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基于预测控制的三相逆变器负载电流控制性能的研究

发布日期:2020-01-23   来源:《变频器世界》19-10期   作者:康雪峰 李景媛   浏览次数:4288
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【摘   要】:本文介绍了一种预测电流控制方法及其在电压源型逆变器中的应用,该方法利用系统的离散时间模型来预测逆变器产生的所有可能电压矢量的未来负载电流值,建立并选择了具有最小代价函数的电压矢量。本文使用的代价函数在下一个采样周期评估当前的误差;将所提出的预测控制方法与滞环控制进行了比较。基于Simulink进行仿真,结果表明,该预测控制方法能有效地控制负载电流,且与传统控制相比性能良好。

 

  关键词:逆变器;预测电流控制;滞环控制;负载电流

 

 

1  引言

三相逆变器的电流控制是电力电子与电力传动领域中最重要、最经典的课题之一,并在最近几十年中得到了广泛研究。本文提到的预测控制策略基于以下原理,即通过静态功率变换器可以只产生有限个开关状态,并且可以使用系统模型去预测每一个开关状态所对应的变量的变化特性[1]。为了选择最合适的开关状态,需要建立一个代价函数用于评价需要控制的变量预测值。针对每一个可能的开关状态的未来值进行预测,然后选择使代价函数最小的开关状态[2]

本文介绍了预测电流控制策略的基本方法,并将其应用于三相逆变器的控制策略中。对该方法进行了介绍,建立了预测控制模型以及代价函数,并基于simulink平台进行仿真,仿真结果表明了预测电流控制策略在逆变器控制中的可行性,与经典的滞环控制策略的效果是一致的。

 

2  三相逆变器工作原理及其数学模型

本文提到的三相逆变器功率电路如图1所示,三相逆变器的功率电路实现从直流到交流的功率变换。功率变换的开关状态可以定义如下:
           
                                         

1  三相逆变器功率电路

2.1  负载模型

2.3  离散时间模型

采样时刻内的负载电流的离散时间可以用来预测负载电流的未来值。考虑到可以将负载模型简化成一阶系统,通过对导数的简化逼近获得离散时间模型[4]

3  三相逆变器控制策略

对于三相逆变器的控制方法中研究最多的课题之一是滞环电流控制。本文将对滞环电流控制方法进行简单介绍,详细介绍预测电流控制策略在逆变器控制中各模型的建立过程。

3.1  滞环电流控制

滞环电流控制一种非线性、闭环电流控制方法,这一方法通常又分为恒定滞环宽度法和同步开关法两大类,在恒定滞环宽度法中逆变器开关器件的开关频率不固定,但它能够实现负载电流的实时、准确跟踪;而同步开关法则能保证开关频率固定,但电流误差不能被严格的控制在滞环环宽内,有时甚至达到两倍环宽宽度处。在电流跟踪型逆变器的众多电流控制策略中,和其他电流控制方法相比,滞环电流控制具有以下的一些突出优点,如:实现简单、对负载参数变化不敏感,电流跟踪误差小等,同时,滞环电流控制也存在着开关频率过高、频率不稳定的问题,由于滞环电流控制的鲁棒性好和动态性能好的优点,这种控制方案还在不断地改进。

对于三相逆变器,滞环比较器将测得的各相负载电流与相应的参考电流进行比较,如图2所示,各比较器将确定相应的逆变器桥臂()的开关状态,因此负载电流便被强制在滞环带以内,但是由于各项之间存在相互影响,电流误差很难严格控制在滞环带的限值以内。

 

2  三相逆变器的滞环电流控制

 

3.2  预测电流控制

本文提到的预测电流控制是根据所建立的系统模型,来预测每一个功率变换器的开关状态,为了选择的合适的开关状态必须定义一个代价函数,将对要选择的变量的预测值进行评估。该控制策略的步骤可以归纳为:

1)建立系统模型及其可能的开关状态;

2)定义代价函数:

3)建立用于预测的负载模型。

电流控制方案的目标是使测量电流值和参考电流值之间的误差最小。可以将这一要求写成代价函数的形式,代价函数可以由直角坐标的形式表示[5]

                       (12)

式中,是对于给定电压矢量下预测负载电流矢量的实部和虚部。

3给出了应用于三相逆变器电流控制的预测控制策略框图。

 

3  逆变器电流预测控制策略

 

4  仿真

本文基于Simulink仿真平台针对逆变器的预测电流控制和滞环电流控制进行了仿真,并进行对比。需要提及的是,对于仿真和实验结果,假设负载反电动势为幅值不变和频率固定的正弦波。

4.1  仿真模型

三相逆变器Simulink仿真模型如图4所示。

 

(a) 预测电流控制仿真模型

 

(b) 滞环控制仿真模型

4  三相逆变器Simulink仿真模型

通过正弦波模块可以产生三相参考电流,通过所需要的幅值、频率和相位角对正弦波电源参数进行配置,对三相电流可以直接应用预测控制算法。本文所使用的部分仿真参数如下:

负载参数R=10[Ohm],L=10e-3[H],e=100[V],f_e=50*(2*pi);参考电流I_ref_peak=10[A];仿真采用ode5算法。

 

                                (13)                                                                                           

4.2  仿真结果


 

 

4.3  与传统控制策略比较

8(a)给出了采样时间为25时参考电流矢量的幅值阶跃变化下的负载电流,可以看出负载电流以快速的动态速度跟随参考电流。图8(b)为滞环电流控制下参考电流矢量幅值阶跃变化下的负载电流,通过对比可以看出,预测电流控制策略在逆变器控制中的可行性,其性能与经典的滞环控制是一样的,并且在负载电流的动态响应效果上略优于滞环电流控制。

 

 

 

5  总结

本文针对三相逆变器预测电流控制策略和经典滞环电流控制策略进行了仿真实现。包括不同采样时间下的稳态负载电流变化情况;参考电流矢量幅值阶跃变化下的负载电流跟随情况。将预测电流控制策略与滞环电流控制进行对比,结果表明,该控制方法能够有效地控制负载电流,在电流阶跃状态下有良好的动态跟踪性能,而且控制策略简单有效,充分考虑到功率器件的离散性。如今,DSP的计算能力越来越高,使得这种控制方法更加有效。

 


  



 
 
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