、imqi (k+1),將d、q軸預測誤差Δigd(k)、Δigq(k)分別與d、q軸預測電流相加imdi(k+1)、imqi(k+1),得到補償后的預測電流imdci(k+1)、imqci(k+1);
(8) 選擇使電流參考值igd*(k)、igq*(k)與補償后的電流預測值imdci(k+1)、imqci(k+1)之差的絕對值最小的電壓矢量對應的電壓值ucd(k)、ucq(k)作為最優輸出電壓。
(9) 用步驟(8)得到的輸出電壓ucd(k)、ucq(k)對應的開關位置信號作為控制功率器件的開關信號。
圖4為模型電感標稱值由準確值8mH減小到2mH時整流器d、q軸電流波形,由圖中可以看出,由于電感的誤差,q軸電流不能精確跟蹤給定值。當采用模型參數自補償預測控制方法后,q軸電流為零,可以準確跟蹤給定值。
綜上所述,與傳統MPC控制算法相比,本發明的控制方法可以有效消除模型誤差對控制系統的影響,實現對參考電流的準確跟蹤,具有良好的控制品質和較強的魯棒性,算法結構簡單、計算量小、易于實現。

關 鍵 詞:
主動 前端 整流器 模型 參數 補償 預測 控制 方法
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