高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法及系统

1.本公开属于电力电子变换器模型预测控制技术领域，具体涉及一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.高频链矩阵变换器是一种单级拓扑，具有能量密度相对较高、输入输出隔离、功率双向流动等优点，在电动汽车充电、储能、微网、等领域中具有广阔的应用前景。
4.工程应用中，高频链矩阵变换器的直流侧需要具有高稳态精度和快动态响应，以满足负载需求；交流侧与电网直接相连，需保证网侧电流低谐波、可灵活调控无功功率等。然而，传统控制方法难以同时满足上述交流、直流侧的综合性能需求；尤其是，高频链矩阵变换器具有输入、输出滤波器及高频变压器，属高阶非线性系统，其精确数学模型的建立及高性能控制较为困难。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本公开提出了一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法及系统，不依赖系统精确数学模型，对模型参数不敏感，无需锁相环及复杂参数调整，不仅能够满足变换器直流侧高稳态精度及快动态响应需求，还能够保证网侧电流低谐波及无功功率可控，易于数字化实现。
6.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，采用如下技术方案：
7.一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，包括以下步骤：
8.基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；
9.根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；
10.其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。
11.作为进一步的技术限定，在得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值之后，根据空间矢量脉冲宽度调制原理，利用基本有效电流矢量进行预测参考电流矢量的合成。
12.进一步的，所述预测参考电流矢量的合成过程在αβ坐标系下进行，不需要电网电压相位信息和电压锁相环。
13.作为进一步的技术限定，所述高频链矩阵变换器包括输入滤波器、矩阵变换器、高频变压器及输出侧不控整流桥和输出滤波器。
14.进一步的，所述矩阵变换器采用六组双向开关管组，其中，每组开关管组包括两只反向串联的开关管。
15.进一步的，所述高频链矩阵变换器输入侧功率模型的构建过程为：
16.根据基尔霍夫电压定律及电流定律，得到输入滤波器在abc坐标系下的数学模型；
17.对所得到的数学模型进行clarke变换，得到输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型；
18.根据瞬时功率理论，基于输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型得到高频链矩阵变换器输入侧功率模型。
19.进一步的，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型的构建过程为：
20.基于高频链矩阵变换器输入侧功率模型得到输入侧有功及无功功率和下一采样时刻与当前采样时刻的采样差值；
21.对所述输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型进行离散化，得到输入滤波器离散化数学模型；
22.根据所得到的下一采样时刻与当前采样时刻的采样差值，以及输入滤波器离散化数学模型，得到有功功率与无功功率在两个采样周期中的差值和下一采样时刻输入电流预测值与当前采样值之间的差值，即得到下一采样时刻参考输入电流矢量预测模型。
23.作为进一步的技术限定，为保证有功功率及无功功率的精确控制，在无差拍参考电流矢量预测数学模型的构建过程中，有功功率与无功功率在下一采样时刻的预测值与给定参考值相等。
24.作为进一步的技术限定，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型与采样周期和高频链矩阵变换器的参数无关，仅与当前时刻采样值及下一采样时刻功率给定值有关。
25.根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制系统，采用了第一方案中所提供的高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，采用如下技术方案：
26.一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制系统，包括：
27.建模模块，被配置为基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；
28.预测模块，被配置为根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；
29.其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。
30.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
31.1.本公开在两相静止坐标系下对有功、无功功率进行控制，系统不需要电压锁相环，有效降低了系统复杂度；
32.2.本公开中的无差拍预测模型直接对下一采样时刻的参考电流矢量进行预测，不再根据传统模型预测控制中目标函数滚动优化选择电流矢量，降低了算法复杂度；固定了开关频率，有效降低了磁性元件的设计难度；
33.3.本公开所建立预测模型中不涉及输入输出滤波器及高频变压器参数，对上述参数变化及相应扰动不敏感，抗扰性强。
附图说明
34.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
35.图1是本公开实施例一中的高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法的流程图；
36.图2是本公开实施例一中的高频链矩阵变换器的拓扑结构图；
37.图3是本公开实施例一中的输入电压扇区划分示意图；
38.图4是本公开实施例一中的扇区划分及电流矢量合成的原理图；
39.图5是本公开实施例一中的基于直接功率的无差拍参考电流矢量预测控制原理框图；
40.图6是本公开实施例一中的输出电压响应速度的示意图；
41.图7是本公开实施例一中的电网侧电压电流的波形示意图；
42.图8是本公开实施例一中的高频高效功率变换直接功率快速精准控制系统的结构框图。
具体实施方式
43.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
44.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
45.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
46.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
47.实施例一
48.本公开实施例一介绍了一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法。
49.如图1所示的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，包括以下步骤：
50.基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；
51.根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；
52.其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。
53.本实施例中的高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法基于直接功率控制，直接在两相静止坐标系对交流、直流侧的有功及无功功率进行控制，无需使用系统电压锁相环，并且保证了输出控制精度及输入侧功率因数可控。利用无差拍预测控制方法，建立高频链矩阵变换器输入侧功率模型，根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，预测下一采样时刻所需的参考电流矢量，并利用基本有效电流矢量对预测参考电流矢量进行合成。所提的无差拍预测模型不再使用传统模型预测算法中的目标函
数，而是直接对下一采样时刻参考电流矢量进行预测，有效减少了预测算法计算复杂度，实现了固定开关频率控制。预测参考电流矢量的应用，保证了输出侧快速的动态响应速度。另外，所建立的参考电流矢量预测模型，不受输入输出滤波器及高频变压器参数影响，具备一定的抗扰性。
54.作为一种或多种实施方式，对高频链矩阵变换器拓扑进行相应介绍，并建立一般数学模型；在两相静止坐标系下，设计基于直接功率的参考电流矢量无差拍预测模型，利用当前采样时刻的采样值与下一时刻的有功、无功功率指令值，对下一采样时刻的参考电流矢量进行预测；根据空间矢量脉冲宽度调制(space vectors pulse wide modulation，简称svpwm)原理，利用基本有效电流矢量，对得到的预测参考电流矢量进行合成，并计算出相应矢量作用时间。
55.如图2所示的一种高频链矩阵变换器，包括输入滤波器、矩阵变换器、高频变压器及输出侧不控整流桥和输出滤波器；其中，uj和ij(j＝a,b,c)为电网输入电压和电流；vj和i
jt
为矩阵变换器输入电压和电流；lj和cj为输入滤波电感和电容；uo和io分别是输出侧电压和电流；lo、co为负载侧滤波电感和电容。矩阵变换器由六只双向开关组成，每个双向开关为两支mosfet背对背连接。高频变压器将输入侧和输出侧隔离。不控整流器将单相高频交流电压转换为直流电压，经lc滤波器连接至负载。
56.根据基尔霍夫电压定律及电流定律，输入滤波器在abc坐标系下的数学模型可表示为
[0057][0058]
经过clarke变换，得到输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型
[0059][0060][0061]
其中，u
α
、u
β
、i
α
、i
β
分别为电网电压、电网电流α轴和β轴分量，v
α
、v
β
、i
αt
、i
βt
分别为矩阵变换器输入电压、电流α轴和β轴分量。
[0062]
clarke变换矩阵为
[0063]
[0064]
根据瞬时功率理论，输入侧有功及无功功率可表示为
[0065][0066]
其中，p代表有功功率，q代表无功功率。根据功率守恒定律，忽略传导损耗及开关管开关损耗，可以认为输入侧与输出侧有功功率相等，即有
[0067]
p
ac
＝p
dc
＝u
αiα
+u
βiβ
＝u
oio
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0068]
基于高频链矩阵变换器一般数学模型及瞬时功率理论，设计本实施例中所提出的无差拍参考电流矢量预测数学模型。利用瞬时功率理论，根据当前采样时刻的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，对下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。
[0069]
电网侧瞬时有功及无功功率如公式(5)所示。根据公式(5)，下一采样时刻与当前采样时刻的采样差值可表示为
[0070][0071]
其中，k表示当前时刻采样值，k+1表示下一采样时刻的预测值。由于变换器开关频率远远大于电网电压频率，可以认为相邻采样时刻，电网电压保持不变。对输入滤波器模型公式(2)进行离散化，得到输入滤波器离散化数学模型
[0072][0073]
其中，t代表系统采样周期。根据公式(7)和公式(8)，可以得到有功功率与无功功率在两个采样周期中的差值公式
[0074][0075]
由公式(7)、公式(8)和公式(9)，可以得到下一采样时刻输入电流预测值与当前采样值之间的差值为
[0076][0077]
由此得到下一采样时刻参考输入电流矢量预测模型
[0078][0079]
为保证有功功率及无功功率的精确控制，令有功功率与无功功率在下一采样时刻的预测值与给定参考值相等，即有
[0080][0081]
其中，p
*
、q
*
分别代表有功功率与无功功率的给定值。
[0082]
由公式(11)可知，本实施例所提出的无差拍参考电流矢量预测模型，与采样周期、
滤波器电感电容参数等无关，仅与当前时刻采样值及下一采样时刻功率给定值有关，因此对上述参数扰动不敏感，保证了一定的抗扰性。此外，无差拍预测模型算法简单，克服了传统模型预测目标函数滚动优化计算的复杂性，同时，参考电流矢量的预测也保证了输出动态响应的快速性，并能够实现开关频率的固定。
[0083]
根据svpwm原理，在αβ坐标系对本实施例提出的预测参考电流矢量进行合成。由于矢量合成计算在αβ坐标系下进行，不需要电网电压相位信息，故所提策略不需要电压锁相环。
[0084]
根据三相电网电压幅值大小，将电网电压在一个周期内划分为六个扇区。由于矩阵变换器输入侧不能短路，输出侧不能断路，矩阵变换器工作时，存在9种不同的电流流通路径，定义为9条基本电流矢量。其中，包括6条有效电流矢量及3条零电流矢量。在每个扇区内，由相邻的两条有效电流矢量及一条零电流矢量对预测参考电流矢量进行合成。扇区划分及各扇区相邻有效电流矢量分别如图3和图4所示。
[0085]
如图4所示，i
ab
～i
cb
为六条有效电流矢量，i
aa
、i
bb
、i
cc
为三条零电流矢量，ⅰ～ⅵ为相应的扇区，i
*
为预测参考电流矢量，其以电网频率在αβ坐标系逆时针旋转。在任意扇区，预测参考电流矢量均由其相邻的两条有效电流矢量及一条零矢量合成。以i
*
位于第一扇区为例，正半开关周期，有效电流矢量i
ab
、i
ac
及零电流矢量i
aa
参与预测参考电流矢量合成，在负半周期，由i
ab
、i
ac
的相反矢量i
ba
、i
ca
及i
aa
参与合成。正负半周期交替合成，在变压器初级侧形成正负交替的高频电压。根据矢量合成原理，正半周期内，有效电流矢量在α、β轴上的分量可以表示为
[0086][0087]
其中，i
αref
、i
βref
分别为i
*
在α、β轴上的分量,d
ab
、d
ac
、d
aa
分别为电流矢量i
ab
、i
ac
、i
aa
在正半个开关周期内的作用时间，t为开关周期。由公式(13)可得各矢量作用时间为
[0088][0089]
其中，|ia|为有效电流矢量幅值。同理可计算得任意扇区正半周期内各矢量作用时间，令则各扇区内适量作用时间如表1所示：
[0090]
表1各扇区内适量作用时间
[0091][0092]
根据瞬时功率理论及参考电流矢量预测算法，对基于直接功率的无差拍参考电流矢量预测控制方法进行设计。
[0093]
本实施例所提控制方法分为两部分，分别为功率外环和功率内环。其中，功率外环采用pi控制，通过对直流侧电压进行采样，利用pi控制器得到直流侧电流参考值i
oref
，根据公式(6)，将其与直流侧电压采样值相乘，得到有功功率参考值p*，其值作为功率内环的输入之一。所提控制策略以高频链矩阵变换器应用于电动汽车充电系统为例，电网侧电压电流要求同相位，因此此处直接令无功功率参考值q*＝0。功率内环采用直接功率无差拍参考电流矢量模型预测控制，实现有功及无功功率的精确跟踪。对当前时刻电网电压、电流进行采样，并将采样值由abc坐标系变换至αβ坐标系，得到u
α
(k)、u
β
(k)、i
α
(k)、i
β
(k)，并根据当前时刻采样值，对电网侧瞬时功率进行计算，得到当前时刻瞬时有功及无功功率p(k)、q(k)。之后，根据所提参考电流矢量预测模型，利用当前采样时刻电网电压、电流采样及下一采样时刻功率参考值，对下一采样周期的参考电流矢量进行预测，得到下一采样周期的预测参考电流矢量。最后，根据矢量合成原理，利用得到的预测参考电流矢量进行各矢量作用时间的计算，得到用于驱动矩阵变换器mosfet的pwm。整个控制方法原理框图如图5所示。
[0094]
本实施例所提出的控制算法，基于直接功率控制，对有功和无功功率直接进行控制，保证了直流侧有功功率高稳态精度，以及电网侧无功功率可控；无差拍参考电流矢量模型预测控制方法使得整个系统具有快速的动态响应，并且实现了预测算法的定频控制；整个控制策略在αβ坐标系下进行设计，省略了αβ/dq复杂的坐标变换，因此不需要电网电压锁相环；所设计的无差拍参考电流矢量模型预测方法，无需进行传统模型预测算法的滚动优化，计算量少且易于实现；所设计的无差拍参考电流矢量预测模型中，不涉及采样频率、输入滤波器电感电容等参数，因此对上述参数扰动不敏感，具备一定的抗扰性。
[0095]
为了验证本实施例提出的高频链矩阵变换器基于直接功率的无差拍参考电流矢量预测控制方法的有效性，在matlab/simulink环境下搭建了仿真模型，模型参数如表2所示。
[0096]
表2模型参数
[0097][0098]
为了验证本实施例所提基于直接功率的无差拍参考电流矢量模型预测控制方法具有较快的动态响应，在相同的模型参数下，与传统基于pi的直接功率控制方法进行了比较。在两种策略下，输出侧电压的动态响应如图6所示。t＝0.2s时，输出电压参考值由280v突变为320v，在本实施例所提控制方法下，输出电压动态响应速度约为8ms,而采用传统基于pi算法的直接功率控制方法，动态响应约为15ms。本实施例所提的控制方法具有较快的动态响应。图7则验证了该过程中所提控制方法的电网侧性能。如图7所示，所提控制方法在电网侧也能实现较快的响应速度，同时保证单位功率因数，反映了所提方法对无功功率也能实现有效控制。
[0099]
实施例二
[0100]
本公开实施例二介绍了一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制系统，采用了实施例一中所介绍的高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法。
[0101]
如图8所示的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制系统，包括：
[0102]
建模模块，被配置为基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；
[0103]
预测模块，被配置为根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；
[0104]
其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。
[0105]
详细步骤与实施例一提供的高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法相同，在此不再赘述。
[0106]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

技术特征：
1.一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，包括以下步骤：基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。2.如权利要求1中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，在得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值之后，根据空间矢量脉冲宽度调制原理，利用基本有效电流矢量进行预测参考电流矢量的合成。3.如权利要求2中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，所述预测参考电流矢量的合成过程在αβ坐标系下进行，不需要电网电压相位信息和电压锁相环。4.如权利要求1中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，所述高频链矩阵变换器包括输入滤波器、矩阵变换器、高频变压器及输出侧不控整流桥和输出滤波器。5.如权利要求4中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，所述矩阵变换器采用六组双向开关管组，其中，每组开关管组包括两只反向串联的开关管。6.如权利要求4中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，所述高频链矩阵变换器输入侧功率模型的构建过程为：根据基尔霍夫电压定律及电流定律，得到输入滤波器在abc坐标系下的数学模型；对所得到的数学模型进行clarke变换，得到输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型；根据瞬时功率理论，基于输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型得到高频链矩阵变换器输入侧功率模型。7.如权利要求6中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型的构建过程为：基于高频链矩阵变换器输入侧功率模型得到输入侧有功及无功功率和下一采样时刻与当前采样时刻的采样差值；对所述输入滤波器在αβ坐标系下的数学模型进行离散化，得到输入滤波器离散化数学模型；根据所得到的下一采样时刻与当前采样时刻的采样差值，以及输入滤波器离散化数学模型，得到有功功率与无功功率在两个采样周期中的差值和下一采样时刻输入电流预测值与当前采样值之间的差值，即得到下一采样时刻参考输入电流矢量预测模型。8.如权利要求1中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，为保证有功功率及无功功率的精确控制，在无差拍参考电流矢量预测数学模型的构建过程中，有功功率与无功功率在下一采样时刻的预测值与给定参考值相等。9.如权利要求1中所述的一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，其特征在于，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型与采样周期和高频链矩阵变换器的参数无关，仅与当前时刻采样值及下一采样时刻功率给定值有关。
10.一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制系统，其特征在于，包括：建模模块，被配置为基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；预测模块，被配置为根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。

技术总结
本公开属于电力电子变换器模型预测控制技术领域，提供了一种高频高效功率变换直接功率快速精准控制方法，包括以下步骤：基于高频链矩阵变换器拓扑构建高频链矩阵变换器输入侧功率模型；根据所构建的高频链矩阵变换器输入侧功率模型和预设的无差拍参考电流矢量预测数学模型，得到下一采样时刻的参考电流矢量的预测值；其中，所述无差拍参考电流矢量预测数学模型根据当前时刻电网电压、电流的采样值及下一时刻有功、无功功率指令值，直接基于下一采样时刻的参考电流矢量进行预测。一采样时刻的参考电流矢量进行预测。一采样时刻的参考电流矢量进行预测。


技术研发人员：段彬 李祥杰 张承慧 宋金秋 万东祥 吴高桐
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8