阅读说明：本技术 一种pwm整流器控制方法及装置 (PWM rectifier control method and device ) 是由 尚敬 张少云 佘岳 徐凤星 盛建科 谭宇 戴茜茜 黄禹文 彭韬 江海啸 于 2018-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种PWM整流器控制方法及装置,包括如下步骤：S1.通过预测获取预设个数的控制矢量预测值；S2.对所述控制矢量预测值进行排列组合,得到不同的矢量序列；S3.从所述矢量序列中选择开关次数最少的矢量序列作为PWM整流器的控制序列。具有能够在保证预测周期不变的情况下有效限制系统的开关频率,并能保证系统的动态性能,简单、响应速度快,处理系统约束灵活等优点。(The invention discloses a PWM rectifier control method and a device, comprising the following steps: s1, obtaining control vector predicted values of a preset number through prediction; s2, arranging and combining the control vector predicted values to obtain different vector sequences; and S3, selecting the vector sequence with the least switching times from the vector sequences as a control sequence of the PWM rectifier. The method has the advantages of effectively limiting the switching frequency of the system under the condition of ensuring that the prediction period is not changed, ensuring the dynamic performance of the system, along with simplicity, high response speed, flexible constraint of the processing system and the like.)

一种PWM整流器控制方法及装置

技术领域

本发明涉及PWM整流器控制技术领域，尤其涉及一种PWM整流器控制方法及装置。

背景技术

控制直流侧电压，维持直流母线电压的恒定，它的输出作为交流电流(或功率)内环的交流电流(或功率)指令，利用交流电流(或功率)内环快速、及时地调整交流侧的电流，抑制负载扰动影响，使实际交流电流能够快速跟踪交流电流指令，实现单位功率因数控制。在双环控制中，电压外环与电流(或功率)内环在速度上必须进行配合，外环要比内环慢得多。这类控制主要包括电压定向矢量控制(VOC)和直接功率控制(DPC)。

如今VOC是PWM整流器控制中应用广泛的控制策略之一，系统的静态性能良好，但动态性能受制于PI调节器，动态性能无法达到很高的指标。

传统的DPC无需电流内环整定，故动态响应快速，有较好的鲁棒性且控制结构简单。DPC通过一个幵关矢量表，直接选择合适的矢量对有功、无功实施bang-bang控制。DPC控制效果依赖于矢量表的精确程度，且开关频率不固定，系统稳态性能差，稳态时纹波较大，需要很高的采样频率才能获得较好的稳态性能，对硬件要求较高，同时电流波形也不够正弦，具有较多的高频谐波分量。

模型预测控制(model predictive control，MPC)最初由学者Richalet和Cutler于1978年首次提出。经过30多年的发展，在复杂工业过程控制领域中取得巨大成功，展现出处理复杂约束优化控制问题时的显著优势。进入21世纪，随着DSP和FPGA技术的发展，及人们对系统控制目标及约束要求的增加，MPC逐步被应用到电力电子和运动控制领域中。

2007年，智利学者Jose Rodriguez利用电力电子变换器存在包含有限种开关状态的固有特性，提出变流器的有限控制集模型预测控制(finite control set modelpredictive control，FCS-MPC)方案，将完整的MPC方案引入变流器控制中，控制系统包含模型预测、滚动优化两个部分，其结构简单、动态响应迅速、处理系统约束灵活且无需PWM调制器和相关参数设计。该方案中，预测和优化模式是对最优控制的修正，建模方便；采用滚动优化策略，使模型失配、畸变、干扰等引起的不确定性及时得到弥补，提高了抗扰性和适应性；但是由于无固定开关频率且开关频率较高，使其在大功率PWM整流器方面难以得到工程化应用。

专利申请号为201610983876.1，名称为《一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略》是本申请的背景技术文件，该文件为了减低开关频率减少损耗，通过计算并使用另价值函数最小时各备选电压矢量最佳占空比，实现基于磁链矢量的转矩控制策略，但是，由于其每个预测周期还是会更新开关组合，采用该方法对开关频率的降低非常有限。

现有技术中存在的缺陷主要包括：1、每次计算都输出一个最优开关组合，当预测周期较小时，就会导致开关频率过高；2、采用加长预测周期的方法能降低开关频率，但是当预测周期加长后，会引起谐波的增加，从而影响系统的控制性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够在保证预测周期不变的情况下有效限制系统的开关频率，并能保证系统的动态性能，简单、响应速度快，处理系统约束灵活的PWM整流器控制方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种PWM整流器控制方法，包括如下步骤：

S1.通过预测获取预设个数的控制矢量预测值；

S2.对所述控制矢量预测值进行排列组合，得到不同的矢量序列；

S3.从所述矢量序列中选择开关次数最少的矢量序列作为PWM整流器的控制序列。

进一步地，所述步骤S1的具体步骤包括：

S1.1.通过预设的预测模型，根据前一作用周期的输出和当前作用周期的控制矢量预测值计算得到当前作用周期的输出；

S1.2.通过所述预设的预测模型，根据所述当前作用周期的控制矢量预测值和所述当前作用周期的输出，预测下一作用周期的控制矢量可能值；

S1.3.从所述控制矢量可能值中选择与预设参考值最接近的值作为下一作用周期的控制矢量预测值。

进一步地，步骤S2中对所述控制矢量预测值进行排列组合满足预设的约束条件；所述约束条件至少包括以下中的任意一项：

A.在任意一个控制周期内，发生变化的开关数少于等于第一预设值；

B.在任意一个作用周期内，发生变化的开关数少于等于第二预设值；

C.前一作用周期的最后一个开关状态是下一作用周期的第一个开关状态。

进一步地，所述约束条件还包括：

D.所述矢量序列中零矢量为所述矢量序列中的起始位置或结束位置。

进一步地，所述约束条件还包括：

E.对于每一相，按照先导通后关断的原则排列。

进一步地，所述约束条件还包括：

F.对于每一相，只开关一次。

进一步地，所述第一预设值为1，所述第二预设值为3。

一种PWM整流器控制装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行所述存储器上存储的控制程序；所述存储器存储有控制程序，所述控制程序被执行时可实现如上任一项所述的控制方法。

一种PWM整流器控制装置，包括预测模块，排序模块和选择模块；

所述预测模块用于通过预测获取预设个数的控制矢量预测值；

所述排序模块用于对所述控制矢量预测值进行排列组合，得到不同的矢量序列；

所述选择模块用于从所述矢量序列中选择开关次数最少的矢量序列作为PWM整流器的控制序列。

进一步地，所述预测模块具体用于：通过预设的预测模型，根据前一作用周期的输出和当前作用周期的控制矢量预测值计算得到当前作用周期的输出；通过所述预设的预测模型，根据所述当前作用周期的控制矢量预测值和所述当前作用周期的输出，预测下一作用周期的控制矢量可能值；从所述控制矢量可能值中选择与预设参考值最接近的值作为下一作用周期的控制矢量预测值。

进一步地，所述排序模块对所述控制矢量预测值进行排列组合满足预设的约束条件；所述约束条件至少包括以下中的任意一项：

A.在任意一个控制周期内，发生变化的开关数少于等于第一预设值；

B.在任意一个作用周期内，发生变化的开关数少于等于第二预设值；

C.前一作用周期的最后一个开关状态是下一作用周期的第一个开关状态。

进一步地，所述约束条件还包括：

D.所述矢量序列中零矢量为所述矢量序列中的起始位置或结束位置。

进一步地，所述约束条件还包括：

E.对于每一相，按照先导通后关断的原则排列。

进一步地，所述约束条件还包括：

F.对于每一相，只开关一次。

进一步地，所述第一预设值为1，所述第二预设值为3。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过预设的预测模型计算获得控制矢量预测值，并对控制矢量预测值进行重新排列组合，得到新的矢量序列，再从该矢量序列中选择开关次数最少的矢量序列来控制PWM整流器，从而可以有效降低PWM整流器系统的开关频率。

2、本发明中，由于在一个作用周期内，在每相开关管导通时长确定的情况下，开关管导通时刻不同不会影响平均输出电压，因此，本方法可以在有效降低PWM整流器系统的开关频率的情况下，还能有效保证系统的动态性能。

3、本发明的控制算法简单，响应速度快，处理系统约束方式灵活。

附图说明

图1为本发明具体实施例的流程示意图。

图2为本发明具体实施例的控制矢量预测值预测原理示意图。

图3为本发明具体实施例的控制矢量预测值排列组合示意图。

图4为本发明具体实施例的平均输出电压相同情况下的不同脉冲排布示意图。

图5为本发明具体实施例中通过预测得到的矢量预测值序列示意图。

图6为本发明具体实施例对矢量预测值序列重新进行排列组合示意图。

图7为本发明具体实施例序列重新排列后的4种特征电压矢量序列示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的PWM整流器控制方法，包括如下步骤：S1.通过预测获取预设个数的控制矢量预测值；S2.对控制矢量预测值进行排列组合，得到不同的矢量序列；S3.从矢量序列中选择开关次数最少的矢量序列作为PWM整流器的控制序列。

在本实施例中，步骤S1的具体步骤包括：S1.1.通过预设的预测模型，根据前一作用周期的输出和当前作用周期的控制矢量预测值计算得到当前作用周期的输出；S1.2.通过预设的预测模型，根据当前作用周期的控制矢量预测值和当前作用周期的输出，预测下一作用周期的控制矢量可能值；S1.3.从控制矢量可能值中选择与预设参考值最接近的值作为下一作用周期的控制矢量预测值。

在本实施例中，先进行多步预测，得到预设个数的控制矢量预测值。如图2所示，每个作用周期有n个预测周期，图2中，每条竖线都用于划分控制周期，其中，t_k0、t_k1、t_k2还用于划分各作用周期。t_k0时刻，可以直接通过检测获取当前时刻的前一作用周期(t_k0的前一作用周期)整流器的输出，并且通过以前的预测可以得到当前作用周期(t_k0至t_k1的作用周期)的控制矢量预测值{S(t_k0)、S(t_k0+1)、…、S(t_k0+n-1)}，通过上述两个参数，由预设的预测模型可以计算得到当前作用周期整流器的输出{x(t_k0+1)、x(t_k0+2)、…、x(t_k0+n-1)、x(t_k1)}，其中，x(t_k0+1)、x(t_k0+2)、…、x(t_k0+n-1)是计算得到x(t_k1)的中间过程量；接下来，根据所计算得到的当前作用周期整流器的输出x(t_k1)，通过预设的预测模型，计算在当前作用周期的控制矢量预测值{S(t_k0)、S(t_k0+1)、…、S(t_k0+n-1)}的不同组合情况下，在下一作用周期(t_k1至t_k2的作用周期)内各控制周期的控制矢量可能值，如图2中在t_k1+1时刻，控制矢量可能值为S₁、S₂、…、S_n；同理，对于其余控制周期至t_k1+2至t_k1+n-1，都可以通过预测模型得到对应的控制矢量可能值S₁、S₂、…、S_n；接下来，对于每个控制周期的控制矢量可能值S₁、S₂、…、S_n，都可以通过预设参考值来进行筛选，从控制矢量可能值S₁、S₂、…、S_n中选择一个与预设参考值最接近的值作为对应控制周期的控制矢量预测值，按照此方法，可以得到整个下一作用周期的控制矢量预测值。在本实施例中控制器需要在t_k1时刻前将下一个作用周期内的开关函数组合序列{S(t_k1)、S(t_k1+1)、…、S(t_k1+n-1)}计算好。

在本实施例中，步骤S2中对控制矢量预测值进行排列组合满足预设的约束条件；约束条件至少包括以下中的任意一项：A.在任意一个控制周期内，发生变化的开关数少于等于第一预设值；B.在任意一个作用周期内，发生变化的开关数少于等于第二预设值；C.前一作用周期的最后一个开关状态是下一作用周期的第一个开关状态。第一预设值为1，第二预设值为3。通过上述约束条件，可以使得PWM整流器的开关器件按照一定的规律工作，使得开关频率受控。约束条件A和B限定了每个作用周期(采样周期)内的状态改变的次数以及开关器件的变化次数，约束条件C避免了在作用周期的起始或结束的时刻出现状态改变。这些约束条件都减少了开关损耗并延长整流器寿命。如图3中所示，设控制矢量预测值u^*在一个作用周期T内分别为(100)、(110)和零矢量，零矢量包括(000)和(111)。在扇区I可能的电压矢量作用时序包括图3所示的四种可能情形，具体选择哪一个用于整流器的控制可根据约束条件C来确定。每个控制矢量预测值包括三位，分别代表三相，其中，1代表该相导通，0代表该相关断。

在本实施例中，约束条件还包括：零矢量(000)和(111)的输出最终生效电压是相同的，在一个作用周期内，在各种矢量的排布下，该周期的平均输出电压是相同的。因此在矢量控制中，调制方式可以采用SPWM、SVPWM及各种DPWM。在一个作用周期内，在每相开关管导通时长确定的情况下，开关管通时刻不同不会影响平均输出电压(虽然可能输出的有效矢量有变化)。如图4中(1)a与(1)b所示，虽然其作用矢量都不相同，但是由于对应每相的导通时间都相同，因此周期的平均输出电压是相同的；同理，图4中(2)a与(2)b也具有相同的特性。

在本实施例中，对控制矢量预测值进行排列组合的约束条件还包括：D.矢量序列中零矢量为矢量序列中的起始位置或结束位置。和/或，E.对于每一相，按照先导通后关断的原则排列。和/或，F.对于每一相，只开关一次。图3的1号图中，零矢量(111)排在起始位置，2号图中，零矢量(111)排在结束位置，3号图中，零矢量(000)排在起始位置，4号图中，零矢量(000)排在结束位置。

在本实施例中，如果无法满足约束条件C，即无法保证前一作用周期的最后一个开关状态是下一作用周期的第一个开关状态时，则按照开关动作次数最少的原则选择矢量序列作为PWM整流器的控制序列。

在本实施例中，为了更好的说明控制过程，以6步预测，即一个作用周期(采样周期)包括6个预测周期的情况为例进行说明。设置通过预测模块计算得到的6个控制矢量预测值分别为{u₁、u₂、u₁、u₂、u₀、u₃}，其预测矢量的值为：u₀(000)、u₁(100)、u₂(110)、u₃(010)。其脉冲序列如图5所示。统计该周期内每相的导通时间，并按照1(导通)、0(关断)的顺序排布，可得到如图6所示的序列。可以看出，原始的脉冲序列中开关次数较多，并且含有3个有效矢量u₁、u₂、u₃，重新排布后只含有2个有效矢量，1个零矢量。接着，按照零矢量为000或111，零矢量位于初始位置或结束位置，共计4种特征进行排布，得到的序列如图7中4幅子图所示。最后，根据前一周期的最后开关状态，选择开关次数最少的脉冲排布序列，将其作为PWM整流器的控制序列，即最终生效脉冲。

在本实施例中，通过图7可以看出，每个采样周期只有两次开关动作，由于是三相电路，因此平均的采样频率是3倍开关频率。因此，当根据系统性能及散热能力确定开关频率后，可以确定系统的采样周期，继而可以确定预测周期及每个采样周期中的预测周期数。

本实施例的PWM整流器控制装置，包括处理器和存储器，处理器用于执行存储器上存储的控制程序；存储器存储有控制程序，控制程序被执行时可实现如上任一项的控制方法。

本实施例的PWM整流器控制装置，包括预测模块，排序模块和选择模块；预测模块用于通过预测获取预设个数的控制矢量预测值；排序模块用于对控制矢量预测值进行排列组合，得到不同的矢量序列；选择模块用于从矢量序列中选择开关次数最少的矢量序列作为PWM整流器的控制序列。

在本实施例中，预测模块具体用于：通过预设的预测模型，根据前一作用周期的输出和当前作用周期的控制矢量预测值计算得到当前作用周期的输出；通过预设的预测模型，根据当前作用周期的控制矢量预测值和当前作用周期的输出，预测下一作用周期的控制矢量可能值；从控制矢量可能值中选择与预设参考值最接近的值作为下一作用周期的控制矢量预测值。

在本实施例中，排序模块对控制矢量预测值进行排列组合满足预设的约束条件；约束条件至少包括以下中的任意一项：A.在任意一个控制周期内，发生变化的开关数少于等于第一预设值；B.在任意一个作用周期内，发生变化的开关数少于等于第二预设值；C.前一作用周期的最后一个开关状态是下一作用周期的第一个开关状态。约束条件还包括：D.矢量序列中零矢量为矢量序列中的起始位置或结束位置。约束条件还包括：E.对于每一相，按照先导通后关断的原则排列。约束条件还包括：F.对于每一相，只开关一次。在本实施例中，上述约束条件可以根据需要而选择。在本实施例中，第一预设值为1，第二预设值为3。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。