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具有快速动态响应和高精度的三相 PWM 整流器无电网电压传感器预测电流控制装置


李春杰、胡建宁、赵明伟

 摘要


为了改善传统直接功率控制下存在积分漂移和直流偏差、动态响应差的纯积分计算,提出了一种无电网电压传感器的三相 PWM 整流器预测电流控制策略。在无电压传感器控制算法中,通过引入带阻滤波器反馈来解决直流偏置问题,构建了改进的虚拟磁通观测器。此外,针对两步预测中电压矢量选择算法不准确的问题,引入了拉格朗日插值法,使预测电流更加准确。实验结果验证了采用所提策略的三相 PWM 整流器可以实现高功率因数、高预测精度,并改善系统的动态性能。

Index Terms-Lagrange interpolation, predictive current control, three phase PWM rectifier, virtual flux observer, voltage sensorless.

 I.引言


在电动汽车和航空航天工业等特定应用领域,具有安全性、可靠性和高功率密度的电力电子变流器受到越来越多的关注。三相 PWM 整流器是中高功率电力电子设备的理想选择[1]。当电力电子转换系统在复杂的工况和恶劣的环境下运行时,传感器可能会出现故障,导致系统性能下降,甚至系统瘫痪[2]。为了提高安全性和可靠性,本文提出了一种不带电网电压传感器的三相 PWM 整流器。此外,该 PWM 整流器还具有较高的功率因数 [3]、[4]。在具体应用中,控制性能需要进一步提高。

为解决传统三相整流器矢量控制 [5], [6] 中动态响应弱和功率纹波大的问题,首次提出了模型预测控制(MPC),并将其应用于整流器 [7],用于抑制功率纹波。然而,功率预测精度有待提高。一般来说,直接功率控制通常与预测控制相结合,以实现更好的功率控制。有人提出了一种具有占空比控制功能的模型预测直接功率控制(MPDPC)[8]、[9],以降低平均开关频率和瞬时功率脉动。在 [10] 中,使用了强制两个非零电压矢量交替的方法来提高功率跟踪精度,但功率仍会受到较大的扰动。

为了实现电力电子设备的轻量化和小型化 [11],使用了无电网侧电压传感器,但是 MPDPC 依赖于电网的电压和电流参数 [12],[13]。因此,需要引入电压观测器来代替传感器硬件。

大多数电压观测器采用面向虚拟磁通量的控制[14],其中,传统的虚拟磁通量是通过直接对电压矢量进行纯积分计算求得的,但这会导致积分漂移和直流偏差。使用一阶低通滤波器(FOLP)[15] 代替纯积分计算,可以不选择积分的初始值。然而,它存在振幅误差和相位误差 [16]。为了减小误差,[17]、[18] 等文献在 FOLP 滤波器中加入了补偿增益,[19]-[21] 等文献提出了交叉补偿,这两种方法都可以消除直流偏置问题。为解决传统虚拟磁通量的缺陷,[22][25] 提出了使用二阶广义积分器的虚拟磁通量观测器,该观测器在平衡和不平衡电网电压下都能实现令人满意的控制,但在跟踪 信号时存在静态误差。为了提高观测精度,[26]-[28]中提出了使用二阶低通(SOLP)滤波器的虚拟磁通量观测器,它能有效解决积分偏移问题。然而,SOLP 滤波器无法消除磁通量观测器中的直流分量。在 SOLP 滤波器中加入二阶带通滤波器 [29],可以从虚拟通量中提取基波信号,提高预测精度。因此,电压-磁通观测器的性能还有待提高。

在上述分析的基础上,本文提出了一个

图 1.PWM 整流器的主电路。

改进的虚拟磁通模型预测电流控制(VFMPCC)策略。该策略为基于 SOLP 滤波器的虚拟磁通量观测器引入了带阻滤波器反馈。通过抑制重构电压矢量中的直流分量,电压估计精度得以大幅提高。然后,利用瞬时功率理论,建立目标成本函数以最小化功率误差,进而得出目标预测电流。针对信号滞后问题,采用两步预测电流法进行补偿,同时引入拉格朗日插值法修正预测电压值,提高预测精度。最后,改进的 VF-MPCC 与基于虚拟磁通的直接功率控制(VF-DPC)进行了实验验证。实验结果证明,改进型 VF-MPCC 的控制性能在功率纹波、动态响应和预测精度方面都有所提高。

本文结构如下。第二节介绍了 PWM 整流器的数学模型、电网电压估算和改进型虚拟磁通观测器的建模。第三节分析了 PWM 整流器的预测控制策略,包括电流模型预测控制策略和新的电压矢量预测。第四节介绍并分析了所有实验结果。最后,第五节得出结论。


II.利用电网电压传感器建立系统模型


A.PWM 整流器模型


三相 PWM 整流电路如图 1 所示。 是理想电网电压; 是电网侧等效电阻和滤波电感; 是电网侧相电流; 是交流侧电压; 是直流侧电容器; 是直流侧负载电流; 是直流侧负载电阻; 是直流侧母线电压。

根据两相固定坐标系的变换原理, 轴上三相 PWM 整流器的数学模型为 [19]:

图 2.改进型虚拟磁通量观测器的结构。

其中, 分别为 轴上的网侧电压和电流分量; 分别为 轴上的 侧电压分量; 分别为两相固定坐标系中的开关函数值。

为了消除网侧三相电压传感器,[30] 提出了虚拟磁通概念。由于虚拟磁通量矢量 滞后于网侧电压矢量 ,因此可以通过对网侧电压矢量进行积分,忽略内阻 ,得到虚拟磁通量表达式如下:


B.电网电压估算


根据 (2) 以及磁通量矢量 之间的关系,可得

从 (3) 和 (4) 可以得到电网电压的角度和幅值,它们与磁通量 有关。因此,电压矢量估计的准确性取决于虚拟磁通。


C.带带阻滤波器反馈的虚拟流量观测器模型


传统的虚拟磁通量观测器在 坐标系中直接计算 侧电压分量的纯积分。然而,计算结果会受到积分起始值选择的严重影响。这很可能导致积分漂移、输出饱和以及引入直流分量造成直流偏置。为了减少上述问题的影响,本文提出了一种虚拟磁通量观测器,它引入了带阻滤波器的反馈环节,以实现纯积分效果,并能抑制重建电压中的直流分量。其结构图如图 2 所示。

SOLP 滤波器的传递函数 和传递函数


图 2 中的带阻滤波器 的函数说明如下:

其中, 是 SOLP 滤波器的增益,此处取 等于基频角频率 是阻尼系数。A 取为传递函数 输出振幅的倒数。

从图 2 中可以得出如下结论:

将传递函数 代入 (7),可写成

等于 1 时,由 (8) 得出的虚拟磁通量观测器的传递函数可写成

由 (9) 可知,SOLP 滤波器的改进传递函数可表示为

代入(9),对(10)进行频率特性分析,结果如下:

由(11)可知,改进的虚拟通量可以达到纯积分的效果,并解决了由于初始积分值选择不当而导致的积分偏移问题。改进后的虚拟通量与纯积分计算的输出通量的比较如图 3 所示。从图 3 中可以发现,改进的虚拟通量算法计算出的虚拟通量沿零轴波动,其在一个周期内的平均值约为 0。

图 4 显示了 FOLP 滤波器、SOLP 滤波器和拟议方法分别得到的 Bode 图和虚拟通量圆。从图 4(a)和(b)中可以看出,在滤波器的基本原理上

图 3.纯整合虚拟通量与改进虚拟通量的比较。

(a)
(b)
(c)

图 4.博德图和虚拟通量圆。(a) 幅值特性。(b) 相位特征。(c) 三种方法的虚拟通量轨迹图。

,改进型 VF 的相位特性与普通 SOLP 相同,改进型 VF 的幅值特性曲线下移。从图 4(c)可以看出,通量圆的起始点位于通量圆的中心,但在 FOLP 滤波器的控制下,得到的通量圆并不稳定,启动过冲非常大。与 SOLP 滤波器相比


由于采用了拟议的控制方法,初始直流分量较小。


III.预测控制策略


A.预测电流控制策略


根据瞬时功率理论 [25],瞬时功率计算表达式为

将(4)代入(12)可以得到

由于采样周期大大短于电网基波周期,内阻 可以忽略不计,因此由(1)可得 时刻的电流离散值为

对 (13) 求导,经过离散化处理后,可得到 时刻的瞬时功率预测值[28]:

为实现最小瞬时功率误差,目标成本函数定义如下

时,可以实现瞬时功率误差的最小化。那么, 时刻的电流预测值可求得如下:
 地点

将 (17) 代入 (14) 即可得出:

但在实际系统中,信号处理不可能瞬间完成,可能会造成一个开关周期的信号滞后。为了补偿这一信号滞后,采用了两步预测法,即在 时刻再向后预测一拍,以达到补偿的目的。(13) 的二阶导数和离散化可以写为

此时,目标成本函数可重新定义为

通过 ,可使瞬时功率误差最小。然后,就可以求出 时刻的电流预测值,如下所示:
 地点

时刻,新的电压矢量值为


B.新电压矢量预测


由于 时刻的电网电压矢量值无法直接获得,而在传统的预测控制中,通常认为 。但是,当电网侧电压周期与采样周期相差很小时,就会带来很大的误差。本文提出在整流器中使用拉格朗日插值法来预测电网电压矢量 ,如 ,以提高电压矢量的精度。拉格朗日插值法的数学公式为

图 5.改进型 VF-MPCC 控制图。