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专利号: 2022103468747
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2025-12-24
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种三相PWM变换器六功率鲁棒模型预测控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,建立三相电网不平衡条件下考虑六功率参数的三相PWM变换器鲁棒功率预测模型;

步骤2,基于步骤1的鲁棒功率预测模型,预测下一控制周期的三相PWM变换器功率值;

步骤3,定义价值函数并通过最小化价值函数求取下一控制周期最优电压矢量作用时间;

步骤4,基于空间矢量脉冲宽度调制方法,生成下一个控制周期三相PWM变换器开关状态。

2.根据权利要求1所述的一种三相PWM变换器六功率鲁棒模型预测控制方法,其特征在于,所述的步骤1,具体做法是:

建立三相电网不平衡条件下考虑六功率参数的三相PWM变换器鲁棒功率预测模型为:其中,P为三相PWM变换器平均有功功率分量,Pc2为三相PWM变换器余弦二次有功功率分量,Ps2为三相PWM变换器正弦二次有功功率分量,Q为三相PWM变换器平均无功功率分量,Qc2为三相PWM变换器余弦二次无功功率分量,Qs2为三相PWM变换器正弦二次无功功率分量;

分别为以上功率分量P,Pc2,Ps2,Q,Qc2,Qs2的导数; 分别表示三相PWM变换器三相输入电压Ua,Ub,Uc在两相静止(αβ)坐标系下的正序分量, 分别表示三相PWM变换器三相输入电压Ua,Ub,Uc在两相静止(αβ)坐标系下的负序分量, 分别表示三相PWM变换器三相输入电流Ia,Ib,Ic在两相静止(αβ)坐标系下的正序分量, 分别表示三相PWM变换器三相输入电流Ia,Ib,Ic在两相静止(αβ)坐标系下的负序分量; 为三相PWM变换器电路等效电阻估计值,为三相PWM变换器输入滤波电感估计值;ω=2πf为三相PWM变换器输入三相交流电压角频率,f为输入三相交流电压频率;Urα=SαUdc,Urβ=SβUdc为控制分量,Sα,Sβ分别为三相PWM变换器三相桥臂开关状态Sa,Sb,Sc在两相静止(αβ)坐标系下的开关分量,三相桥臂开关状态Sa,Sb,Sc定义为Si=1(i=a,b,c)表明i桥臂上开关管闭合,下开关管断开,Si=0(i=a,b,c)表明i桥臂上开关管断开,下开关管闭合;kp,kpc,kps,kq,kqc,kqs分别为不同功率分量计算式的鲁棒项增益,tanh()为双曲正切函数,Sp,Spc,Sps,Sq,Sqc,Sqs分别为针对不同功率分量定义的滑模面,φ1,φ2,φ3,φ4,φ5,φ6分别为滑模面Sp,Spc,Sps,Sq,Sqc,Sqs的宽度,公式(1)中,不同功率分量计算式中鲁棒项增益kp,kpc,kps,kq,kqc,kqs定义为:其中, 为三相PWM变换器电路等效电阻变化范围, 为三相PWM变换器输入滤波电感变化范围,||为取绝对值操作;

公式(1)中,滑模面Sp,Spc,Sps,Sq,Sqc,Sqs定义为:其中,Pr为三相PWM变换器平均有功功率分量P的期望值,Pc2r=0为三相PWM变换器余弦二次有功功率分量Pc2的期望值,Ps2r=0为三相PWM变换器正弦二次有功功率分量Ps2的期望值,Qr=0为三相PWM变换器平均无功功率分量Q的期望值,Qc2r=0为三相PWM变换器余弦二次无功功率分量Qc2的期望值,Qs2r=0为三相PWM变换器正弦二次无功功率分量Qs2的期望值;

滑模面Sp,Spc,Sps,Sq,Sqc,Sqs的宽度φ1,φ2,φ3,φ4,φ5,φ6定义为:其中,λ1,λ2,λ3,λ4,λ5,λ6为滑模面宽度φ1,φ2,φ3,φ4,φ5,φ6的变换增益。

3.根据权利要求1所述的一种三相PWM变换器六功率鲁棒模型预测控制方法,其特征在于,所述的步骤2,具体做法是:

定义不同的三相桥臂开关状态Sa,Sb,Sc组合为不同的电压矢量,表示为Vm=[SaSbSc](m=0,1,…,7),则有V0=[000],V1=[001],V2=[010],V3=[011],V4=[100],V5=[101],V6=[110],V7=[111],假设在第k个控制周期开始时刻,三相电网电压不平衡条件下三相PWM变换器六个功率分量值分别为P(k),Pc2(k),Ps2(k),Q(k),Qc2(k),Qs2(k);经过操作电压矢量U1(由非零电压矢量V1~V6中选择)作用T1时间后,六个功率分量值分别变为:其中,ep1,epc1,eps1,eq1,eqc1,eqs1分别为六个功率分量P,Pc2,Ps2,Q,Qc2,Qs2在电压矢量U1作用T1时间后的功率变化量;

类似地,通过操作电压矢量U2(由非零电压矢量V1~V6中选择)作用T2时间及操作电压矢量U0(由零电压矢量V0及V7中选择)作用T0时间后,三相电网电压不平衡条件下三相PWM变换器第k+1个控制周期的六个功率分量值P(k+1),Pc2(k+1),Ps2(k+1),Q(k+1),Qc2(k+1),Qs2(k+

1)分别为:

其中,ep2,epc2,eps2,eq2,eqc2,eqs2分别为六个功率分量P,Pc2,Ps2,Q,Qc2,Qs2在操作电压矢量U2作用T2时间后的功率变化量,ep0,epc0,eps0,eq0,eqc0,eqs0分别为六个功率分量P,Pc2,Ps2,Q,Qc2,Qs2在操作电压矢量U0作用T0时间后的功率变化量,Ts=T1+T2+T0为控制周期;

不同操作电压矢量Uj(j=0,1,2)作用下的六个功率分量变化量epj,epcj,epsj,eqj,eqcj,eqsj(j=0,1,2)可通过鲁棒预测模型(1)式计算得到,表示为:式(6)中,不同作用电压矢量Uj(j=0,1,2)可通过对于三相PWM变换器输入三相交流电压划分扇区并从8个电压矢量Vm(m=0,1,…,7)选择获得。在扇区1中,操作电压矢量Uj(j=

0,1,2)分别选取为U0=V0或V7,U1=V2,U2=V6;在扇区2中,操作电压矢量Uj(j=0,1,2)分别选取为U0=V0或V7,U4=V2,U2=V5;在扇区3中,操作电压矢量Uj(j=0,1,2)分别选取为U0=V0或V7,U1=V4,U2=V6;在扇区4中,操作电压矢量Uj(j=0,1,2)分别选取为U0=V0或V7,U1=V1,U2=V3;在扇区5中,操作电压矢量Uj(j=0,1,2)分别选取为U0=V0或V7,U1=V2,U2=V3;在扇区6中,操作电压矢量Uj分别选取为U0=V0或V7,U1=V1,U2=V5,j=0,1,2;

对应不同电压矢量作用下的三相PWM变换器控制分量Urα和Urβ可表示为:电压矢量V1作用下Urα=‑Udc/3, 电压矢量V2作用下Urα=‑Udc/3, 电压矢量V3作用下Urα=‑2Udc/3,Urβ=0;电压矢量V4作用下Urα=2Udc/3,Urβ=0;电压矢量V5作用下Urα=Udc/3, 电压矢量V6作用下Urα=Udc/3, 电压矢量V0及V7作用下Urα=0,Urβ=0。

4.根据权利要求1所述的一种三相PWM变换器六功率鲁棒模型预测控制方法,其特征在于,所述的步骤3,具体做法是:

定义考虑六功率参数的鲁棒模型预测控制方法价值函数J如下式所示:

2 2 2 2 2 2

J=Ep+w1Epc+w2Eps+w3Eq+w4Eqc+w5Eqs  (8)其中Ep=Pr‑P(k+1),Epc=Pcr‑Pc2(k+1),Eps=Psr‑Ps2(k+1),Eq=Qr‑Q(k+1),Eqc=Qcr‑Qc2(k+1),Eqs=Qsr‑Qc2(k+1)分别为六功率参数期望值与下一控制周期(k+1时刻)预测值间的误差;w1,w2,w3,w4,w5分别为权值以平衡各功率参数误差在价值函数中所起效果,最小化价值函数J,即对于价值函数求导以获得使价值函数达到最小的电压矢量作用时间T0,T1和T2,表示为:

其中 表示对电压矢量作用时间T1求偏导数, 表示对电压矢量作用时间T2求偏导数,

基于公式(2)‑(9),解得:

其中:

F1=(Pr‑P(k)‑ep0Ts)(ep0‑ep1)‑w1(Pc2(k)+epc0Ts)(epc0‑epc1)‑w2(Ps2(k)+eps0Ts)(eps0‑eps1)‑w3(Q(k)+eq0Ts)(eq0‑eq1)‑w4(Qc2(k)+eqc0Ts)(eqc0‑eqc1)‑w5(Qs2(k)+eqs0Ts)(eqs0‑eqs1),F2=(Pr‑P(k)‑ep0Ts)(ep0‑ep2)‑w1(Pc2(k)+epc0Ts)(epc0‑epc2)‑w2(Ps2(k)+eps0Ts)(eps0‑eps2)‑w3(Q(k)+eq0Ts)(eq0‑eq2)‑w4(Qc2(k)+eqc0Ts)(eqc0‑eqc2)‑w5(Qs2(k)+eqs0Ts)(eqs0‑eqs2),

2 2 2 2 2 2

F3=(ep0‑ep1) +w1(epc0‑epc1) +w2(eps0‑eps1) +w3(eq0‑eq1) +w4(eqc0‑eqc1) +w5(eqs0‑eqs1) ,

2 2 2 2 2 2

F4=(ep0‑ep2) +w1(epc0‑epc2) +w2(eps0‑eps2) +w3(eq0‑eq2) +w4(eqc0‑eqc2) +w5(eqs0‑eqs2) ,F5=(ep0‑ep1)(ep0‑ep2)+(epc0‑epc1)(epc0‑epc2)+(eps0‑eps1)(eps0‑eps2)+(eq0‑eq1)(eq0‑eq2)+(eqc0‑eqc1)(eqc0‑eqc2)+(eqs0‑eqs1)(eqs0‑eqs2).。

5.根据权利要求1所述的一种三相PWM变换器六功率鲁棒模型预测控制方法,其特征在于,所述的步骤4,具体做法是:

1)依据当前时刻三相PWM变换器输入三相交流电压值判定所在扇区N并获得当前扇区的操作电压矢量U0,U1和U2,扇区判定过程表示为:

取Uab=Ua‑Ub,Ubc=Ub‑Uc,Uca=Uc‑Ua,

若Uab>0,则A=1,否则A=0,

若Ubc>0,则B=1,否则B=0,

若Uca>0,则C=1,否则C=0,

则有扇区:N=A+2B+4C,(11);

其中Uab为三相PWM变换器交流侧a,b相间的线电压,Ubc为三相PWM变换器交流侧b,c相间的线电压,Uca为三相PWM变换器交流侧c,a相间的线电压;A,B,C为计算参数,无实际物理意义;N为扇区值;

2)依据步骤3电压矢量作用时间计算结果T0,T1和T2,依据空间矢量脉冲宽度调制方法生成三相PWM变换器不同桥臂开关状态。