[发明专利]一种无网侧电压传感器的双级式矩阵变换器预测控制方法

说明书

本发明给出了一种无网侧电压传感器的双级式矩阵变换器预测控制方法，该方法在双级式矩阵变换器现有模型预测控制的基础上进行改进，根据整流级时域模型建立输入侧与网侧的磁链方程估计网侧电压。为了实现虚拟磁链的准确观测，通过一阶低通滤波器代替纯积分环节，并通过交叉补偿观测器补偿低通滤波器产生的幅值和相位差异。基于虚拟磁链计算瞬时功率，并以其为中间变量进行电网电压的估计。该方法可减少双级式矩阵变换器模型预测控制中的三个网侧电压传感器，大大降低了模型预测控制的成本且不影响其控制性能。

技术领域

本发明涉及电力电子控制领域，具体涉及一种无网侧电压传感器的双级式矩阵变换器预测控制方法。

背景技术

双级式矩阵变换器(Two-Stage Matrix Converter,TSMC)作为一种新型的交-直-交变换器，在近20年受到国内外众多学者的关注。它不仅继承了传统矩阵变换器不含中间储能元件、能量可双向流动等优点，还具有箝位电路简单、换流简单、可级联多个逆变级，减低系统成本等优点。因此TSMC在电机驱动、电源、风力发电及电能控制等领域具有广泛的应用前景。

TSMC的常规控制一般基于比例积分控制器，当控制多个目标时，需要控制多个控制回路，且由于整流级和逆变级之间存在耦合，使得控制方法变得复杂。相较于传统的控制策略，模型预测控制将调制技术和控制技术融为一体，不需要进行控制器的参数整定。通过引入价值函数可实现单个闭环结构控制多个目标。其中，有限集的模型预测控制(FiniteControl Set Model Predictive Control,FCS-MPC)通过对所有的开关状态进行遍历选优，选择价值函数最小的开关状态作用于变换器。然而由于缺乏调制器，可变的开关频率导致电流纹波较大。为了固定开关频率，学者为TSMC提出一种调制型模型预测策略(Modulation Model Predictive Control,M2PC)，通过选取多个开关状态在固定的开关周期内连续应用，可以改善TSMC的输入和输出电流的质量。

然而，无论是FCS-MPC还是M2PC，都需要采集k时刻的输入侧电压、网侧电压和网侧电流来预测下一时刻的网侧电流。因此，在双级式矩阵变换器的预测控制中需要在整流级设置9个传感器，这大大增加了模型预测控制的成本。因此对TSMC模型预测控制进一步研究，提高其经济效益是非常有必要的。

发明内容

一种无网侧电压传感器的双级式矩阵变换器预测控制方法，其特征在于该策略建立双级式矩阵变换器整流级网侧电压与输入侧电压的数学模型，并对其积分得到虚拟磁链方程；为了实现虚拟磁链的精确观测，用一阶低通滤波器代替纯积分环节，并通过交叉补偿观测器补偿低通滤波所产生的幅值和相位差异；基于虚拟磁链计算瞬时功率，并以其为中间变量进行电网电压的估计，从而减少网侧的电压传感器，具体包括以下步骤：

步骤一：根据双级式矩阵变换器整流级时域数学模型得到网侧电压、网侧电流、输入侧电压的关系式，并对其进行积分得到磁链方程；

步骤二：为了更准确的估计输入侧的虚拟磁链，采用一阶低通滤波器取代纯积分器来消除输入信号未知初值而产生的直流偏移；

步骤三：为了能够更加精确地观测输入侧虚拟磁链，采用交叉补偿观测器来补偿低通滤波器产生的幅值和相位差异；

步骤四：根据输入侧的虚拟磁链以及磁链方程得到网侧虚拟磁链；

步骤五：建立以网侧虚拟磁链为基础的网侧瞬时功率式；

步骤六：以瞬时功率为中间变量来估计电网电压；

步骤七：根据所估计的电网电压进行后续的模型预测控制；

进一步的，所述的一种无网侧电压传感器的双极式矩阵变换器预测控制方法，其特征在于在整流级建立时域数学模型并对其积分得到磁链方程；在双级式矩阵变换器的模型预测控制中，为了预测网侧电流，需要根据整流级电容、电感的电压电流约束关系建立整流级的时域数学模型，具体计算如下：